基于5G/ISM波段的双频天线设计

冯立营，郝佳宁

（天津职业技术师范大学电子工程学院，天津 300222）

由于无线通讯系统的快速发展，扩大了对高速率和大容量信号传输的需求。目前，通讯系统中较为领先的5G移动通信技术成为越来越多国家探索的主要方向[1]。天线作为通讯系统的重要始端、终端设备，其设计的优劣直接决定了整个系统的性能。传统的单频带天线已经无法满足日益增长的通讯需求，如在一个通讯系统中需要同时支持4G、5G、蓝牙等，这些功能的工作频段各不相同，因此需要设计一种双频段甚至多频段的天线来同时覆盖这些频段。

起初，人们将2种不同频率的天线直接放置在一起，实现多频辐射功能，如将2个不同频段的频率选择表面阵列，通过垂直放置的方法结合在一起[2-3]，将微波波段的单极子天线和毫米波段的微带网格阵列天线，通过水平放置的方法结合在一起[4-5]。这种方法以牺牲天线占地面积为代价，实现天线的多频辐射功能，进而增加整个通讯系统的尺寸。因此，双频或者多频天线在保证良好传输性能的前提下，还要注意在有限空间内尽量减小天线的体积。在文献[6-7]中，利用重叠的结构将介质集成波导与贴片天线结合在一起，以减少额外的空间占用；在文献[8-10]中，使2个波段的天线共享辐射孔径，能够大幅提升孔径利用率，从而使天线更加紧凑；在文献[11-12]中，通过折叠的方法降低天线剖面高度，从而起到降低天线体积的目的。上述天线均是基于多个天线结构的设计。在文献[13]中，首次提出了以单个天线结构为基础，同时支持毫米波和微波频段的双频天线，它由平行板波导谐振器和法布里珀罗谐振腔天线组成，由于将WRA部分进行折叠，使天线的高度降低。对比文献[13]，将其折叠部分去掉可以使天线的整体结构简单，使得天线具有易于加工制造的特点。在本设计中，对有无折叠结构的情况作了对比，经过模拟仿真得到折叠部分对天线的性能影响可以忽略不计，并且针对第五代移动通信频段，对天线的覆盖范围作了调整，为5G移动通讯设备提供了一个实用的解决方案[14]。

1 天线结构

本研究所提出的双频天线由2个相同垂直地面的金属板平行放置构成，天线的结构如图1所示，相关参数如表1所示。

图1 双频天线三视图

表1 双频天线尺寸参数

天线放置在长和宽分别为L0和W0的地面上，地面的厚度为H0。为了使天线的制造更加简单，地面的材料选择铝，这样可以在加工过程中免去焊接，对铝块直接进行切割。2个频段有各自的输入端口，互不干扰，保证了2个频带良好的隔离度。

高频部分的法布里珀罗谐振腔天线由中心的L型探针激发，探针高出地面的高度为LV，水平延伸的长度为LH。由于L型探针的垂直臂会引起不必要的交叉极化，在其反方向加上一个厚度为D1的半圆柱套筒之后，相当于引入了一个与探针相反的电流，可以有效抑制交叉极化场。在FPRA的金属板内侧加2对长和宽分别为LR和WW的脊，脊起到降低高频侧瓣电平的作用。2个金属板之间的间距为dF，dF由法布里珀罗谐振腔天线的谐振频率决定[15]，可得

式中：c为真空中光的传播速度；dF为法布里珀罗腔的间隔。

理想的法布里珀罗谐振腔是由2个无限长的平行板构成，而现实中平行板的长度无法做到无限长，所以由式（1）所得的dF需要进一步优化。

低频部分的平行板波导谐振器天线则由一个50 Ω的的勾状条带线来激发，在平行板周围围绕成一个Γ形状，与平行板之间的间隔为t。天线的结构可以看做是一段TEM模式的传输线，传输线的一端接地，另一端开路。选取金属板的高度HP约为WRA的1/4波长，此时平行板的TEM模式被激发。通过仿真发现，调节馈电线的长度可以对WRA的匹配情况进行调整。

2 天线的模拟结果

2.1 折叠部分的影响

对无任何折叠部件的双频天线进行仿真，并与文献[13]中带有折叠结构的天线进行比较。其余的设计参数与具有折叠部分的天线参数相同，包括勾状馈电结构。无折叠部分天线的反射系数模拟结果及增益模拟结果分别如图2和图3所示。

图2 无折叠部分天线的反射系数模拟结果

图3 无折叠部分天线的增益模拟结果

从图2（a）中可以看出，WRA的谐振频率从2.45GHz移到4.83 GHz，这意味着去除折叠部分会使HP从0.163 λ0增加到0.289λ0（λ0为谐振频率处的波长），即利用折叠结构可以使天线高度降低43.6%。低频部分的反射系数S11＜-10 dB的范围为4.69～5 GHz，相对带宽为6.41%。图2（b）显示了FPRA的模拟反射系数，去掉折叠部分对FPRA的反射系数没有影响。高频部分的反射系数S22＜-10 dB的范围为23.78～24.6 GHz，相对带宽为2.98%。

