小型化超宽带天线设计

陈振炜，袁 成，李向阳，金家峰，陈 磊，王仲根

（安徽理工大学 电气与信卢工程学院，安徽 淮南 232000）

近年来，无线通信技术发展迅速。终端设备也正朝着小型化、低成本、高效率的方向发展。自2002 年将3.1～10.6 GHz 波段划分到民用通信领域后[1]，超宽带通信技术成为了学术界和无线通信领域的重点研究对象。因此，设计一款对5G 频段的基本稳定覆盖的小型化超宽带天线具有重大意义。

超宽带（UWB）是一种无线技术，可以在短时间内以极低功率实现数据的高速传播。当前的超宽带化系统正向着体积小、重量轻和低成本的趋势发展。设备宽带化、小型化、共用化，超宽带的天线将会是未来的一大热潮，对于通信行业发展及人们的日常生活都有着重要意义[1]。通过目前已有的对超宽带天线的研究应用以及查阅相关资料，本文设计了一款超宽带5G 天线[2]，基于小型化[3]的基础引入超宽带技术[4]及5G 技术[5]，一定程度上减小了天线体积，有效提高了天线的抗干扰能力和信号传输效率，且能保证波形及信号在空间内的正常辐射，满足了无线通电环境下天线宽频带的要求[6]，达到更好的天线增益效果[7]。

1 小型化超宽带天线的结构设计与分析

1.1 超宽带（UWB）技术

超宽带天线是基于普通的较窄的带宽天线基础上发展起来的，所以UWB 天线与市面上的普通窄带天线在原理上并没有最根本的差异。与传统的窄带天线相比较，UWB 天线需要带有几个倍频程的带宽，而且对天线在整个UWB 频带中的性能稳定有更为严格的要求。20 世纪50 年代以前，是宽带天线早期发展阶段，主要面向广播电视和移动通信等应用；20 世纪50 年代到20 世纪90 年代初，多种宽带和拉姆西提出的非频变天线设计理念在这一时间段诞生，广泛应用在移动通信以及雷达探测距离等方面，使天线的发展产生了一个新的突破。现代意义上的UWB 天线发展实际上是从20 世纪90 年代开始的，应用于短距离无线移动通信领域中的UWB天线的研究设计在美国军方和航空界等众多不同意见的情况下，面心立方晶格（FCC）仍然开放民用的UWB 设备使用频段，说明此技术具有广阔的应用前景和市场，至此，UWB 技术得以发展。

近些年来，基于高速电子集成电路和移动通信技术的蓬勃发展，对天线制作流程、占用空间和射频范围有了更高的要求。早期的宽带天线的结构通常是三维结构，在当今社会市场中，UWB 天线被广泛应用于通信设备中，同时其结构具有趋于平面化、小型化的发展趋势。

在当今无线通信发展领域中，UWB 技术凭借多次利用频谱的特点，可以解决频谱在很小范围内出现极为拥挤的问题。自20 世纪90 年代以来，伴随着现代信号处理技术和高速电子集成电路的飞速发展，使得UWB 技术在当今商业、民用等领域的大范围应用成为可能。

1.2 超宽带研究

天线一直以来都是无线通信系统中至关重要的一部分，随着时代的发展，通信系统对于天线有了更高的要求，从而引领了天线的新的发展方向。

信卢化时代的到来，现代社会对于无线通信系统能力需求的不断提高，天线的研究和设计受到广泛的关注。基于现代通信技术的深入研究和发展，超宽带天线的能力需要进一步提升来满足超宽带通信系统的需求，这使得超宽带天线出现了多个方向，多种需求的研究热点。比如，为了尽量避免超宽带辐射范围内的电磁信号干扰，由滤波组带功能的超宽带带阻天线组成的天线有效减小电磁干扰，因此，这种天线的设计成为一种趋势。此外，对滤波性能要求变得更为严格，通信系统日益向小巧便携式发展，所以要求天线也同样小型便携。因此，小型化便携式超宽带天线受到广泛关注。在如今飞速发展的信卢化时代，人们对于无线通信的质量性能及安全性能的要求也更加严格，超宽带技术能够有效提高无线天线的通信质量的同时也能减小天线的体积，易于携带。

