一种用于5G 终端天线设计及辐射性能分析

郭树鹏

（兰州交通大学 光电智能控制教育部重点实验室，甘肃兰州，730070）

0 引言

在过去的几十年，无线通信技术飞速的发展，从1G移动通信系统到GSM 通信制式的2G 移动通信系统，再到WCDMA/CDMA2000/TD-SCDMA 通信制式的3G 移动通信系统，最后到采用MIMO 技术、OFDM 技术的4G 移动通信系统，通信技术的进步为人们的生活带来方便，可以网络电视，网络直播，丰富了人们的生活。手机也逐渐变成了人们的必需品，同时手机的功能也变得越来越多元化，如手机摄影，导航定位这些功能的增加给天线的位置的设计增加了不少困难。广大科研工作者在有限的空间中设计出满足所有通信需求的天线就变得十分必要。2019 年我国5G 正式开启商用，工业和信息化部将3300～3600MHz 和4800～5000MHz 频段作为5G 移动通信系统的工作频段，中国移动、中国联通、中国电信、中国广电也正式颁发5G 牌照。为了“智能手机”的各种需求，需实现手机天线的小型化、宽带化、多频段特性。实现方式一是采用混合多模式谐振天线，如文献[1]在单极子天线的基础上，馈线的两边添加不同类型、不同长度的辐射枝节，从而产生不同的谐振频点，覆盖较宽的频段；二是加载集总元件或匹配网络，如文献[2]在天线结构上加载集总元件直接改变天线的输入阻抗，从而改善天线的匹配；三是采用可重构技术，如文献[3]提出通过PIN 二极管的不同状态控制两条辐射枝节的电磁耦合程度；从而实现多个不同的谐振模式等。本文利用Ansoft HFSS 电磁仿真软件在中心频率为3.5GHz 设计了一款混合模式手机天线，并对其优化，可以覆盖GSM-850/900、PCS-1900、UMTS-2000、LTE2300/2500 频段，向下兼容5G/4G/3G/2G 的主要商业频段，辐射特性良好，为今后5G手机天线的设计提供一定的依据。

1 电磁波传播分析

■1.1 电磁波传播方程

电磁波在周围的自由空间中的传播是通过使用麦克斯韦（Maxwell）方程来求解的，如公式(1～4)所示。

式中：E是电场强度（V/m）；B是磁通量密度（Wb/m2）；J是电流密度（A/m2）；H是磁场密度（A/m）；ρ是电荷密度（C/m3）。

■1.2 三维有限元分析

在生物电磁学中需要解决的核心工程问题都是一定边界条件和激励条件下麦克斯韦方程组的求解问题。麦克斯韦方程组从宏观上描述了电磁场规律。

由于所有物理问题基本是三维的，故采用三维麦克斯韦方程组及三维支配方程，为了求解方程和建模通常选取麦克斯韦方程组的前两个旋度方程，导出电场强度满足的亥姆霍兹方程作为支配方程[4]，支配方程如式(5)所示。

式中：E是时谐场对应的相量（V/m）；k0是自由空间波数（m-1）；µr是复的相对磁导率；εr是复的相对介电常数。

■1.3 电磁波辐射边界条件

在利用有限元方法时，需要利用吸收边界条件将电磁波进行有限截断，二阶辐射边界条件是自由空间的近似[4]，如式(6)所示。

式中：Etan是表面电场的切向量；k0是自由空间相位常数。

2 天线结构及性能分析

美国Ansoft 公司开发的三维电磁仿真软件HFSS 采用有限元方法求解电磁场问题。该软件可用于天线设计领域等。随着人们对射频电磁暴露对生物组织影响的研究增多，HFSS 软件也被逐渐被应用到生物电磁仿真中，尤其是使用天线作为辐射源的人体组织辐射模型。HFSS 具有精确的场仿真器，强大的电性能分析能力和后处理功能可以计算下列参数：S/Y/Z 等参数矩阵、电压驻波比（VSWR）、端口阻抗和传播常数、电磁场分布和传播常数、谐振频率、品质因素Q、天线辐射方向图和各种天线参数，如增益、方向性、波束宽度等、比吸收率SAR、雷达反射截面RCS。

