面向Sub 6G 终端设备的三频天线设计

周云艳,赵年顺

(黄山学院 机电工程学院,安徽 黄山 245041)

2019年11月1日,中国三大移动运营商正式上线5G 商用套餐,标志着我国正式进入5G 商用时代。5G具有更丰富的应用场景,要求更高的数据传输速率。为了满足5G 通信的需求,国家工信部给各大移动运营商分配了新的频谱资源,由于技术等原因,我国暂时只分配了Sub 6G 频段,具体包括中国移动2515～2675 MHz(n41)与4800～4900 MHz(n79)两个频段共260 MHz,中国电信3400～3500 MHz(n78)的100 MHz频段,中国联通3500～3600 MHz(n78)的100 MHz,以及中国广电4900～5000 MHz(n79)的100 MHz。这就意味着5G 终端用户要实现在不同运营商网络中进行切换,必须能够同时满足这些不同的频段。

利用单一天线实现在多种通信标准下的多个频段工作具有巨大的应用价值,它能够减少天线的数量,减小系统的复杂度,解决不同天线之间的相互耦合问题,为设备的集成化与小型化带来便利。近年来多频天线问题受到研究者们的广泛关注,提出了多枝节[1～4]、耦合[5～7]和多模[8]等方法。文献[1]提出了一种风车型多频天线,通过增加风车叶片的个数来增加工作频带数,设计了具有双频、三频以及四频的天线,工作在UMTS (2.1 GHz)/WLAN (2.45 GHz)/WiMAX(3.5 GHz)以及X频段卫星下行通信(7.2～7.6 GHz)等频段。文献[3]利用在共面波导馈电的三枝节天线的地板上刻蚀缺口,实现了能满足WLAN/WiMAX 应用的2.36～2.82 GHz,3.28～3.88 GHz以及4.50～6.53 GHz多个频段覆盖。文献[5]采用混合馈电方式的印刷多频单极子天线,覆盖了WLAN/WiMAX 工 作 频 段2.42 ～2.82 GHz 和3.4 ～5.85 GHz。

现有的多频天线工作频段应用环境各不相同,面向Sub 6G的多频天线目前研究相对较少。此外,在现有的多枝节技术中,一般采用多枝节的辐射贴片,地板枝节少有讨论。本文利用单极子天线的工作原理,通过在辐射贴片上设置两个枝节,在地板上设置一个枝节,实现了n41/n78/n79这三个频段的同时覆盖,以满足Sub 6G终端设备的通信要求。

1 天线结构

根据单极子天线的工作原理,天线由单极子和相应的地平面构成。传统的单极子天线是在对称中心加一无限大平面利用镜像原理去掉偶极子的一臂而形成。本设计在介质板的一侧印刷平面单极子,而介质板的另一面作为地板充当镜像平面,通过调整地板面积实现阻抗匹配。

天线采用廉价的玻璃纤维环氧树脂FR4介质基板,相对介电常数为4.4,损耗角正切为0.02,厚度为0.8 mm。天线的结构如图1所示,为了实现三个频段的覆盖,天线采用多枝节的单极子结构,辐射贴片中采用了两个分支,右侧L型短枝节实现最高频段n79,左侧Z型长枝节实现中间频段n78,同时在地板上增加了一个倒L型枝节用于实现最低频段n41。天线通过50Ω微带线进行馈电。

单极子天线的长度为1/4波长,因而天线越长对应的信号波长越长,即频率越小。由式(1)可以计算自由空间中电磁波的波长。但是由于采用了介质板,电磁波信号一部分在自由空间传播,另一部分在介质板中进行传播,因而还需要考虑介质板的相对介电常数,此时波长由式(2)可以计算。在设计单极子天线长度时,需要综合考虑两个波长,以选取一个合适的值。

式中:λ与λe分别表示自由空间和介质中的波长;c表示电磁波的传播速度;f表示电磁波的频率;εr表示介质板的相对介电常数。

图1 天线的结构Fig.1 The geometry of the proposed antenna

2 天线设计与优化

图2所示为天线的设计演变过程,图3为相应四个天线的回波损耗S11。Ant1在辐射贴片中只设置了一个枝节,产生了一个谐振频率。Ant2在辐射贴片中设置了两个枝节,由于天线尺寸限定,两枝节长度相差不大,因而产生的两个谐振频率相互靠近,形成了3.6～5.1 GHz的连续波段。为了减小谐振频率,将左边长枝节进行弯折,增加总长度,形成Ant3,可以看到有3.5 GHz和4.75 GHz左右的两个谐振频率。Ant4在地板上又增加了倒L枝节后,新产生一个2.5 GHz左右的谐振点,并对其他两个谐振点稍有影响。

