LTE专网1.4G及1.8G高增益天线的仿真与设计

陈凤标

（锐捷网络股份有限公司 福建省福州市 350500）

1 引言

4G 通讯技术在社会生活中的应用越来越广泛，尤其是政府单位与行业企业单位，对执法的远程监控与远程管理的应用在逐步加深。同时，为防范和应对地震，洪涝，火灾等自然灾害，以及其他危害社会公共安全的突发事件，政企单位对于4G 通讯的数据安全性与可靠性也提出了更高的要求。迫切要求建立归属于政府单位与企业单位的专网通信系统。

国务院在《国家突发事件应急体系建设“十三五”规划》中指出，要“研发基于4G/5G 的应急通信手段，加快城市基于1.4G 频段的宽带数字集群专网系统建设”。同时，国家工信部也明确发文，按照《工业和信息化部关于 1447-1467 兆赫兹(MHz)频段宽带数字集群专网系统频率使用事宜的通知》（工信部无〔2015〕59 号）和《工业和信息化部关于重新发布 1785-1805MHz 频段无线接入系统频率使用事宜的通知》（工信部无〔2015〕65 号）的规划，1447-1467MHz 频段（1.4G 频段）用于政府宽带数字集群专网系统，并规划1785-1805MHz 频段（1.8G 频段）用于交通，电力，石油等行业专用通讯网。

微带天线在国内的起步较晚，因其体积小、重量轻、低剖面、可共形、易加工等优点在雷达和通信等领域得到了广泛的应用，近几年发展迅速，从二十世纪七十年代开始，人们就对其进行了深入地研究。至今已经有很多这方面的研究论文和成果。因此，本文设计了两款可同时工作在1447-1467MHz 和1447-1467MHz 的高增益微带天线，并给出了对应天线的HFSS 仿真结果作为参考。

2 两款微带天线的设计指标

2.1 LTE专网1.4G及1.8G双频前向天线

前向天线1.4G/1.8G 频点参数要求：

中心频率：1457MHz/1795MHz。

工作频率范围：1447-1467MHz/1785-1805MHz。

E 面半功率波束宽度：>95 度。

H 面半功率波束宽度：>65 度。

天线增益：>7.5dB。

输入阻抗：50 欧。

2.2 LTE专网1.4G及1.8G双频定向天线

定向天线1.4G/1.8G 频点参数要求：

中心频率：1457MHz/1795MHz。

工作频率范围：1447-1467MHz/1785-1805MHz。

E 面半功率波束宽度：>95 度。

H 面半功率波束宽度：<45 度。

天线增益：>9.5dB。

输入阻抗：50 欧。

3 1.4G及1.8G微带天线单元的设计

3.1 贴片单元形式的选择

为了实现天线整体的小型化、提高效率，以及匹配电路的方便实现，贴片单元形式的选择需要重点考虑，文献给出了一种新型的矩形单元形式，如图1所示，单元的尺寸：长度L，宽度W 由工作的频率和阻抗匹配要求共同决定，这种微带插入式馈电单元，通过在贴片上开槽的方法调节阻抗匹配，实现起来简单易行，节省空间。谐振阻抗随着开槽的深度Ls 和槽宽Ws 的增大而迅速下降，而天线的谐振频率则随着槽深度d 的增大和槽宽g 的减小有所下降，实际可以通过调节L、W、Ls 和Ws 的长度来达到所要的指标。

图1：矩形单元形式

微带天线设计的第一步是选择介质基板，介质基板材料的介电常数ε、损耗角正切tanσ、基片厚度h 将直接影响天线的性能，因此，本文中的介质基板采用RT/Duriod5880，其相对介电常数ε=2.2，损耗正切角tanσ=0.0009，厚度h=5m 覆铜厚度t=0.035mm。

介质基片选定以后，根据文献提到的单元尺寸的计算经验公式．可以初步的得到贴片单元的宽度W、长度L：

其中，c 为光速，f为谐振频率，ε为基板的介电常数，ε为等效介电常数，h 为介质板厚度，W 为贴片单元的宽度，L 为贴片单元的长度，λ为介质波长。

3.2 1.4G微带天线单元的软件仿真

鉴于1.4G 天线的目标工作频率范围为：1447MHz-1467MHz，因此取f=1457MHz，由此计算出对应的W=81.4mm,L=66.6mm,ε=2.07,λ=148.9mm。

根据以上得到的计算值，在HFSS 中建立1.4G 微带天线单元仿真模型。其中W 为矩形贴片宽度，L 为矩形贴片长度，Ws 为开槽缝隙宽度，Ls 为开槽缝隙深度，Wf 为馈线宽度，Lf 为馈线长度，其馈电线嵌入矩形贴片内部用于调节天线阻抗与馈线特性阻抗的匹配。在这里，取Lf 接近于于λ/4=37.2mm，优化取值Lf=36.4mm。而馈电微带线宽度相比贴片尺寸而言不能太小，否则增加加工难度且传输损耗增大；但也不能太大，否则馈线的辐射作用将会对贴片的辐射场产生干扰，影响远场方向图的旁瓣电平和交叉极化。综合考虑后选取馈线宽度为Wf=5mm。

通过仿真优化可知，W、L 对于谐振频点影响较大，而调节Ls、Ws 可优化S11 参数，在其它参数不变的情况下，单独变化Ls、Ws，当Ls=10mm，Ws=10mm 的时候，S11参数值最优。经过优化之后，得到的各项参数值如下：

