一種毫米波5G手機天線設計及仿真分析

摘 要：針對毫米波頻段，提出一種耦合饋電寬頻帶微帶天線陣列，該天線采用添加寄生貼片的方法展寬了頻帶，并通過組成相控陣實現提高增益和控制波束掃描。仿真結果表明，天線陣元的帶寬為23.15～28.3 GHz，有效覆蓋毫米波頻段24.75～27.5 GHz。在諧振頻率為26 GHz時天線陣列的整體增益達到14.8 dB。此外，天線陣列可以通過控制陣元間的相位差實現波束控制。

關鍵詞：毫米波；5G；微帶天線；寬頻帶；寄生貼片

中圖分類號：TN99 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）23-0009-05

Abstract： Aiming at the millimeter wave band， a coupled feed broadband microstrip antenna array is proposed. the antenna broadens the frequency band by adding parasitic patch， and the gain is improved and beam scanning is controlled by forming a phased array. The simulation results show that the bandwidth of the antenna array is 23.15～28.3 dB， which effectively covers the millimeter wave band of 24.75～27.5 GHz. The overall gain of the antenna array reaches 14.8 dB when the resonant frequency is 26 GHz. In addition， the antenna array can realize beam control by controlling the phase difference between array elements.

Keywords： millimeter wave; 5G; microstrip antenna; broadband; parasitic patch

近年來，移動數據流量呈現快速增長的趨勢[1]。據愛立信移動市場報告估計，至2028年移動數據流量將增長4倍。對于第五代移動通信系統（5G），隨著移動數據的快速增長和5G網絡的普及，需要更高的速率來滿足不斷增長的容量需求[2-3]。根據香農定理可知，擴大信道容量最直接有效的方法是增加系統帶寬。因此要實現每秒千兆字節的數據輸入速率所面臨的主要挑戰在于當前頻譜帶寬的擁擠[4]。目前，6 GHz以下的蜂窩頻段資源非常有限，而頻率更高的毫米波頻段具有更大的頻譜帶寬，能夠支持更高的數據輸入速率[5]。2019年5月14日，歐盟委員會通過了一項實施決定來協調24.25～27.5 GHz頻段的無線電頻譜，以便未來5G網絡的使用。我國工業和信息化部起草了《中華人民共和國無線電頻率劃分規定》的修訂征求意見稿，確定增加CHN46 24.75～27.5 GHz毫米波頻段用于國際移動通信系統[6]。

毫米波頻段的高頻信號易受到較大的自由空間路徑損耗影響，使用單一天線會導致信號強度的顯著衰減。為了克服這一問題，可以采用高增益的陣列天線[7]。然而，陣列天線的一個固有缺點是其波束非常集中，具有高度定向性，這不符合移動通信需要實現信號全方位覆蓋的要求。因此，可以利用能夠控制波束的相控陣來擴大天線的覆蓋范圍[8]。本文提出了一種在毫米波頻段下工作的1×4微帶天線陣列。通過添加寄生貼片的方式擴展天線的頻帶。同時，構建天線陣列以提高天線的整體增益，并通過調整相鄰天線陣元的相位差實現波束方向的控制。

1 毫米波寬帶相控陣的結構設計與分析

1.1 毫米波通信

毫米波頻段可用的頻譜資源非常豐富，這使得毫米波成為擴展5G網絡容量和提供更快速度的理想選擇。2019年世界無線電通信大會（WRC-19）就5G毫米波段達成全球共識，以滿足5G系統超大容量、高速率傳輸的業務需求。從全球范圍看，5G毫米波網絡正在全球范圍內蔓延。芬蘭、英國、丹麥等國家已經計劃拍賣毫米波頻段。