图2 天线的设计过程Fig.2 The evolution of the proposed antenna

为了进一步说明天线的工作原理,仿真了天线主要参数变化对性能的影响,如图4所示。Z型枝节长度L2的变化对天线的影响如图4(a)所示,可以看到L2主要影响中频段的谐振频点,随着L2的增大,中间谐振频点逐渐向低频方向移动,而最低和最高谐振频点变化很小。如图4(b)所示,L型枝节长度L5的变化主要影响高频段,对最低谐振频点和中间谐振频点影响不大,当L5由7 mm增大到11 mm时,最高谐振频点从5.8 GHz减小为4.2 GHz左右。图4(c)表示地板上倒L型枝节的长度L6对天线性能的影响,当L6在17～21 mm之间改变时,最高谐振频点和中间谐振频点几乎不变,但是最低谐振频率却影响很大,从2.7 GHz逐渐变为2.1 GHz左右。因而,可以通过依次调节各枝节长度实现2.5,3.5和4.9 GHz三个谐振频率。图4(d)则表示微带馈线长度Lf对天线性能的影响,Lf的变化不但使回波损耗的大小发生了改变,而且中频和高频谐振点也随之变化,主要是因为这两个频点的枝节与微带馈线相连,Lf长度的变化直接影响天线总长度变化,从而改变谐振频点。图4(e)中调整Lg使地板面积的大小发生变化,谐振频点和阻抗都随之改变。因而主要通过调节微带馈线及地板面积实现阻抗匹配。

图3 天线设计过程中的S 11参数Fig.3 The return loss of the antennas in evolution

图4 天线参数对谐振频点的影响Fig.4 Simulated S 11 for different parameters

图5显示了各谐振频点的表面电流分布情况。2.58 GHz时辐射贴片两个枝节的电流相当,地板倒L型枝节电流很强,说明此时地板倒L型枝节起主要作用。在3.5 GHz时辐射贴片左侧Z型枝节电流强度明显大于右侧L型枝节电流,说明左侧Z型枝节在中频段影响最大。4.9 GHz时辐射贴片右侧L型枝节电流强度明显大于左侧Z型枝节电流,说明右侧L型枝节在高频段影响最大。微带馈线的电流在中频和高频两个频率点强度都很大,地板电流强度在三个频率点也都比较大,对天线的阻抗匹配调节极其重要。这与前述天线参数分析结果一致。

图5 各谐振频点的电流分布Fig.5 Surface current distributions of the antenna at resonant frequency

3 结果与讨论

通过对天线的进一步仿真优化,最终确定天线各参数尺寸如表1所示,天线的最终尺寸为25 mm×25 mm×0.8 mm。图6为加工的天线实物图。

表1 天线的参数尺寸Tab.1 Dimensions of the proposed antenna mm

图6 天线实物图Fig.6 Prototype of the proposed antenna

天线仿真与测试的回波损耗S11参数如图7所示,仿真与实测结果基本一致,误差产生的原因主要有加工精度与测量误差。从图中看出该天线工作在三个频段,-10 dB 带宽分别为2.38～2.68 GHz(共300 MHz,中心频率点2.58 GHz处-28 dB),3.25～3.63 GHz(共380 MHz,中心频率点3.5 GHz处-21 dB),以及4.45～5.26 GHz(共810 MHz,中心频率点4.9 GHz处-27 dB)。

图7 天线仿真与测试回波损耗S 11参数Fig.7 Simulation and measurement S11 of the proposed antenna

图8为天线在三个谐振频点2.58,3.5 和4.9 GHz的E面和H 面增益方向图。各频点方向图都近似圆形,天线都具有较好的全向性,覆盖范围广。此外在三个频点处的最大增益分别为1.51,2.77 和3.55 dBi,天线增益较大,说明天线的辐射距离远。

天线的史密斯圆图如图9所示,在三个谐振频点的归一化阻抗分别为0.9363-0.0943i,0.8396-0.1258i以及0.7155+0.4800i,说明天线在各频点阻抗匹配良好。

图8 增益方向图Fig.8 Radiation pattern

图9 天线史密斯阻抗圆图Fig.9 Smith chart of the proposed antenna

天线在最大辐射方向上增益随频率的变化曲线如图10所示,在整个频段内天线的增益均大于1 dBi,最大增益为3.58 dBi,-3 dB增益带宽覆盖整个频段。

设计的天线与相关参考文献天线的主要性能比较如表2所示。与文献[1-2,4]相比,提出的天线具有更小的尺寸,便于实现小型化。而且所设计的天线覆盖范围是为了满足Sub 6G终端设备的通信要求,而其他天线应用于WLAN/WiMAX等场合。

图10 天线增益随频率变化Fig.10 Simulation gain of the proposed antenna

表2 与其他文献参数对比Tab.2 Parameters comparison with other works

4 结论

利用平面单极子的工作原理,在辐射贴片上设置一个Z型枝节和一个L型枝节产生了3.5 GHz和4.9 GHz两个谐振频率,在地板上增加了一个倒L型枝节在2.58 GHz处产生谐振,从而实现了天线在三个频段的工作。这些频段刚好对应我国现行的5G 通信中Sub 6G中的n41/n78/n79三个工作频段,并且天线在这三个频段的带宽大,增益较高,方向图近似全向性,天线的辐射性能较好。该天线具有尺寸小、结构简单、馈电方便等优点,在Sub 6G终端设备中具有一定的应用价值。