小型化超寬帶天線設(shè)計(jì)

陳振煒，袁 成，李向陽，金家峰，陳 磊，王仲根

（安徽理工大學(xué) 電氣與信盧工程學(xué)院，安徽 淮南 232000）

近年來，無線通信技術(shù)發(fā)展迅速。終端設(shè)備也正朝著小型化、低成本、高效率的方向發(fā)展。自2002 年將3.1～10.6 GHz 波段劃分到民用通信領(lǐng)域后[1]，超寬帶通信技術(shù)成為了學(xué)術(shù)界和無線通信領(lǐng)域的重點(diǎn)研究對象。因此，設(shè)計(jì)一款對5G 頻段的基本穩(wěn)定覆蓋的小型化超寬帶天線具有重大意義。

超寬帶（UWB）是一種無線技術(shù)，可以在短時(shí)間內(nèi)以極低功率實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳播。當(dāng)前的超寬帶化系統(tǒng)正向著體積小、重量輕和低成本的趨勢發(fā)展。設(shè)備寬帶化、小型化、共用化，超寬帶的天線將會是未來的一大熱潮，對于通信行業(yè)發(fā)展及人們的日常生活都有著重要意義[1]。通過目前已有的對超寬帶天線的研究應(yīng)用以及查閱相關(guān)資料，本文設(shè)計(jì)了一款超寬帶5G 天線[2]，基于小型化[3]的基礎(chǔ)引入超寬帶技術(shù)[4]及5G 技術(shù)[5]，一定程度上減小了天線體積，有效提高了天線的抗干擾能力和信號傳輸效率，且能保證波形及信號在空間內(nèi)的正常輻射，滿足了無線通電環(huán)境下天線寬頻帶的要求[6]，達(dá)到更好的天線增益效果[7]。

1 小型化超寬帶天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

1.1 超寬帶（UWB）技術(shù)

超寬帶天線是基于普通的較窄的帶寬天線基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，所以UWB 天線與市面上的普通窄帶天線在原理上并沒有最根本的差異。與傳統(tǒng)的窄帶天線相比較，UWB 天線需要帶有幾個(gè)倍頻程的帶寬，而且對天線在整個(gè)UWB 頻帶中的性能穩(wěn)定有更為嚴(yán)格的要求。20 世紀(jì)50 年代以前，是寬帶天線早期發(fā)展階段，主要面向廣播電視和移動通信等應(yīng)用；20 世紀(jì)50 年代到20 世紀(jì)90 年代初，多種寬帶和拉姆西提出的非頻變天線設(shè)計(jì)理念在這一時(shí)間段誕生，廣泛應(yīng)用在移動通信以及雷達(dá)探測距離等方面，使天線的發(fā)展產(chǎn)生了一個(gè)新的突破。現(xiàn)代意義上的UWB 天線發(fā)展實(shí)際上是從20 世紀(jì)90 年代開始的，應(yīng)用于短距離無線移動通信領(lǐng)域中的UWB天線的研究設(shè)計(jì)在美國軍方和航空界等眾多不同意見的情況下，面心立方晶格（FCC）仍然開放民用的UWB 設(shè)備使用頻段，說明此技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景和市場，至此，UWB 技術(shù)得以發(fā)展。

近些年來，基于高速電子集成電路和移動通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展，對天線制作流程、占用空間和射頻范圍有了更高的要求。早期的寬帶天線的結(jié)構(gòu)通常是三維結(jié)構(gòu)，在當(dāng)今社會市場中，UWB 天線被廣泛應(yīng)用于通信設(shè)備中，同時(shí)其結(jié)構(gòu)具有趨于平面化、小型化的發(fā)展趨勢。

在當(dāng)今無線通信發(fā)展領(lǐng)域中，UWB 技術(shù)憑借多次利用頻譜的特點(diǎn)，可以解決頻譜在很小范圍內(nèi)出現(xiàn)極為擁擠的問題。自20 世紀(jì)90 年代以來，伴隨著現(xiàn)代信號處理技術(shù)和高速電子集成電路的飛速發(fā)展，使得UWB 技術(shù)在當(dāng)今商業(yè)、民用等領(lǐng)域的大范圍應(yīng)用成為可能。

1.2 超寬帶研究

天線一直以來都是無線通信系統(tǒng)中至關(guān)重要的一部分，隨著時(shí)代的發(fā)展，通信系統(tǒng)對于天線有了更高的要求，從而引領(lǐng)了天線的新的發(fā)展方向。

信盧化時(shí)代的到來，現(xiàn)代社會對于無線通信系統(tǒng)能力需求的不斷提高，天線的研究和設(shè)計(jì)受到廣泛的關(guān)注。基于現(xiàn)代通信技術(shù)的深入研究和發(fā)展，超寬帶天線的能力需要進(jìn)一步提升來滿足超寬帶通信系統(tǒng)的需求，這使得超寬帶天線出現(xiàn)了多個(gè)方向，多種需求的研究熱點(diǎn)。比如，為了盡量避免超寬帶輻射范圍內(nèi)的電磁信號干擾，由濾波組帶功能的超寬帶帶阻天線組成的天線有效減小電磁干擾，因此，這種天線的設(shè)計(jì)成為一種趨勢。此外，對濾波性能要求變得更為嚴(yán)格，通信系統(tǒng)日益向小巧便攜式發(fā)展，所以要求天線也同樣小型便攜。因此，小型化便攜式超寬帶天線受到廣泛關(guān)注。在如今飛速發(fā)展的信盧化時(shí)代，人們對于無線通信的質(zhì)量性能及安全性能的要求也更加嚴(yán)格，超寬帶技術(shù)能夠有效提高無線天線的通信質(zhì)量的同時(shí)也能減小天線的體積，易于攜帶。

