毫米波天线仿真技术研究

李军

摘 要：由于5G毫米波频段的天线尺寸远小于常规移动通信频段，对天线的研究很难用现有的实验条件进行，需要用电磁仿真软件来进行仿真。因此本文对磁电偶极子进行了仿真设计，得到了一个可应用与毫米波频段的设计实例，并介绍了描述毫米波频段空间覆盖的CDF定义及计算方法，为5G毫米波天线设计参考和空间覆盖评估奠定基础。

关键词：天线;仿真;磁电偶极子

中图分类号：TN822 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）12-0034-03

0 引言

随着无线移动通讯系统带宽和能力的增加，网络传输速率也在飞速提升，从2G时代不足10kbps发展到4G时代的1Gbps，人们对于通信速率的追求是无止境的，更高更快更广的通讯需求促使无线传输技术不断变革。5G时代不同于传统的移动通讯技术，它不仅是高速率（峰值速率大于20Gbps）、低时延（时延缩减到1ms）、多设备以及低功耗等空口技术的反映，更是面向业务应用和用户体验的智能网络演进和创新。终端天线作为信息传输交换的关键组件，其设计与研究在5G移动通讯系统中起着中流砥柱的作用。但5GHz以下的黄金频段已经非常拥挤，而在高频段（如毫米波段）可用的频谱资源十分丰富，这能够有效缓解频谱资源压力，实现极高速的短距离通信，满足5G移动通讯对于数据容量和传输速率方面的需求。

5G移动通讯高速传输主要依赖于超高的工作频率（如毫米波），但毫米波传输容易受到环境因素的影响，衰减较大，会导致传播性能变差。所以通过进行多天线毫米波单元设计，进行大规模组阵来实现热点覆盖，提高频谱效率与传输可靠性是必要的，并且在有限的空间里实现天线的集成，其结构也需要做以调整。为了实现良好的工作性能，天线单元需要具有较高增益特性，也要满足一定的波束扫描角度、信道容量和隔离度要求。对于6GHz以下的频段的天线设计，为实现其小型化，提高数据传输速率则采用MIMO机制来实施，这就更需要对天线的布局进行全面分析，对其隔离度进行深入研究。另外由于空间传输距离和天线方向图稳定性的要求，向下兼容2G/3G/4G/的5G智能终端的毫米波天线研究，也面临着小型化、高增益、多波束、高隔离度、紧凑布局、匹配网络馈电线路等一系列的技术问题。

所以，如何选取毫米波天线单元、阵列规模、空间布局、如何制定合理的协作方案，以实现辐射和数据传输性能的最优化综合是研究的重点和难点。

本文根据上述提出的问题来进行毫米波天线单元的设计研究和空间覆盖的介绍。

1 天线单元仿真设计

毫米波由于其高频特性，受材料、环境因素影响较大。所以在设计毫米波天线单元时要综合考虑各方面因素。比如介質板选材要满足低介质损耗、低表面波激发，馈电电路设计要满足低导体损耗，保证天线高增益性能。而一般常规的天线单元结构形式在毫米波频段都会出现频段内增益、辐射方向图不稳定等问题，且在阵列结构中，由于空间尺寸的限定，使得天线单元之间的互耦较强，影响天线性能的发货。所以采用何种结构形式来实现毫米波天线单元的设计是非常重要的。本文将对磁电偶极子天线（ME dipole）进行仿真设计。

磁电偶极子天线原理如图1所示。 两个水平方向电流强度和方向相同的贴片能够形成电偶极子。而垂直方向的四分之一波长的短路接地贴片天线则会形成磁偶极子。在毫米波频段，由于波长很小，通常短路接地天线由金属过孔代替。图1（c）则是电偶极子和磁偶极子的组合。通常电磁偶极子天线使用缝隙作为磁偶极子，通过L型探针同时激励起电偶极子和磁偶极子，或使用电偶极子激励起磁偶极子，以及使用缝隙作为磁偶极子激励起电偶极子等方式同时激励起电偶极子和磁偶极子进行辐射。图2为电偶极子方向图合成原理。

