一款5G微帶天線的設計

1 引言

從上世紀80年代起，數字移動通信開始得到迅速發展，最突出的表現就是以GSM/CDMA技術為代表的2G移動通信的大規模商用，這是數字移動通信的起點。經過幾十年的發展，移動通信已經從2G、3G走到4G再到未來的5G時代。移動通信技術的發展催生了手機的不斷發展，與之配套的手機天線也經歷了從無到有，從外置到內置的轉變。早期的手機天線受制于當時技術和工藝上的限制，基本上都采用外置天線的方式，不僅成本高，易損壞，而且影響整機的美觀。從2003年開始，一些國外的天線廠開始嘗試將手機天線設計成內置的形式，從而催生了天線行業的一次變革。內置天線也從PCB板、不銹鋼片、FPC、LDS等新型材料和工藝方式的應用中不斷前進發展。5G網絡是一個密集分布基站網絡，基站分布密度比前幾代移動系統都高。

其中，基站移動終端之間采用毫米波頻段通訊，基站天線系統采用相控陣天線體制。波束在垂直和水平兩個方向交叉極化，以實現更高的用戶密度和增加系統用戶容量。5G終端具備自選基站能力，可以根據基站誤碼率挑選誤碼率低的基站和信道通訊。實現以上這些功能，依賴陣列天線技術，基站和終端都用到了毫米波相控陣天線。終端天線陣列為N＊N點陣。

5G頻率規劃由低頻段和高頻段組成，其中低頻段(6 GHz以下)由于良好的傳播特性等原因仍然是5G系統的核心頻段，重點解決5G無處不在的用戶體驗，以及物聯網、車聯網等應用場景的需求;高頻段(6 GHz以上)是5G重要補充頻段，主要用于滿足5G增強的移動寬帶業務等需求。全球一致性是當前各個國家和地區選取5G待研究頻段的普遍考慮與未來5G頻率規劃的重要依據，也將是5G標準全球化的重要前提。ITU預計到2020年將會有多達880 MHz頻譜的缺口，在全球已經發放的TDD牌照中，基于3.5 GHz頻段(3.4～3.8 GHz)的超過50%。3.5 GHz可提供多達400 MHz頻譜。隨著WRC-15的進一步推動，甚至能夠釋放出另外的400 MHz頻譜(3.8～4.2 GHz)。未來潛在候選頻段主要也包括3 300～3 400 MHz、4 400～4 500 MHz、4 800～4 990 MHz以及5 100～5 600 MHz 等。作為5G核心技術的大規模MM0技術，其基本特征是在基站側配置數量眾多的天線陣列(從幾十至幾百)，利用空分多址(SDMA)原理，同時服務多個用戶。由于大規模天線陣列帶來的巨大陣列增益和干擾抑制增益，使得頻譜效率得到了極大的提升。

本文闡述一款5G微帶天線的設計過程與步驟，具體要求：利用介質常數為2.2、厚度為1 mm、損耗角為0.000 9的介質，設計一個工作在5G的天線陣列。

2 微帶輻射貼片尺寸估算

設計微帶天線的第一步是選擇合適的介質基板，假設介質的介電常數為，對于工作頻率f的矩形微帶天線，可以用下式設計出高效率輻射貼片的寬度W，即為：

考慮到邊緣縮短效應后，實際上的輻射單元長度L應為：

3 單元的仿真

由所給要求以及上述公式計算得輻射貼片的長度L=19.15 mm,W=23.72 mm。采用非輻射邊饋電方式，模型如圖1所示。

圖1 單元模型

此種饋電方式，可以通過移動饋電的位置獲得阻抗匹配，設饋電點距離上寬邊的偏移量為dx,經仿真得到當dx=4 mm時，阻抗匹配最好。另外，之前計算出的尺寸得到的諧振點略有偏移，經過仿真優化后貼片尺寸變為L=19 mm,W=23.72 mm。仿真結果圖如圖2、圖3所示。

圖2 S11參數

圖3 增益圖

從圖中可以看出諧振點為5 GHz，計算的相對帶寬為2.2%，增益為5.78 dB。

4 2×2陣列設計

設計饋電網絡并組陣，模型圖如圖4所示。

圖4 2×2微帶天線陣列

如圖5所示，由S11參數可以看到2×2陣列天線諧振點為5 GHz，且此時的S11=-19 dB，說明反射損耗小，匹配良好。相對帶寬約為2.8%。

圖5 S11參數

由圖6方向圖可以看出2×2陣列天線的增益為13.96 dB,第一副瓣電平為-10.6 dB，可知組陣能使天線的增益變高。

5 4×4陣列天線

天線陣列如圖7所示。

圖6 方向圖

圖7 4×4陣列天線

由圖8的S11參數圖可以看到諧振點在5 GHz，反射損耗較小，帶寬約為2%。由圖9的方向圖可以看到增益約為19.96 dB，第一副瓣電平為-11.79 dB。

圖8 S11參數

圖9 方向圖

端口2天線方向圖如圖18所示。

圖18 端口2的天線方向圖

端口1的天線增益和垂直面波瓣寬度如圖19和圖20所示。

圖19 端口1的天線增益指標

圖20 端口1的天線波瓣寬度指標

端口2的天線增益和垂直面波瓣寬度如圖21和圖22所示。

圖21 端口2的天線增益指標

圖22 端口2的天線波瓣寬度指標

7 總結

本文提出的方案具有如下優點：設計難度低、制造成本低、可用性強，同時可以獲得較寬天線帶寬的特點。

相比普通天線，本項目所研發的天線其創新點在于：

第一，用于5G通信；

第二，帶寬寬：天線可以覆蓋從5 000 MHz～6 000 MHz的超寬頻段；

第三，實現了多單元陣列天線的方向圖和增益疊加和雙極化；

第四，有效減小天線的體積。

面對輕薄化、金屬化、多制式的智能化發展趨勢，傳統天線遇到了瓶頸，采用我們的設計方案，提升了天線性能，同時減少了調試周期。