最近幾年，超寬帶天線技術(shù)已經(jīng)成為超寬帶無線通信的重要技術(shù)的組成部分，在現(xiàn)代無線通信領(lǐng)域，尤其是在數(shù)字移動通信方面，發(fā)生用戶數(shù)量的快速增長，相應(yīng)的頻率資源日益緊缺的情況。針對此情況，為了充分、合理和有效地利用寶貴的頻率資源，盡量避免頻譜的擁擠情況，無線通信領(lǐng)域順勢開展了各種各樣的業(yè)務(wù)，以此來緩解用戶對業(yè)務(wù)質(zhì)量的需求與無線傳播環(huán)境之間的矛盾。由于超寬帶短距離無線通信系統(tǒng)可以與傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)共用頻段有效減少了頻譜資源，因此這一技術(shù)在無線通信領(lǐng)域中引來了廣泛的關(guān)注。并且隨著5G 技術(shù)的不斷發(fā)展，天線的要求也逐步上升。根據(jù)天線理論和電磁理論，在滿足天線原有的性能上，嘗試設(shè)計(jì)出一款更為小型化超寬帶的天線[8]。通過曲流技術(shù)優(yōu)化天線結(jié)構(gòu)，延長電流路徑，同時(shí)運(yùn)用介質(zhì)加載，適當(dāng)增加介質(zhì)基板的介電常數(shù)，使天線小型化更加有效。同時(shí)在此基礎(chǔ)上，提出一種微帶線饋電的圓形貼片單極子天線，通過仿真測量，發(fā)現(xiàn)其可實(shí)現(xiàn)性[9]。

1.3 基于超寬帶設(shè)計(jì)小型化天線

本文所設(shè)計(jì)的小型化天線安裝在長方體金屬平臺內(nèi)，其結(jié)構(gòu)包含介電質(zhì)基板、輻射貼片、輻射元及接地板。如圖1—2 所示，該天線的基本尺寸為長50 mm，寬30mm，高1.8 mm。該天線主要以FR-4 材料作為介質(zhì)板，其長50 mm，寬30 mm，高1.80 mm 的長方體。在該介質(zhì)板上側(cè)附有一圓形微帶貼片，其直徑尺寸為12.95 mm。在該介質(zhì)板下側(cè)為一接地板，其長為25.02 mm，寬為18.36 mm。天線模塊有2 個(gè)同軸圓柱體組成，并且同時(shí)與接地板相連，其中內(nèi)層天線以氯化聚乙烯（PEC）為材料，直徑為0.75 mm，高度為3.60 mm，外層圓柱體作為真空隔熱板，其直徑為0.33 mm，高度為5.40 mm，對內(nèi)層天線進(jìn)行隔熱保護(hù)，增加其安全性。

圖1 天線正向尺寸圖

圖2 天線底板尺寸圖

1.4 天線性能分析

超寬帶天線作為超寬帶通信系統(tǒng)的一部分，仿真出的天線在2.00～6.00 GHz 的S11 參數(shù)掃頻分析結(jié)果如圖3 所示，可以看出設(shè)計(jì)出的超寬帶天線，圖中的量結(jié)果基本符合目標(biāo)的覆蓋頻段，當(dāng)回波損耗小于-10 dB 時(shí)，天線的帶寬覆蓋在 2.07～5.59 GHz的頻段中，而5G 的通信頻段為3.3～3.4 GHz 和4.8～5.0 GHz。由此可以看出該天線在5G 的2 個(gè)主要頻段都能夠很好地覆蓋，并且還加大了天線的頻段寬度。

圖3 S11 參數(shù)

該天線的三維增益方向圖如圖4 所示，從三維增益方向圖中，可以看出該小型化超寬帶天線的最大輻射方向是該天線的法向平面內(nèi)，即YZ 軸平面，在YZ軸平面有較好的增益效果。

該天線的E 面方向增益圖如圖5 所示，該天線的史密斯圓圖如圖6 所示，據(jù)圖可以看出，該天線在整個(gè)工作頻段中，其E 面方向增益圖具有全向性[10]，在整個(gè)工作頻段中能夠保持較好的一致性，確保了天線能夠穩(wěn)定接收并發(fā)送整個(gè)工作頻段上的信號，且滿足信號保真效果。

圖5 天線方向圖

圖6 天線史密斯圓圖

2 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一款小型化超寬帶5G 天線，使得天線結(jié)構(gòu)在某一維度方面進(jìn)行大幅縮減，從而使得天線小型化。該天線可覆蓋5G 的3.3～3.4 GHz 和4.8～5.0 GHz的2 個(gè)頻段，回波損耗S11 小于-10 dB。并運(yùn)用了超寬帶技術(shù)，使得該天線在整個(gè)頻段內(nèi)具有一致性，加強(qiáng)信號的穩(wěn)定性，且能保證波形及信號不失真地輻射至自由空間，加強(qiáng)了天線的抗多徑干擾能力，并提高了通信的安全性能和天線的頻帶寬度，測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合，與傳統(tǒng)天線相比，本文設(shè)計(jì)的天線頻帶寬、輻射性能良好、通信性能安全性高、結(jié)構(gòu)簡單加工成本低。