一种应用于5G的多频段天线设计

邓蕊蕊?赵子倩?李天睿?赵安兴

摘要：本文设计并优化了一种可以应用于5G通信的小型化多频段微带天线。该设计基于最基本的矩形微带天线，采用微带线馈电，通过辐射贴片开槽技术，使其具有多频工作特性。结合三维电磁场仿真软件HFSS建模，进一步优化缝隙尺寸，确定了天线最优结构。结果表明，该天线可在2.53GHz、3.92GHz和4.75GHz三个中心频点处有效工作，实现天线多频段工作，从而达到实现多频段覆盖以及更好的频率利用率。本文所设计的天线可以满足5G FR2频段中n41、n77、n79通信系统的要求，且具有良好的全向辐射特性。

关键词：5G通信；多频段；开槽技术

一、引言

为了满足不断增长的数据传输需求，5G移动通信技术应运而生。相较于4G，5G拥有更高的数据传输速率、超低的数据传输时延以及巨大的数据容量。5G通信标准的FR2通信频段首次采用了毫米波频段，为5G网络提供了极速的数据传输速度和巨大的容量。传统天线仅可工作在单频段，集成度较高的电子通信设备若想正常工作则需要使用多个单频段天线。但是，多天线之间存在的耦合效应会对系统性能造成影响，并且使用多个天线会增加系统空间，与设备小型化的发展趋势背道而驰。而多频段系统能够同时工作在多个频段，以实现提高其系统容量的目的。因此，使用多频段天线使单个天线兼容多个通信标准，解决多天线间互相干扰的问题成为热门的研究方向。

微带天线因具有体积小、重量轻、易于和移动终端设备共形等优点，被广泛应用于微波通信系统[1-2]。随着通信技术的不断发展，人们对天线的性能提出了更高标准的要求，其中多频段工作成为天线设计的重要发展方向之一[3-7]。文献[5]通过采用变形的L贴片和寄生短截线，设计了可以覆盖WLAN三个频段的三频天线；文献[6]使用PIFA结构，通过加载四分之一波长、寄生短路贴片等多种方法，成功实现三频特性，但由于其各部分之间存在互相干扰，在较高工作频率下的辐射特性明显下降；文献[7]设计了一种基于缺陷地结构的小型三角微带天线，成功实现了天线的多频化，但由于天线结构的不对称以及各参数之间的相互影响，导致天线带宽较窄。本文在一种矩形微带贴片天线的基础上，通过贴片开槽，使其具有多频工作特性，改善了带宽，并具有良好辐射增益。

二、天线结构设计及优化

本文设计的天线基于一种矩形微带贴片天线，采用FR4作为介质基板，并使用加载缝隙技术，能够满足多频段要求。

原始天线结构如图1所示，结构整体为矩形结构，通过微带线进行馈电。利用HFSS对该天线最终结构进行仿真分析后，得到天线的回波损耗如图2所示。仿真结果显示，原天线的回波损耗可在3.63GHz处达到-19.38dB，在4.47GHz附近的回波损耗仅有-10.75dB，可用带宽极小并且回波损耗极低，天线的辐射增益并不好。因此，为了实现对多个频段的覆盖及高增益，在天线辐射贴片上通过在辐射单元上加载“L”形以及矩形缝隙的方法，改变天线中电流及电场的分布，从而实现天线多频段工作，改进后的天线结构如图3所示。

微带天线的工作性能在很大程度上受到缝隙尺寸和形状的影响。为了优化天线性能，笔者通过调整缝隙尺寸的参数值，进一步研究回波损耗曲线随参数的变化，从而选择出最优参数，这里采用控制单一变量法进行分析。

矩形缝隙主要由参数L3和W3控制，采用控制变量法研究L3与W3对于天线性能的影响，由于修改W3参数天线回波损耗曲线基本无明显变化，这里仅分析L3对天线回波损耗性能的影响。图4为天线回波损耗随L3尺寸变化图。

仿真结果显示，天线中高频段谐振频率受矩形缝隙的长度L3的影响较小；对于低频段来说，随L3的增大，天线谐振频率向左偏移，三个频段處天线的回波损耗增益相对均衡，为了满足覆盖5G频点要求，在此次设计中选择L3=10mm。

L形缝隙主要由参数W1、L1以及W2、L2控制，在仿真测试中，改变W2、L2以及L1的值对于天线回波损耗曲线的变化不明显，因此在这里选择通过改变W1的尺寸来研究L形缝隙对天线回波损耗性能的影响。图5为天线回波损耗随W1尺寸变化图。

当改变L型缝隙宽度时，对低频及高频谐振频点无明显影响，在中频谐振频点处发生无规则偏移，在W1=1.5mm处，在中心频点3.92GHz处带宽为380MHz（3.72GHz～4.10GHz），基本可覆盖5G n77频段，回波损耗可达-34.45dB，而在较高频点处W1的变化对于回波损耗并无明显影响，综合考量以上因素，在此次设计中选择W1=1.5mm。

通过反复仿真分析比对与测试，最终确定改进后的天线参数如表1所示。

三、仿真结果与分析

利用电磁仿真软件HFSS对天线进行仿真分析，经优化后天线与原天线的回波损耗对比曲线如图6所示，可以看出，优化后的天线可以在与原天线相同尺寸的条件下增加了两个新的工作频段，加载缝隙后天线的三个工作频段分别为2.49GHz～2.58GHz、3.72GHz～4.10GHz、4.66GHz～4.83GHz，带宽及回波损耗较之前有极大的改善，该天线适用于5G通信频段n41、n77和n79，具有三个工作频段。

图7给出了天线三维增益方向图，整体辐射特性近似圆形，具有较好的全向辐射特性、便利性和灵活性。

四、结束语

本文设计了一种多频段微带贴片天线，可以实现多频段覆盖以及更好的频谱利用率，能够提高网络容量、速率和可靠性，并减少设备成本。

随着第五代（5G）移动通信技术一路演进和多网络并存，智能手机及扩展应用不断涌现，所需要支持的通信频段和无线连接方式也越来越多。若想实现“一机走遍全球”，手机内置天线至少要支持超过40个的通信频段。因此，多频段天线的研究对于推动现在和未来通信设备的发展具有重要意义。

参考文献

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[2] Hussain R，Khan M U，Sharawi M S.Design and Analysis of a Miniaturized Meandered Slot-Line-Based Quad-Band Frequency Agile MIMO Antenna[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2019，PP（99）：1-1.2

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[6]侯佳琪，郭庆功.用于平板电脑的小型化LTE/GSM/UMTS多频段天线[J].太赫兹科学与电子信息学报，2015，13（4）：596-600.

[7]姚佩，张斌珍，段俊萍，等.一种基于缺陷地结构的小型三角微带天线[J].现代电子技术，2018，41（3）：6-9，13.