礦用多頻段微帶天線設計

張志文， 徐艷紅， 周夢麗， 王安義

（西安科技大學 通信與信息工程學院，陜西 西安 710054）

0 引言

第五代移動通信技術（5G）具有可靠性高、傳輸速率高、時延小、容量大等優點，促進了煤礦智能化的快速發展[1-2]。然而，隨著5G技術在煤礦的應用，多系統之間的信號干擾愈發密集[3]，嚴重影響數據、語音和圖像通信的質量，煤礦井下多系統共存問題日益突顯。多頻段微帶天線可較好地解決多系統之間的干擾問題，因此，得到了國內外眾多研究人員的廣泛關注。

實現微帶天線多頻段工作的方法主要有以下幾種：① 陷波技術。超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）技術覆蓋了所有需要的工作頻點[4]，但無法避免多個通信系統及各工作頻點之間的干擾，文獻[5-6]針對UWB天線采用陷波技術，實現了多個通信系統和各工作頻點之間的有效隔離。② 貼片開槽或加載缺陷地技術。文獻[7]通過在微帶天線的輻射貼片上開U形槽，達到天線在多個頻點工作的目的；文獻[8]在接地板上蝕刻L形缺陷地結構，使天線具有雙頻工作特性。③ 多層堆疊貼片技術。通過堆疊多個大小不同的貼片產生多個工作頻段[9-10]。④ 加載超材料結構。在天線上加載諧振環或互補諧振環[11-13],使天線具有多頻工作特性。⑤ 在平面單極子天線上加載不同形狀的枝節。通過將2個枝節彎曲成半環形倒L[14]、加載弧形和L形枝節[15]、采用三叉戟式天線[16]、彎延天線枝節[17]等方式，滿足天線多頻段工作需求。

平面單極子天線具有制作簡單、成本低、質量輕、結構靈活且易于集成等優勢。因此，本文在平面單極子天線的基礎上，設計了一種可同時工作于WiMAX/WiFi/ 4G/5G NR頻段的礦用多頻段微帶天線。該天線在單極子天線的基礎上加載2個L形枝節，使天線能夠在3個頻段工作，即天線能兼容煤礦井下商用5G NR頻譜（2.51～2.67，3.40～3.60，4.80～4.90 GHz），WiFi頻段（2.40～2.48 GHz），微波存取全球互通WiMAX頻段（2.50～2.69 GHz）；在金屬地板加載倒L形枝節，增加1個低頻諧振點，展寬低頻處的帶寬，使天線能夠滿足中國移動/聯通/電信4G全頻段（1.88～2.66 GHz）通信的要求。

1 礦用多頻段微帶天線設計

礦用多頻段微帶天線由輻射枝節、金屬地板、介質基板、微帶線組成，如圖1所示，其中L1-L10為各段天線的長度，W1為微帶線的寬度，W2為輻射枝節的寬度，Ws為地板枝節的寬度。天線印制在FR4（相對介電常數εr為 4.4，損耗正切角為0.02°）介質基板上，介質基板大小為G×G×H。介質基板的下表面印制有金屬地板，寬度設為G1。天線使用50 Ω微帶線饋電。

圖1 礦用多頻段微帶天線結構Fig. 1 The structure of mine multi-band microstrip antenna

天線設計過程如圖2所示，對應的阻抗匹配曲線（S11曲線）如圖3所示。通常情況下，尺寸約為λ/4（λ為波長）的單極子天線具有較好的輻射特性，且其輸入阻抗接近50 Ω，易于饋線匹配。因此，一般設計單極子天線的尺寸為λ/4。波長計算公式為

圖2 天線設計過程Fig. 2 Design procedures of the antenna

圖3 天線1-天線4的S11曲線Fig. 3 S11 curves of Ant.1-4

式中：c為真空中的光速；fr為天線工作頻率。

當fr=2.5 GHz時，λ/4=30 mm。因為波的傳輸既要經過自由空間，也要經過介質，所以天線實際波長應介于介質的導波長和自由空間中的波長之間。介質的導波長為

