Wi-Fi/5G 双频段列车车内通信天线设计的研究

贺东海

（中国联合网络通信有限公司石家庄市分公司，石家庄 050000）

在我国铁路行业以及网络通讯技术的持续发展下，对于列车车内通信天线也提出了更高的要求。为有效顺应时代发展潮流，满足我国第五代移动通讯系统的发展需要，需要积极进行Wi-Fi/5G 双频段列车车内通信天线设计，从而有效达到提升列车车内信息数据传输速率、优化传输效果的目的。促进我国铁路通信事业的进一步发展。

1 Wi-Fi/5G 双频段列车车内通信天线结构与尺寸计算

通过查阅相关资料可知，采用双圆环形结构的贴片天线作为WiFi/5G 双频段列车车内通信天线结构，可以快速、精准地实现天线双频段特性，有助于在列车车内充分发挥通信天线的应有效用。因此本文在设计Wi-Fi/5G 双频段列车车内通信天线中，选择使用两个全波长环形天线。如果天线中选择使用相对介电常数为4.4的FR4板材，其厚度以及损耗角正切值分别为1.6mm 与0.02，并假设天线频段中心频率分别为2.4GHz、3.4GHz，则本文所使用的两个全波长环形天线半径各为12mm 与8.5mm。天线的具体尺寸则为40mm×40mm×1.6mm.

2 Wi-Fi/5G 双频段列车车内通信天线的设计分析

2.1 建立通信天线模型

在建立Wi-Fi/5G 双频段列车车内通信天线模型的过程中，贴片辐射单元位于介质板上层，其主要构成包括两个矩形贴片以及两个同心圆圆环，利用这一设计结构可以使得天线阻抗匹配得到相应增加[1]。本文所建立的Wi-Fi/5G 双频段列车车内通信天线模型中，在天线尺寸的计算中选择使用遗传算法。根据本文所设计的Wi-Fi/5G 双频段列车车内通信天线的规格属性，可知天线在x 与y 方向上的长度均为40mm，天线高度则为1.6mm。构成贴片辐射单元的两个矩形贴片中，矩形长度为11.7mm，而连接两个同心圆圆环的矩形宽度则为1.6mm。在进一步明确两个同心圆圆环贴片内径与各自宽度的基础上，即可构建出一个由内外两个同心圆构成的Wi-Fi/5G 双频段列车车内通信天线结构模型。

2.2 通信天线仿真实验

该Wi-Fi/5G 双频段列车车内通信天线结构中，建立在通信天线基础上的内圆环和外圆环，均负责为贴片天线辐射元工作。这也表明在本文设计的Wi-Fi/5G 双频段列车车内通信天线中，通信天线的具体性能直接取决于以通信天线为基础的内圆环与外圆环的内径。为有效提升通信天线仿真实验效率，同时保障仿真结果的真实性和有效性，本文在此过程中选择直接使用专业的HFSS 仿真软件。在优化阶段中，不改变其他参数的情况下，分别扫描分析内圆环和外圆环的内径参数，可知通信天线高频段对内圆环半径的敏感度较大[2]。并且当内圆环半径值不断增大的情况下，天线高频段中的频点也会逐渐朝着频率较低的频段移动。但同样在内圆环半径值持续增大下，其对于高频带带宽并未产生任何实质性的影响。根据最终仿真分析结果可知，在内圆环半径为7.5mm 时，列车车内通信天线可以获得最为理想的谐振效果。当内圆环半径值为6.5mm 时，两个圆环的中心频率与规定值较为接近。但无论内圆环半径如何变化，低频带带宽与频点基本保持不变。另外，在仿真中还表现出内圆环半径不断增大下，天线回波损耗也会随之有所增加，进而影响了天线正常的低频段性能。这主要是因为在中心频率为2.4GHz 时，外圆环上耦合馈线所提供的能量，此时内圆环和外圆环之间具有较大间距，在一定程度上增加了外圆环的耦合。而在进行外圆环半径的仿真分析中，当外圆环半径值不断增大下，低频段中心谐振频率出现了明显的移向低频率情况，带宽较之前明显减小，而天线回波损耗也有所减小。此时在低频段列车车内通信天线具有相对较高的通信性能。天线高频段频带与频点则几乎不受外圆环半径的影响。根据具体仿真分析结果可知，在外圆环半径为11mm 时，天线在高频段可以获得最优性能。因此通过将获得的全部仿真分析结果进行集中整合，可知在本文设计的WiFi/5G 双频段列车车内通信天线中，两个圆环贴片的内径分别为7.3mm 与11.7mm，宽度分别为2.2mm和2mm 时，天线可以获得最佳性能。

3 结束语

综上所述，本文在设计Wi-Fi/5G 双频段列车车内通信天线的过程中，将两个同心圆圆环分别作为两个辐射元工作，运用两个矩形贴片将两圆环相互连接使其可以进行能量耦合，可以有效达到双频带特性并获得较为理想的通

信性能效果。因此证明本文设计的Wi-Fi/5G 双频段列车车内通信天线可与双频段天线通信要求相符合，具有一定的应用价值。