一種應用于5G的多頻段天線設(shè)計

鄧蕊蕊?趙子倩?李天睿?趙安興

摘要：本文設(shè)計并優(yōu)化了一種可以應用于5G通信的小型化多頻段微帶天線。該設(shè)計基于最基本的矩形微帶天線，采用微帶線饋電，通過輻射貼片開槽技術(shù)，使其具有多頻工作特性。結(jié)合三維電磁場仿真軟件HFSS建模，進一步優(yōu)化縫隙尺寸，確定了天線最優(yōu)結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，該天線可在2.53GHz、3.92GHz和4.75GHz三個中心頻點處有效工作，實現(xiàn)天線多頻段工作，從而達到實現(xiàn)多頻段覆蓋以及更好的頻率利用率。本文所設(shè)計的天線可以滿足5G FR2頻段中n41、n77、n79通信系統(tǒng)的要求，且具有良好的全向輻射特性。

關(guān)鍵詞：5G通信；多頻段；開槽技術(shù)

一、引言

為了滿足不斷增長的數(shù)據(jù)傳輸需求，5G移動通信技術(shù)應運而生。相較于4G，5G擁有更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、超低的數(shù)據(jù)傳輸時延以及巨大的數(shù)據(jù)容量。5G通信標準的FR2通信頻段首次采用了毫米波頻段，為5G網(wǎng)絡(luò)提供了極速的數(shù)據(jù)傳輸速度和巨大的容量。傳統(tǒng)天線僅可工作在單頻段，集成度較高的電子通信設(shè)備若想正常工作則需要使用多個單頻段天線。但是，多天線之間存在的耦合效應會對系統(tǒng)性能造成影響，并且使用多個天線會增加系統(tǒng)空間，與設(shè)備小型化的發(fā)展趨勢背道而馳。而多頻段系統(tǒng)能夠同時工作在多個頻段，以實現(xiàn)提高其系統(tǒng)容量的目的。因此，使用多頻段天線使單個天線兼容多個通信標準，解決多天線間互相干擾的問題成為熱門的研究方向。

微帶天線因具有體積小、重量輕、易于和移動終端設(shè)備共形等優(yōu)點，被廣泛應用于微波通信系統(tǒng)[1-2]。隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對天線的性能提出了更高標準的要求，其中多頻段工作成為天線設(shè)計的重要發(fā)展方向之一[3-7]。文獻[5]通過采用變形的L貼片和寄生短截線，設(shè)計了可以覆蓋WLAN三個頻段的三頻天線；文獻[6]使用PIFA結(jié)構(gòu)，通過加載四分之一波長、寄生短路貼片等多種方法，成功實現(xiàn)三頻特性，但由于其各部分之間存在互相干擾，在較高工作頻率下的輻射特性明顯下降；文獻[7]設(shè)計了一種基于缺陷地結(jié)構(gòu)的小型三角微帶天線，成功實現(xiàn)了天線的多頻化，但由于天線結(jié)構(gòu)的不對稱以及各參數(shù)之間的相互影響，導致天線帶寬較窄。本文在一種矩形微帶貼片天線的基礎(chǔ)上，通過貼片開槽，使其具有多頻工作特性，改善了帶寬，并具有良好輻射增益。

二、天線結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化

本文設(shè)計的天線基于一種矩形微帶貼片天線，采用FR4作為介質(zhì)基板，并使用加載縫隙技術(shù)，能夠滿足多頻段要求。

原始天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，結(jié)構(gòu)整體為矩形結(jié)構(gòu)，通過微帶線進行饋電。利用HFSS對該天線最終結(jié)構(gòu)進行仿真分析后，得到天線的回波損耗如圖2所示。仿真結(jié)果顯示，原天線的回波損耗可在3.63GHz處達到-19.38dB，在4.47GHz附近的回波損耗僅有-10.75dB，可用帶寬極小并且回波損耗極低，天線的輻射增益并不好。因此，為了實現(xiàn)對多個頻段的覆蓋及高增益，在天線輻射貼片上通過在輻射單元上加載“L”形以及矩形縫隙的方法，改變天線中電流及電場的分布，從而實現(xiàn)天線多頻段工作，改進后的天線結(jié)構(gòu)如圖3所示。

微帶天線的工作性能在很大程度上受到縫隙尺寸和形狀的影響。為了優(yōu)化天線性能，筆者通過調(diào)整縫隙尺寸的參數(shù)值，進一步研究回波損耗曲線隨參數(shù)的變化，從而選擇出最優(yōu)參數(shù)，這里采用控制單一變量法進行分析。

矩形縫隙主要由參數(shù)L3和W3控制，采用控制變量法研究L3與W3對于天線性能的影響，由于修改W3參數(shù)天線回波損耗曲線基本無明顯變化，這里僅分析L3對天線回波損耗性能的影響。圖4為天線回波損耗隨L3尺寸變化圖。

仿真結(jié)果顯示，天線中高頻段諧振頻率受矩形縫隙的長度L3的影響較小；對于低頻段來說，隨L3的增大，天線諧振頻率向左偏移，三個頻段處天線的回波損耗增益相對均衡，為了滿足覆蓋5G頻點要求，在此次設(shè)計中選擇L3=10mm。

L形縫隙主要由參數(shù)W1、L1以及W2、L2控制，在仿真測試中，改變W2、L2以及L1的值對于天線回波損耗曲線的變化不明顯，因此在這里選擇通過改變W1的尺寸來研究L形縫隙對天線回波損耗性能的影響。圖5為天線回波損耗隨W1尺寸變化圖。

當改變L型縫隙寬度時，對低頻及高頻諧振頻點無明顯影響，在中頻諧振頻點處發(fā)生無規(guī)則偏移，在W1=1.5mm處，在中心頻點3.92GHz處帶寬為380MHz（3.72GHz～4.10GHz），基本可覆蓋5G n77頻段，回波損耗可達-34.45dB，而在較高頻點處W1的變化對于回波損耗并無明顯影響，綜合考量以上因素，在此次設(shè)計中選擇W1=1.5mm。

通過反復仿真分析比對與測試，最終確定改進后的天線參數(shù)如表1所示。

三、仿真結(jié)果與分析

利用電磁仿真軟件HFSS對天線進行仿真分析，經(jīng)優(yōu)化后天線與原天線的回波損耗對比曲線如圖6所示，可以看出，優(yōu)化后的天線可以在與原天線相同尺寸的條件下增加了兩個新的工作頻段，加載縫隙后天線的三個工作頻段分別為2.49GHz～2.58GHz、3.72GHz～4.10GHz、4.66GHz～4.83GHz，帶寬及回波損耗較之前有極大的改善，該天線適用于5G通信頻段n41、n77和n79，具有三個工作頻段。

圖7給出了天線三維增益方向圖，整體輻射特性近似圓形，具有較好的全向輻射特性、便利性和靈活性。

四、結(jié)束語

本文設(shè)計了一種多頻段微帶貼片天線，可以實現(xiàn)多頻段覆蓋以及更好的頻譜利用率，能夠提高網(wǎng)絡(luò)容量、速率和可靠性，并減少設(shè)備成本。

隨著第五代（5G）移動通信技術(shù)一路演進和多網(wǎng)絡(luò)并存，智能手機及擴展應用不斷涌現(xiàn)，所需要支持的通信頻段和無線連接方式也越來越多。若想實現(xiàn)“一機走遍全球”，手機內(nèi)置天線至少要支持超過40個的通信頻段。因此，多頻段天線的研究對于推動現(xiàn)在和未來通信設(shè)備的發(fā)展具有重要意義。

參考文獻

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