雖然毫米波可以實現高速率無線傳輸，但是在實現毫米波蜂窩網絡通信過程中會遇到不少技術挑戰[9]。根據Friis（費里斯）的傳播規律可知，自由空間路徑損耗與頻率的二次方呈正比。毫米波頻段的高頻信號傳輸將受到較大的影響，這可能會對天線的效率產生影響。天線作為通信系統中的重要環節，可以顯著影響通信系統的性能。因此，隨著毫米波段通信技術的發展，用戶移動設備中的天線設計也被廣泛的研究以滿足毫米波通信的要求[10]。為了彌補毫米波頻段的高路徑損耗問題，天線陣列技術已在基站和用戶設備中得到廣泛應用。

1.2 相控陣

相控陣由一組相互獨立的天線單元組成，通過調整它們之間的相位關系可以實現波束的定向和控制[11]。這使得波束可以被聚焦在特定方向，或者掃描指定的區域。相控陣具有靈活的特性，可以控制天線輻射的波束方向、形狀和寬度，以適應不同的應用需求。考慮到移動設備空間的限制性以及需要信號盡可能的全方位覆蓋的要求，移動終端種一般使用相控線陣。

控制相鄰天線陣元相位差為？琢，即可使主波束方向發生在不同的？茲方向，從而形成波束掃描。主波束方向的條件為？鬃=0，即？鬃=？茁dcos？茲+？琢=0，其中d為相鄰2個天線單元之間的距離，？茁為電磁波的傳播常數，？茁=2？仔/？姿。從公式可以看出相鄰陣元激勵信號的相位差與主波束方向角度有明確的對應關系，即？琢=-？茁dcos？茲。

1.3 天線設計

毫米波天線陣的天線單元通常采用微帶天線，其優點包括尺寸小、重量輕、低剖面和成本低等，滿足移動無線通信的需求。微帶天線主要由介質基板、接地面、輻射貼片和饋電結構組成。其中，輻射貼片的形狀可以為方形、矩形、圓形等。介質基板的選擇主要考慮厚度和2個電參數（相對介電常數和損耗正切），增加基板厚度會增加天線的表面波，從而增大損耗影響輻射性能；相對介電常數過高通常會導致微帶天線的輻射效率變低；損耗正切越低越好，但價格會隨之增加。饋電結構決定著有多少能量從發射系統進入天線，通常包括探針饋電、微帶線饋電、耦合饋電等。

微帶天線的一個主要缺點是其帶寬非常窄，因此在設計天線時需要拓展其帶寬。一種擴展微帶天線帶寬的方法是利用耦合寄生貼片結構，即在主輻射貼片的旁邊引入寄生輻射貼片，通過電磁耦合激勵，同時激勵出2個或者多個鄰近的諧振頻率。寄生輻射貼片可以與主輻射貼片在同一平面內，也可以堆疊在與主輻射貼片不同的平面。本文采用添加寄生貼片的方法實現對天線頻帶的展寬。

本文提出了一種基于縫隙耦合饋電的寬帶多層微帶天線，適用于毫米波頻段。該天線由3層相同規格的介質基板組成，基板的具體尺寸為9 mm×9 mm×0.254 mm。介質基板采用的是Rogers 5880材料，其相對介電常數為2.2，損耗正切為0.000 9。如圖1（a）為sub 1的俯視圖，在sub 1的背面是用于饋電的微帶線，其長度超過縫隙位置并向左拐出一段，以獲得更好的匹配效果。圖1（b）為sub 2的俯視圖，在sub 2的正面放置了一個旋轉45°的方形貼片作為主輻射貼片，sub 2的背面為接地面。為了耦合饋電，在接地面上開了一個尺寸為2.6 mm×0.4 mm的矩形槽。圖1（c）為sub 3的俯視圖，sub 3提供了一個方形寄生輻射貼片，用于增加天線的諧振點。通過優化寄生貼片的的邊長、sub 2和sub 3之間的距離等參數，可以使天線的2個諧振點靠近并形成寬頻帶，以達到擴展微帶天線頻帶的性能目標。在實際制作時基板之間的空隙可以填充泡沫板或用鐵絲支撐。圖1為天線單元的具體結構和尺寸。