■2.1 天线结构

本文利用Ansoft HFSS 电磁仿真软件设计的天线如图1 所示，天线由一个C形单极子，一个U形单极子和一条F形辐射枝节组成。两种不同形状的单极子左右分布在介质板顶层，占有15mm×68mm 的净空面积。F形辐射枝节放置在介质板的底层与地面相连，述U形单极子组成双层耦合结构，补偿天线的容性，有利于天线的匹配。天线的介质基板采用厚度为0.8mm 的FR4，其相对介电常数和损耗角正切分别为4.4 和0.024。介质板尺寸为68mm×136mm×0.8mm。天线的馈线宽度为1.5mm，其特征阻抗为50Ω，馈电方式为侧馈，采用集中端口馈电，输入功率为0.125W。

图1 天线结构图

■2.2 S11 参数分析

在0～6GHz 范围内，仿真计算天线的S11特性曲线，如图2 所示，S11特性曲线值在-6dB 阻抗以下可覆盖GSM-850/900、PCS-1900、UMTS-2000、LTE2300/2500 频段，频率范围较为广泛；特别在3.5G 的带宽为1650MHz，带宽比较大，可满足目前5G 手机的需求。

图2 S11 参数

■2.3 电流分布

如图3(a)所示，在900MHz 时，表面电流主要集中在U 形单极子和F 形条带上。F 形条上的电流主要由与U 形单极子的电磁耦合产生。这表明它们一起产生900MHz 的共振模式。为了研究900MHz 模式的工作原理，图3(b)中描绘了一个抽象的电流路径模型。Iu和If分别是分布在U 形和F 形条带上的电流。α和β是Iu和If之间的耦合系数。根据电流的方向，由于If末端是U 形和F 形条带的重叠部分，它们正在形成具有电容性负载的电流回路。因此，900MHz 模式主要来自环路，环路依赖于F 形和U形条之间的耦合。

图3 900MHz电流分布图

图4 分别为1800MHz，3500MHz 时的电流分布图，在1800MHz 时由于引入新的谐振点，C 形单极子的末端开始作用，窄带部分电流最大为121.87A/m，其余电流均匀地分布于末端矩形端，电流大小约为6.1405A/m；在3500MHz 时可以清楚地看到，C 形单极子在类似于λ/4 模式的单极子下工作，而F 形辐射枝节在路径的A 点和B 点和C 点分别出现三个零点，其中B 点和C 点所在枝节的电流是由于U 形单极子耦合产生的。

图4 天线在1800MHz，3500MHz 时的电流分布图

■2.4 辐射方向图

天线方向图是在离天线一定距离处，辐射场的相对场强（归一化模值）随方向变化的图形，通常采用天线最大辐射方向上相互垂直的平面方向图来表示：E 平面方向图为水平方向，H平面方向图为垂直方向为了探究天线的辐射方向性，我们选择了三个重要频点900MHz，1800MHz，3500MHz 处对天线的辐射方向图进行了仿真计算。图5 为天线在0～6G的E-H 面图，从图中可以看出在900MHz 时垂直平面上有良好的辐射特性，类似于半波偶极子的辐射特性，随着频率的增加E 面和H 面方向图发生了改变，在1800MHz 时H 面为心形，辐射强度在90 度方向最大，E 面则反之，这也与引入新的谐振点不谋而合，在之后的频率中，E面在90度方向辐射强度变强，在3500MHz 时有轻微差异。

图5 各个频点的辐射方向图

■2.5 3D 增益图

图6(a)(b)(c)为天线在900MHz，1800MHz，3500MHz 时的3D 辐射增益图，可以看出在各个方向的增益情况良好，形状类似于“苹果”，在900MHz时的最大增益为12.905dB，1800MHz和3500MHz 时天线的增益图发生了畸变，1800MHz 时，在三维空间中Y 轴正方向的增益减小，X 轴方向的负方向增益变大，增益约为7.9464dB，而X轴正方向增益相比900MHz 增强，最大增益为5.1530dB，增益比为2.99，3500MHz 由于新的谐振点的引入，在Y轴方向的负方向增益减小，其余方向增益保持不变，最大增益为6.4921dB，整体来说辐射特性良好。

图6 各个频点的辐射增益图

3 结论

本文设计的天线体积小，结构简单，天线的净空区也比较大；在满足目前通信条件的基础上具有较宽的频带宽度，可以覆盖GSM-850/900、PCS-1900、UMTS-2000、LTE2300/2500 多个频段，辐射特性良好。