本文采用SIW馈电，背腔缝隙耦合的方式激励上层的ME dipole进行辐射，这种天线具有宽带，高辐射效率，方向图对称，低后瓣，低交叉电平的特性。

天线单元包含一对水平方向的偶极子，每个金属贴片通过金属通孔接地。天线由一个一个缝隙进行耦合馈电，且SIW结构的终端短路形成底层的腔体结构。上层的天线由一对水平方向的贴片构成电偶极子，接地的金属通孔形成磁偶极子，从而两组偶极子形成了电磁偶极子。天线的整体结构示意图如图3所示，磁电偶极子天线结构图如图4所示。

经仿真优化，SIW磁电偶极子天线-10dB阻抗带宽能覆盖24.1GHz-28.7GHz，最新天线尺寸如表1所示。

图5给出了该天线的反射系数曲线，其-10db阻抗带宽可覆盖24.1GHz-28.7GHz。图6-8分别为25GHz、26GHz和27GHz的E面和H面方向图曲线。

经过优化，该SIW磁电偶极子天线-10dB阻抗带宽覆盖24.1GHz-28.7GHz，天线方向图在谐振频带内较为稳定：低频、中频、高频点的方向图基本保持一致，且各个频点的E面和H面方向图基本对称。

本节介绍了一种基于SIW的磁电偶极子天线，在HFSS电磁仿真软件中加载波端口激励的仿真环境下，该天线在xoz面、yoz面辐射方向图几乎一致。为了加工及测试方便，使用同轴线馈电，所以为该天线设计微带线转SIW结构。即将同轴线阻抗与SIW结构的等效阻抗进行良好匹配。最终，该天线的-10dB阻抗带宽覆盖24.1GHz-28.8GHz。

2 毫米波空间覆盖仿真研究

相对于低频段，毫米波频段空间传播损耗更大，因此需要采用高增益天线阵列来弥补空间损耗。而高增益天线阵列具有较窄的波束宽度，很难做到全空间覆盖，因此需要一个指标来衡量天线的空间覆盖。3GPP RAN4中用累积分布函数（Cumulative Distribution Function，CDF）曲线来表示空间覆盖好坏。CDF又叫分布函数，是概率密度函数的积分，能完整描述一个实随机变量X的概率分部。CDF纵坐标的值等于所有小于等于a（横坐标）出现概率的和。

3 CDF如何计算

基于图10所示的球面面积计算示意图的基本原理，对于增益的CDF，其等于：小于该增益值的球面面积/整个球面面积。每个角度对应的球面面积不一样，Theta=0°对应的球面面积最小为0，Theta=90°对于的球面面积最大。每个角度对应的球面面积为R2*sin（Theta）*d_Theta*d_Phi，这里R为球半径，d_Theta为Theta步进，d_Phi为Phi步进，整个球面积为4πR2。将每个角度对应的球面面积累加再除以整个球面面积，即为sin（Theta）*d_Theta*d_Phi再累加后除以4π。

4 结语

本文首先介绍了磁电偶极子的基本原理和对应的天线仿真，得到了工作于毫米波频段的磁电偶极子设计实例，并介绍了描述空间覆盖的CDF参数及计算方法，可用于5G毫米波项目的单元设计参考及空间覆盖评估。

参考文献

[1] 薛金良.毫米波工程基础[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2004：9-11.

[2] E.Sporleder and H.G.Unger，Waveguide Tapers Transitions and Couplers，IEE，1979.

[3] H.H.Meinel，“Commercial applications of millimeter waves：history，present status，and future trends，”IEEE Trans Microwave Theory Tech，vol，43，pp，1639-1653，July 1995.

[4] 宋铮，张建华，黄冶.天线与电波传播[M].西安：西安电子科技大学出版社，2003.

[5] 向敬成，张明友.毫米波雷达及其应用[M].北京：国防工业出版社，2005.