為了改善毫米波頻段的自由空間路徑損耗問題，將上述天線構建為1×4線性天線陣列。通常相鄰天線陣元之間的距離需要設置在小于1λ的范圍內，否則天線會出現柵瓣。其中λ為天線在相應諧振頻率下所對應的波長。考慮到耦合饋電的開槽重疊問題并為了獲得更佳的輻射方向圖，本文通過對距離參數進行掃描，將相鄰天線陣元之間的間距調整至9 mm。整個天線陣列的尺寸為36 mm×9 mm×1.708 mm，滿足移動設備有限空間的限制要求。天線陣列采用多端口饋電的方式，可以實現對每個天線陣元信號相位的獨立控制。具體結構如圖2所示。

1.4 天線輻射性能的仿真分析

研究中采用基于有限元法的COMSOL Multiphysics三維電磁仿真軟件，對天線進9+KknMTublvnzBavoE4wxQ==行建模設計與仿真分析。圖3為所提出天線單元的回波損耗S11圖。仿真結果顯示，該天線在23.15～28.3 GHz的頻率范圍內S11的值均小于-10 dB。天線的-10 dB阻抗帶寬約為5.15 GHz，可以較好地實現寬頻帶需求。該天線的工作頻段完全覆蓋了WRC-19種所提出的毫米波頻段24.25～27.5 GHz和CHN46 24.75～27.5 GHz毫米波頻段。天線單元和天線陣列在諧振頻率26 GHz時的三維增益輻射方向圖如圖4所示。圖5為天線單元在不同工作頻率下的E面和H面的輻射方向圖。從圖5中可以看出，由于接地面的存在，天線單元的輻射方向指向輻射貼片的方向。在天線的工作頻率范圍內，輻射方向和增益的變化均非常小。可以看到當天線數量增加2倍，天線陣列的整體增益提高了7.25 dB，達到了14.8 dB。圖6為天線陣列在諧振頻率26 GHz時的E面和H面輻射方向圖，可以看出天線陣列的輻射方向僅在一個平面上發生變化，原因是天線只在一個方向上進行了組陣。

本文介紹了一種基于陣列單元之間的相位差設計具有波束掃描功能的相控陣。由1.2小結主波束方向的條件公式可知，通過調整相位差，可以控制主輻射波束的方向。通過對θ參數化掃描，可以評估相控陣天線的波束掃描能力。即在保持天線增益良好的情況下，天線主波束的最大轉向角度。圖7（a）展示了天線諧振頻率為26 GHz時，掃描角度分別為30°、60°、90°、120°和150°時的天線陣列輻射方向圖，可以看出，當掃描角度為90°時，此時激勵端口之間沒有相位差，產生的輻射反向圖垂直與陣列平面；主輻射波束方向與掃描角度對應，但是在掃描角度分別為30°和150°時，天線的輻射方向圖中出現了比主波束輻射更大的柵瓣，因此不能通過控制相位實現全方位的波束掃描。圖7（b）直觀地顯示了不同掃描角度下天線輻射方向圖的一維表示形式，便于觀察天線的方向屬性和增益。如圖7（b）所示，該天線具有良好的波束轉向特性，在不同的掃描角度下具有可接受的增益水平。天線陣列的主波束可以轉向60°（60°～120°），同時天線能夠在保持增益大于10 dB下實現大約80°的波束覆蓋范圍。

2 結束語

本文設計了一種毫米波5G手機天線，該天線通過縫隙耦合饋電，并通過增加寄生貼片的方式有效擴展了天線的帶寬。該天線的工作頻帶為23.15～28.3 GHz，覆蓋了WRC-19中提出用于未來5G的頻段以及中國工信部計劃增加的CHN46 24.75～27.5 GHz毫米波頻段，回波損耗S11小于-10 dB。組陣后的天線整體的增益達到了14.8 dB，并通過單獨控制天線陣元的相位實現波束掃描。在不同的掃描下具有可接受的的增益水平。

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第一作者簡介：杜玥（1999-），女，碩士。研究方向為手機天線電磁暴露劑量學。