从图3（a）可以看出，天线低频部分频带内的增益在7.23～7.9 dBi波动。在4.81 GHz时，WRA部分在摆动方向（φ=0）的最大天线增益为7.9 dBi，略高于所提出的具有折叠部件的WRA。从图3（b）可以看出，FPRA的天线增益与提出的带有折叠部件FPRA相同。由于法布里珀罗具有高增益特点，频带内的增益在11.03～11.61 dBi变化。

图4显示了无折叠部分天线WRA部分的辐射模式。

图4 无折叠部分天线在4.83 GHz处的辐射图模拟结果

在辐射图中发现了宽侧辐射模式，这是一种较短的WRA，其在E平面的侧瓣很大。从之前的研究来看，提出的带有折叠部件双频天线不存在此问题。因此，可以推断出折叠部分可以降低天线高度和侧叶水平。WRA部分在4.83 GHz时，实现的最大增益为7.57 dBi。xz平面的交叉极化均超过-16 dB，yz平面的交叉极化均超过-24 dB。

图5显示了无折叠部分天线FPRA部分的辐射模式，与有折叠部分的双频天线的FPRA相似。在24.1 GHz时，最大增益为11.6 dBi，天线在xz平面以及yz平面的交叉极化均超过-10 dB。

图5 无折叠部分天线在24.1 GHz处的辐射图模拟结果

2.2 双频天线的电场模拟图

使用HFSS电磁仿真软件对低频部分和高频部分的电场分别进行模拟，双频天线的电场图模拟结果如图6所示。

图6（a）显示了在中心频率4.83 GHz处金属平行板波导内部的电场图，可以看出在WRA内部电场沿y轴的方向进行辐射。图6（b）则显示了法布里珀罗谐振腔天线在中心频率24.1 GHz处的电场图，观察到FPRA内部电场沿x轴进行辐射，这与带有折叠部分的天线电场分布一致，可以推断出去掉折叠部分对双频天线内部电场及模式的影响并不大。

3 参数

3.1 高频FPRA的参数

对高频法布里珀罗谐振腔天线的参数进行调节，调节的过程中每次只变化1个参数。使用ANSYS HFSS电磁软件对高频部分的法布里珀罗谐振腔天线进行模拟，模拟结果如图7所示。

图7 金属板间隔dF对FPRA反射系数的影响

从图7可以看出，2个金属板间隔dF由6.9 mm减小到6.7 mm时，天线的谐振点更深，并且逐渐向高频移动，但S22＜-10 dB的带宽也逐渐减小。经过比较之后，dF选择为6.8 mm，此时天线的谐振频率在24.1 GHz，相对带宽为2.98%，覆盖24～24.25 GHz的窄带范围。窄带是开放通用的ISM频带之一，ISM频带覆盖了医学、科学以及工业范围，是具有实用价值的一个频带。

3.2 低频WRA的参数

在低频的设计中，同样对影响天线的参数进行扫描，包括2个金属板之间的间距dF以及金属板的高度Hp。HFSS模拟得到的2个参数对天线反射系数的影响如图8所示。

图8 参数变化对WRA反射系数影响的模拟结果

从图8（a）可以看出，2个平行板之间的间隔dF对低频WRA几乎没有影响，而从图8（b）中可以看出，金属板的高度Hp对低频WRA的谐振频率影响很大。其余参数保持不变，选取Hp=17.5 mm、18 mm、18.5 mm这3个数值，从图8（b）还可以看出，随着金属板高度Hp的增大，通带内的匹配程度增大。当Hp=17.5 mm时，天线的阻抗匹配稍差，但是带宽相对较大。选择Hp=18 mm，阻抗匹配合适，带宽较宽，能够满足现行5G通道标准中的N79频段要求。

4 结语

本文针对微波频段频谱资源短缺的问题，设计了一种双频天线。该天线可以同时覆盖5G的N79频段以及ISM的24 GHz频段（频率比为4.9），具有一定的实用价值。天线由一对平行垂直地面的金属板构成，将法布里珀罗天线与平行板波导天线相结合，2种天线虽然共用一个结构，但分别通过调节金属平行板的高度以及两板之间的缝隙大小，可以对低频和高频的反射系数进行调整。另外，高频部分和低频部分拥有各自的馈电端口，隔离度可以得到保障。然后，将折叠部分对双频天线的影响进行分析，得到预期的结果。该天线的优点是结构紧凑且易于加工制造，因此可用于降低成本及复杂度的通讯系统中。