當fr=2.5 GHz時，λg/4≈14.3 mm。因此，L1的取值范圍為14.3～30 mm。當L1=20 mm時，天線在2.5 GHz阻抗匹配較好。

同理，天線2在原枝節的右側加載1個新的諧振枝節，引入了1個新的3.5 GHz諧振點，該諧振點對應輻射枝節長度為L2+L3+L4，其取值范圍為10.2～21.4 mm。當L2+L3+L4=17.7 mm時，天線在3.5 GHz阻抗匹配較好。此外，為了避免新加載枝節對原枝節產生過強的耦合作用，可適當利用枝節的空間分布，使其耦合作用減小。當L3=3.5 mm時，由圖3可看出，新加載的枝節對原枝節耦合作用很小。為避免對原有的頻點造成太大干擾，在天線的左側增加1個諧振枝節，形成天線3。從圖3可看出，天線3在天線2的基礎上增加了1個4.8 GHz諧振點，諧振點對應輻射枝節長度為L5+L6+L7，其取值范圍為7.4～15.6 mm。當L5+L6+L7=14 mm時，天線在4.8 GHz阻抗匹配較好。由圖3可見，當L6=2.5 mm時，天線間各枝節之間的耦合作用可忽略。在天線3的基礎上，天線4在金屬地板上增加1個倒L形枝節，枝節長度為L9+L10，在低頻處產生1個新的1.9 GHz諧振點，從而展寬天線在低頻處的工作帶寬，使得天線能兼容商用4G全頻段。同理可知，L9+L10取值范圍為18.8～39.4 mm。當L9+L10=27 mm時，天線在1.9 GHz阻抗匹配較好。

礦用多頻段微帶天線各參數見表1。

表1 礦用多頻段微帶天線參數Table 1 Parameters of mine multi-band microstrip antenna mm

2 仿真與分析

借助Ansoft HFSS電磁仿真軟件對所設計的天線進行性能分析，天線4的S11曲線如圖4所示。可看出天線的中間、右側和左側枝節分別產生了2.4，3.5，4.8 GHz的諧振點，而在地板加載的倒L形枝節則提供了1.9 GHz的諧振點，從而展寬了天線在低頻段處的帶寬。最終，該天線可工作在3個頻段，分別為1.88～2.73，3.26～3.79，4.70～5.90 GHz，能夠有效覆蓋煤礦井下WiMAX/WiFi/4G/5G NR全部的工作頻段。

圖4 天線4的S11曲線Fig. 4 S11 curve of Ant.4

天線的峰值增益如圖5所示。當天線工作在1.88～2.69 GHz頻段時，峰值增益為3.12～4.46 dB；工作在3.4～3.6 GHz和4.8～4.9 GHz頻段時，天線的峰值增益分別為3.6～3.9 dB和4.22～4.7 dB。可見，該天線在需要的工作頻段內峰值增益性能良好。

圖5 天線的峰值增益Fig. 5 Peak gain of the antenna

天線各個諧振點處的電流分布情況如圖6所示。當諧振點為1.9 GHz時，中間枝節與左右兩側枝節的電流幾乎相同，倒L形枝節的電流幅值較大，說明在諧振點為1.9 GHz時，倒L形枝節起主導作用。當諧振點為2.4 GHz時，中間枝節的電流大于左右兩側枝節電流，此時中間枝節起主要作用。當諧振點為3.5 GHz時，右側枝節的電流明顯大于中間枝節和左側枝節的電流，說明在該頻段右側枝節影響最大。同理，在諧振點為4.8 GHz時，左側枝節的電流較大，說明左側枝節在高頻點處的影響最大。

圖6 天線各諧振點電流分布Fig. 6 The current distribution of each resonance point of the antenna

天線的歸一化方向圖如圖7所示。由于加載了倒L形枝節，天線的方向圖在低頻段出現了些許偏移。隨著頻率的增加，天線阻抗和饋線阻抗匹配不完全，介質基板損耗嚴重，方向圖發生了輕微的變化，天線的E面方向圖大致呈“8”字形，H面方向圖呈“O”形，整體輻射性能良好。

圖7 天線的歸一化方向圖Fig. 7 Normalized patterns of the antenna

3 結語

隨著5G技術在煤礦逐漸普及，多系統共存問題日益突出。設計了一種具有低頻寬帶特性的三頻段微帶天線。在諧振點為2.4 GHz的單枝節單極子天線的基礎上，在其左右兩側分別加載1個L形枝節，增加了3.5 GHz和4.8 GHz兩個諧振點，從而使天線能在3個頻段下工作；在金屬地板上加載1個倒L形枝節，在低頻段增加1個1.9 GHz諧振點，從而展寬低頻段的帶寬，使得天線的工作頻帶為1.88～2.73，3.26 ～3.79，4.70～5.90 GHz，能夠有效覆蓋煤礦井下WiMAX/WiFi/4G/5G NR工作頻段。該天線不僅能覆蓋常見的商業頻段，且具有結構簡單、成本低、易加工的優勢，因此在無線通信系統中具有良好的應用前景。