最近几年，超宽带天线技术已经成为超宽带无线通信的重要技术的组成部分，在现代无线通信领域，尤其是在数字移动通信方面，发生用户数量的快速增长，相应的频率资源日益紧缺的情况。针对此情况，为了充分、合理和有效地利用宝贵的频率资源，尽量避免频谱的拥挤情况，无线通信领域顺势开展了各种各样的业务，以此来缓解用户对业务质量的需求与无线传播环境之间的矛盾。由于超宽带短距离无线通信系统可以与传统无线通信系统共用频段有效减少了频谱资源，因此这一技术在无线通信领域中引来了广泛的关注。并且随着5G 技术的不断发展，天线的要求也逐步上升。根据天线理论和电磁理论，在满足天线原有的性能上，尝试设计出一款更为小型化超宽带的天线[8]。通过曲流技术优化天线结构，延长电流路径，同时运用介质加载，适当增加介质基板的介电常数，使天线小型化更加有效。同时在此基础上，提出一种微带线馈电的圆形贴片单极子天线，通过仿真测量，发现其可实现性[9]。

1.3 基于超宽带设计小型化天线

本文所设计的小型化天线安装在长方体金属平台内，其结构包含介电质基板、辐射贴片、辐射元及接地板。如图1—2 所示，该天线的基本尺寸为长50 mm，宽30mm，高1.8 mm。该天线主要以FR-4 材料作为介质板，其长50 mm，宽30 mm，高1.80 mm 的长方体。在该介质板上侧附有一圆形微带贴片，其直径尺寸为12.95 mm。在该介质板下侧为一接地板，其长为25.02 mm，宽为18.36 mm。天线模块有2 个同轴圆柱体组成，并且同时与接地板相连，其中内层天线以氯化聚乙烯（PEC）为材料，直径为0.75 mm，高度为3.60 mm，外层圆柱体作为真空隔热板，其直径为0.33 mm，高度为5.40 mm，对内层天线进行隔热保护，增加其安全性。

图1 天线正向尺寸图

图2 天线底板尺寸图

1.4 天线性能分析

超宽带天线作为超宽带通信系统的一部分，仿真出的天线在2.00～6.00 GHz 的S11 参数扫频分析结果如图3 所示，可以看出设计出的超宽带天线，图中的量结果基本符合目标的覆盖频段，当回波损耗小于-10 dB 时，天线的带宽覆盖在 2.07～5.59 GHz的频段中，而5G 的通信频段为3.3～3.4 GHz 和4.8～5.0 GHz。由此可以看出该天线在5G 的2 个主要频段都能够很好地覆盖，并且还加大了天线的频段宽度。

图3 S11 参数

该天线的三维增益方向图如图4 所示，从三维增益方向图中，可以看出该小型化超宽带天线的最大辐射方向是该天线的法向平面内，即YZ 轴平面，在YZ轴平面有较好的增益效果。

该天线的E 面方向增益图如图5 所示，该天线的史密斯圆图如图6 所示，据图可以看出，该天线在整个工作频段中，其E 面方向增益图具有全向性[10]，在整个工作频段中能够保持较好的一致性，确保了天线能够稳定接收并发送整个工作频段上的信号，且满足信号保真效果。

图5 天线方向图

图6 天线史密斯圆图

2 结束语

本文设计了一款小型化超宽带5G 天线，使得天线结构在某一维度方面进行大幅缩减，从而使得天线小型化。该天线可覆盖5G 的3.3～3.4 GHz 和4.8～5.0 GHz的2 个频段，回波损耗S11 小于-10 dB。并运用了超宽带技术，使得该天线在整个频段内具有一致性，加强信号的稳定性，且能保证波形及信号不失真地辐射至自由空间，加强了天线的抗多径干扰能力，并提高了通信的安全性能和天线的频带宽度，测试结果与仿真结果吻合，与传统天线相比，本文设计的天线频带宽、辐射性能良好、通信性能安全性高、结构简单加工成本低。