一種用于5G通信的小型化手機天線設計

金家峰　朱云霞　許欣　李林峰

摘? 要：針對傳統天線的結構復雜、帶寬有限、輻射效果不佳等一系列問題，文章提出了一種用于5G通信的小型化手機天線。通過利用5G技術和小型化技術的結合，解決了天線體積及性能等方面的問題。該天線在FR4加載6個對稱的U形單元，其底部刻蝕的矩形槽用于改善阻抗匹配特性。仿真結果表明該天線可以覆蓋4.43～4.80 GHz頻段，具有輻射性能良好、結構簡單的特點。

關鍵詞：小型化；5G；手機天線

中圖分類號：TN929.5；TN820? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2023）12-0048-04

Design of a Miniaturization Mobile Phone Antenna for 5G Communication

JIN Jiafeng， ZHU Yunxia， XU Xin， LI Linfeng

（School of Electrical and Information Engineering， Anhui University of Science and Technology， Huainan? 232001， China）

Abstract： Aiming at a series of problems such as complex structure， limited bandwidth and poor radiation effect of traditional antenna， this paper proposes a miniaturization mobile phone antenna for 5G communication. By using the combination of 5G technology and miniaturization technology， the antenna size and performance problems have been solved. The antenna is loaded with six symmetrical U-shaped elements on FR4， and the etched rectangular groove at the bottom is used to improve the impedance matching characteristics. The simulation results show that the antenna can cover the 4.43～4.80 GHz frequency band， with characteristics of good radiation performance and simple structure.

Keywords： miniaturization; 5G; mobile phone antenna

0? 引? 言

近些年來，移動互聯網技術的不斷發展，使互聯網的用戶以指數形式而飛速增長。目前網絡容量已經很難滿足當下網絡用戶的使用需求，研究出新一代的移動通信系統迫在眉睫。第五代移動通信技術（5th Generation Mobile Networks， 5G）是由第四代移動通信技術（4th Generation Mobile Networks， 4G）延伸發展而來的，它的傳輸速率與網絡容量有了飛躍性的增加。2019年，我國的5G技術正式投入商業使用，將uRLLC（即時可靠通信），eMBB（高能通信寬帶）和mMTC（海量機器通信）作為主要應用場景，將應用于自動駕駛、遠程醫療、智能家居等新興行業領域[1]。

目前，和以往的2G、4G等通信技術相比，5G具有安全系數更高、運行更加穩定的系統。在實際的生產生活中，由于5G通信技術的高兼容性，數據高速有效傳輸的效率得到了提高，通信的損耗率大大減小，通信系統的穩定性也有顯著的提高。在運行成本這個方面，相比以往的通信技術，5G網絡要花費的成本更低。并且，因為5G系統容量較大，可以借助5G網絡系統的互聯網設備種類數目繁多，基本上可以滿足日常生活中對不同頻率的需求?？偠灾绻?G通信技術可以得到合理有效的利用，不但可以提高用戶對通信的體驗感和滿足感，還可以提高傳輸數據的速率和效率。用戶正確使用5G通信網絡，可以很快得到高清視頻和圖像。此外，5G網絡所覆蓋的面較廣，依靠技術的兼容性，可以很大程度上消除無效信息，減少能源資源的消耗[2]。眾所周知，5G技術具有開拓性和先進性特點。5G的先進性，表現在它的網絡運轉速度、無線通信技術與互聯網技術的有機結合等方面。所謂技術結合，說到底就是將納米技術、高頻傳輸等科學技術等進行融合，這就是5G技術的安全性和穩定性相比于其他通信技術得到了顯著提高的關鍵?，F階段，5G通信技術尚處于發展初級階段，雖然5G技術的覆蓋范圍比較廣，但技術普及并未達到大范圍普及的程度，技術人員還需進一步在技術研究方面花大力氣，為5G網絡發展提供更為優質的運行環境。此外，5G技術利用其較強的兼容性，和藍牙技術、無線技術的有機融合，將會得到很好的普及使用?？偠灾?，5G通信技術使通信技術的發展向前邁了一大步。

移動通信技術約以每10年一代技術的進步發展，已經歷了1G到4G的變化。通信技術的一次一次升級進步，一次一次技術發展，都使得經濟產業不斷升級和經濟社會不斷進步。我國經濟的高速發展和科學技術的不斷進步，對人們的生活質量的提高都有著積極、深遠的影響。在這樣的社會發展潮流下，依靠互聯網技術的時代將會成為必然趨勢，5G技術的研發必將是社會的主流。與此同時，在這個先進技術飛速躍變的時代，只有將不斷發展的先進技術和當前的社會狀況相結合，才能更好地適應大環境下的社會需要，以謀求高質量的發展進步[3]。