W=79.5mm,L=65.5mm,Wf=5mm,Lf=36.4mm,Ws=10mm,Ls=10mm。

最后，可得优化后的S11 参数值：在1439-1474MHz 的范围内，S11<-10dB，可覆盖1447-1467MHz 的工作频段，谐振频点处于f=1457MHz，此时的S11=-47dB。通过读取对应的f=1457MHz 的3D 增益图可见，此单元的辐射方向主要为前向辐射，其最大增益可达8dB。此时通过读取对应的smith 原图可知，f=1457MHz 已接近匹配在50 欧。

3.3 1.8G微带天线单元的软件仿真

鉴于1.8G 天线的目标工作频率范围为：1785MHz-1805MHz，因此取f=1795MHz，由此计算出对应的W=66mm,L=53.4mm,ε=2.053,λ=120.6mm。

根据以上得到的计算值，在HFSS 中建立1.8G 微带天线单元仿真模型。其中W 为矩形贴片宽度，L 为矩形贴片长度，Ws 为开槽缝隙宽度，Ls 为开槽缝隙深度，Wf 为馈线宽度，Lf 为馈线长度，其馈电线嵌入矩形贴片内部用于调节天线阻抗与馈线特性阻抗的匹配。在这里，取Lf 接近于于λ/4=30.16mm，优化取值Lf=30.1mm。而馈电微带线宽度相比贴片尺寸而言不能太小，否则增加加工难度且传输损耗增大；但也不能太大，否则馈线的辐射作用将会对贴片的辐射场产生干扰，影响远场方向图的旁瓣电平和交叉极化。综合考虑后选取馈线宽度为Wf=5mm。

通过仿真优化可知，W、L 对于谐振频点影响较大，而调节Ls、Ws 可优化S11 参数，在其它参数不变的情况下，单独变化Ls、Ws，当Ls=10mm，Ws=10mm 的时候，S11参数值最优。经过优化之后，得到的各项参数值如下：

W=59.69.5mm,L=53mm,Wf=5mm,Lf=30.1mm,Ws=10mm,Ls=10mm

最后，可得优化后的S11 参数值：在1770-1819MHz 的范围内，S11<-10dB，可覆盖1785-1805MHz 的工作频段，谐振频点处于f=1795MHz，此时的S11=-48.9dB。通过读取对应的f=1795MHz 的3D 增益图可知，此单元的辐射方向主要为前向辐射，其最大增益可达8.3dB。此时通过读取对应的smith 原图可知，f=1795MHz 已接近匹配在50 欧。

4 LTE专网1.4G及1.8G双频前向天线的设计

为了得到设计指标中的双频前向天线，本文中将1.4G振子及1.8G 振子呈180 度对称分布，可以得到如下双频天线：并且，由于两个振子的输入阻抗均已经在中心频点上匹配在了50 欧，因此在两个天线馈线连接的正中心，采用50欧同轴线缆馈电，如图2所示。

图2：50 欧同轴线缆馈电

经过优化，确定各项参数如表1。

表1：优化参数

最终的优化结果如下：1.4G 谐振在1458MHz，对应的S11 可达-45dB，在1440MHz-1477MHz 的频段内S11<-10dB。1.8G 谐振在1797MHz，对应的S11 可达-47dB，在1774MHz-1821MHz 的频段内S11<-10dB。如图3。

图3：优化结果

对应的增益，f=1457MHz 时可达7.8dB，其3D 增益图和方向图如图4：半功率波束宽度为E 面110 度、H 面71 度。

图4：3D 增益图和方向图

对应的增益，f=1795MHz 时可达7.8dB，其3D 增益图和方向图如图5：半功率波束宽度为E 面110 度、H 面71 度。

图5：增益图和方向图

5 LTE专网1.4G及1.8G双频定向天线的设计

为了达到对应的天线的设计指标，拟将1.4G 及1.8G 频段均通过双振子的布置来产生一定的定向性。

由微带线工具计算结果可知，对于同样阻抗的50 欧和70.7 欧微带线，在1457MHz 和1795MHz 下的线宽差别不大。因此，取优化后的50 欧微带线宽Wza=14.9mm，70.7 欧微带线宽Wzb=8.7mm。

由此，在同轴线自原点进行馈电的情况下，可以标注此天线的各项尺寸如图6所示。

图6：天线的各项尺寸

经过优化后的各项参数如表2。

表2：优化后的各项参数

最终的优化结果如图7所示：1.4G 谐振在1456MHz，对应的S11 可达-30dB，在1436MHz-1477MHz 的频段内S11<-10dB。1.8G 谐振在1788MHz，对应的S11 可达-48.5dB，在1730MHz-1829MHz 的频段内S11<-10dB。

图7：最终的优化结果

对应的增益，f=1457MHz 时可达10dB，其3D 增益图和方向图如图8：半功率波束宽度为E 面100 度H 面40 度。

图8：增益图和方向图

对应的增益，f=1795MHz 时可达9.85dB，其3D 增益图和方向图如图9：半功率波束宽度为E 面120 度H 面40度。

图9 :增益图和方向图

6 结论

本文设计了两款LTE 专网1.4G 及1.8G 天线，前向天线的设计在保证E 面110 度H 面71 度半功率波束宽度的情况下，在1.4G 和1.8G 上的增益可达7.8dB，定向天线在E 面100/120 度H 面可达40 度半功率波束宽度的情况下，在1.4G和1.8G 上的增益可达10dB/9.8dB。对于1447-1467MHz 频段和1785-1805MHz 的LTE 专网通信频段的较高增益天线应用具有一定的参考价值。