1? 小型化5G天線技術背景

1.1? 5G技術背景

目前，5G技術和以往4G等通信技術相比，安全性更高，穩定性更強。在現代社會的生產運用中，對網絡進行科學合理布局，利用好5G的高兼容性，可以大幅度提高數據的傳輸速率，減少傳輸過程中的有用信息損耗，提升通信網絡的可靠性和安全性。在通信成本這個方面，5G網絡成本與其他通信技術相比，花費的成本更低，能源消耗量也大大減小。此外，由于5G系統容量比較大，與之匹配的網絡設備種類數目很多，在很大程度上能夠滿足日常生產生活對不同的頻率需求。在無線電系統中，天線作為不可替代的組成部分，在無線通信有著舉足輕重的地位。由于現代社會生活對無線通信系統的需求不斷提升，天線的發展與創新受到了人們廣泛的關注和重視[4]。基于現代通信技術的不斷深入發展，5G天線技術需要通過進一步提升去適應現代通信系統的需求，這使得5G天線有了多需求的研究方向[5]。

5G技術的出現可以更深一步拓展通信系統的性能?，F階段，5G手機天線的設計重點在于體現結構簡單、數目多、輻射性能優良等特點。若是通過簡單的小型化結構就可以實現5G頻段的有效覆蓋，是研究人員一直所追求的。所以5G技術結合天線的小型化技術將更多的天線單元集成到手機內部已經成為手機天線設計發展的必然趨勢[6]。

1.2? 小型化技術背景

小型化天線設計更符合目前基站天線的發展方向的必然趨勢，同時也是當前國際形勢下的研究熱點。小型化的天線具有提高天線的空間利用率、降低成本、解決空間資源緊缺等優點。目前基站天線大都是不同頻段集成合成設計在一起的，這就要求在有限的空間里把天線設計的足夠小。根據天線理論分析可以知道，天線工作的中心頻率與天線的輻射口徑有關系，天線的工作頻段越低，天線的尺寸就越大，工作頻段就隨之越高，尺寸也就會越小。天線的小型化技術目前主要從兩個方面考慮，一個是降低剖面高度，另一個是減少天線輻射單元口徑。

在現有的實現天線小型化技術中，曲流技術是最常見、最普遍的技術之一，其中彎折技術又是很受人們歡迎的計數方式。彎折技術是針對單極子天線，通過將有效長度進行彎折，可以在極小的體積內分布更長的電流路徑。

2? 天線理論

2.1? 理論基礎

在無線通信系統中，天線常常被人們認為是磁與電的過渡轉變器，可以實現在特定方向如何上發射和接受電磁波的作用，不同的系統會對天線提出不同程度上的要求，但是無論結構改變，天線最基本、最重要的理論基礎都是基于時變電場產生磁場的理論[7]，其基本方程可以表述為：

IL = Qv? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

其中，I表示時變電流，L表示電流元的長度，Q表示電荷量，v表示電荷的加速度（速度隨時間的變化率）。

2.2? 天線的帶寬

天線的阻抗帶寬實際上體現了天線與傳輸線匹配程度的情況。當天線的電參數在容許范圍之內時，其頻率范圍便就是天線的帶寬。有多種形式可以表述天線的帶寬，其中絕對帶寬的表達式為[8]：

SBW = fH - fL? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

其中，fH表示天線的上限頻率，fL表示天線的下限頻率。相對帶寬或百分比帶寬的表達式如式（2）所示，同時也被稱之為算數平均值。而對于寬頻帶天線，往往用比值fH / fL表示，fH / fL被稱為比帶寬。

3? 小型化5G天線的結構設計與分析

5G技術的飛速發展，對天線技術的要求也進一步上升。根據天線的電磁理論，以滿足天線基本性能為前提，試圖設計出來一款更為小型化5G通信的手機天線。通過曲流技術去優化天線結構，延長電流路徑，在允許的范圍內，采用彎折，使天線小型化相對有效。通過仿真測量和參數優化，發現其可實現性[9]。

設計的小型化寬帶天線的基板是采用FR4材料制作而成，基板的相對介電常數為4.4。為了更好更真實地模擬手機的尺寸大小，本文將天線設計成為一個形狀近似于手機尺寸大小的長方體，該長方體長80 mm，寬150 mm，高0.8 mm。如圖1所示，展現了該天線的具體尺寸大小。將這六個U形5G天線單元對稱式地放置在介質板上，在150 mm這一邊上每邊分別放置3個天線單元，其中兩個同向放置，另一個與這兩個反向180°放置。U形單元采用彎折技術，使其實現小型化。在每個天線下方刻蝕了矩形槽，其大小為20.0 mm×5.0 mm。圖1中Ant3與Ant1、Ant2關于x軸呈鏡像關系，Ant6與Ant4、Ant5關于x軸呈鏡像關系，Ant1與Ant4、Ant2與Ant5、Ant3與Ant6均兩兩關于y軸呈鏡像關系。矩形槽將改善天線單元的阻抗匹配特性，將會大幅度提高天線的輻射能力。該天線單元全部都應用50 Ω同軸饋電方式。本天線為U形單極子的天線，隔離度由天線位置決定。通過多次實驗，進行仿真優化，數據分析，最終將天線A端的寬度確定為4.3 mm，此時具有最好的增益效果和性能。這種天線的設計目標是為了滿足MIMO系統的要求[10]。

4? 天線性能的分析

天線作為電磁波輻射和接收的媒介，在能量轉換和輻射特性上有獨特的性能。因此，只有根據天線特性參數指標來完成天線的設計，才能夠符合技術指標和要求。影響天線輻射性能的因素有很多，主要可以歸類為電參數和輻射參數。通過對這些參數進行理論分析，才能夠更深入地了解天線的設計原理。為進一步研究天線的各項性能就必須掌握天線理論基礎知識，如方向圖和增益等。

如圖2所示，A處的紅點被稱為饋電點，其饋電電纜的半徑是0.3 mm。此天線是由6個U型單極子天線對稱式分布構成的。如圖3所示，是仿真出的天線的S11參數掃頻分析結果圖，可以看出設計出的小型化天線，圖中的結果基本符合目標的覆蓋頻段?？梢钥闯霎敾夭〒p耗小于-10 dB時，天線的帶寬覆蓋在4.43～4.80 GHz，能夠成功覆蓋5G頻段。

圖4是天線的E面方向圖，圖5是天線三維增益方向圖?？梢钥闯鎏炀€在整個工作頻段中，具有很好的全向性和很好的增益效果，且具有良好的輻射性能。

由此可以看出，本文設計的小型化5G手機天線具有結構簡單，頻帶寬，增益效果好，輻射性能好，通信性能安全性高等特點，相比較于傳統的手機天線，該5G有了很大的性能提升，具有良好的應用前景。

5? 結? 論

本文設計出了一款小型化5G手機天線，將天線結構在某一維度方面進行了大幅度縮減，其中采用的彎折技術，是使得天線小型化的關鍵技術手段。運用了5G技術，使得該天線在整個頻段內具有一致性，加強了信號傳輸的穩定性，且能保證波形及信號不失真地輻射至自由空間，加強了天線的抗多徑干擾能力。此外，還提高了通信的安全性能和天線的頻帶寬度。仿真結果表明該小型化天線的帶寬在4.43～4.80 GHz的頻段中，有效覆蓋了5G的通信頻段。

與傳統普通天線相比，本文設計的天線具有結構簡單，頻帶寬，通信性能安全性高，小型化等優點。鑒于手機體積小、空間緊湊，在滿足小型化的條件下，保持了天線的良好增益效果，有很強的實用價值和應用前景。

參考文獻：

[1] 王曉成.5G小型化寬帶手機天線的研究與設計 [D].北京：北京郵電大學，2020.

[2] 王云.5G無線通信技術概念及其應用分析 [J].中國新通信，2022，24（12）：1-3.

[3] 周磊.淺析5G無線通信技術概念分析及其運用 [J].中國設備工程，2022（15）：28-30.

[4] 巫曉林.5G標準信道模型的軟件實現與驗證 [D].北京：北京郵電大學，2021.

[5] 馬燕明.加載超構材料的多頻多陷波天線的研究 [D].西安：西安理工大學，2021.

[6] 劉鵬.應用于5G智能手機的MIMO天線設計 [D].合肥：安徽大學，2021.

[7] 賀雙.超寬帶天線的小型化研究及工程應用 [D].南京：南京理工大學，2019.

[8] 王曉成.5G小型化寬帶手機天線的研究與設計 [D].北京：北京郵電大學，2020.

[9] 李東霞，丁永紅，尤文斌.一種LoRa微帶天線的小型化設計 [J].中北大學學報：自然科學版，2022，43（2）：180-185+192.

[10] 張家正，尤寶林，王小虎，等.小型化MIMO技術的5G手機天線設計 [J].電子世界，2021（20）：150-151.

作者簡介：金家峰（2002—），男，漢族，安徽合肥人，本科在讀，研究方向：通信工程。