賀東海

（中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司石家莊市分公司，石家莊 050000）

在我國(guó)鐵路行業(yè)以及網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的持續(xù)發(fā)展下，對(duì)于列車車內(nèi)通信天線也提出了更高的要求。為有效順應(yīng)時(shí)代發(fā)展潮流，滿足我國(guó)第五代移動(dòng)通訊系統(tǒng)的發(fā)展需要，需要積極進(jìn)行Wi-Fi/5G 雙頻段列車車內(nèi)通信天線設(shè)計(jì)，從而有效達(dá)到提升列車車內(nèi)信息數(shù)據(jù)傳輸速率、優(yōu)化傳輸效果的目的。促進(jìn)我國(guó)鐵路通信事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

1 Wi-Fi/5G 雙頻段列車車內(nèi)通信天線結(jié)構(gòu)與尺寸計(jì)算

通過(guò)查閱相關(guān)資料可知，采用雙圓環(huán)形結(jié)構(gòu)的貼片天線作為WiFi/5G 雙頻段列車車內(nèi)通信天線結(jié)構(gòu)，可以快速、精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)天線雙頻段特性，有助于在列車車內(nèi)充分發(fā)揮通信天線的應(yīng)有效用。因此本文在設(shè)計(jì)Wi-Fi/5G 雙頻段列車車內(nèi)通信天線中，選擇使用兩個(gè)全波長(zhǎng)環(huán)形天線。如果天線中選擇使用相對(duì)介電常數(shù)為4.4的FR4板材，其厚度以及損耗角正切值分別為1.6mm 與0.02，并假設(shè)天線頻段中心頻率分別為2.4GHz、3.4GHz，則本文所使用的兩個(gè)全波長(zhǎng)環(huán)形天線半徑各為12mm 與8.5mm。天線的具體尺寸則為40mm×40mm×1.6mm.

2 Wi-Fi/5G 雙頻段列車車內(nèi)通信天線的設(shè)計(jì)分析

2.1 建立通信天線模型

在建立Wi-Fi/5G 雙頻段列車車內(nèi)通信天線模型的過(guò)程中，貼片輻射單元位于介質(zhì)板上層，其主要構(gòu)成包括兩個(gè)矩形貼片以及兩個(gè)同心圓圓環(huán)，利用這一設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可以使得天線阻抗匹配得到相應(yīng)增加[1]。本文所建立的Wi-Fi/5G 雙頻段列車車內(nèi)通信天線模型中，在天線尺寸的計(jì)算中選擇使用遺傳算法。根據(jù)本文所設(shè)計(jì)的Wi-Fi/5G 雙頻段列車車內(nèi)通信天線的規(guī)格屬性，可知天線在x 與y 方向上的長(zhǎng)度均為40mm，天線高度則為1.6mm。構(gòu)成貼片輻射單元的兩個(gè)矩形貼片中，矩形長(zhǎng)度為11.7mm，而連接兩個(gè)同心圓圓環(huán)的矩形寬度則為1.6mm。在進(jìn)一步明確兩個(gè)同心圓圓環(huán)貼片內(nèi)徑與各自寬度的基礎(chǔ)上，即可構(gòu)建出一個(gè)由內(nèi)外兩個(gè)同心圓構(gòu)成的Wi-Fi/5G 雙頻段列車車內(nèi)通信天線結(jié)構(gòu)模型。

2.2 通信天線仿真實(shí)驗(yàn)

該Wi-Fi/5G 雙頻段列車車內(nèi)通信天線結(jié)構(gòu)中，建立在通信天線基礎(chǔ)上的內(nèi)圓環(huán)和外圓環(huán)，均負(fù)責(zé)為貼片天線輻射元工作。這也表明在本文設(shè)計(jì)的Wi-Fi/5G 雙頻段列車車內(nèi)通信天線中，通信天線的具體性能直接取決于以通信天線為基礎(chǔ)的內(nèi)圓環(huán)與外圓環(huán)的內(nèi)徑。為有效提升通信天線仿真實(shí)驗(yàn)效率，同時(shí)保障仿真結(jié)果的真實(shí)性和有效性，本文在此過(guò)程中選擇直接使用專業(yè)的HFSS 仿真軟件。在優(yōu)化階段中，不改變其他參數(shù)的情況下，分別掃描分析內(nèi)圓環(huán)和外圓環(huán)的內(nèi)徑參數(shù)，可知通信天線高頻段對(duì)內(nèi)圓環(huán)半徑的敏感度較大[2]。并且當(dāng)內(nèi)圓環(huán)半徑值不斷增大的情況下，天線高頻段中的頻點(diǎn)也會(huì)逐漸朝著頻率較低的頻段移動(dòng)。但同樣在內(nèi)圓環(huán)半徑值持續(xù)增大下，其對(duì)于高頻帶帶寬并未產(chǎn)生任何實(shí)質(zhì)性的影響。根據(jù)最終仿真分析結(jié)果可知，在內(nèi)圓環(huán)半徑為7.5mm 時(shí)，列車車內(nèi)通信天線可以獲得最為理想的諧振效果。當(dāng)內(nèi)圓環(huán)半徑值為6.5mm 時(shí)，兩個(gè)圓環(huán)的中心頻率與規(guī)定值較為接近。但無(wú)論內(nèi)圓環(huán)半徑如何變化，低頻帶帶寬與頻點(diǎn)基本保持不變。另外，在仿真中還表現(xiàn)出內(nèi)圓環(huán)半徑不斷增大下，天線回波損耗也會(huì)隨之有所增加，進(jìn)而影響了天線正常的低頻段性能。這主要是因?yàn)樵谥行念l率為2.4GHz 時(shí)，外圓環(huán)上耦合饋線所提供的能量，此時(shí)內(nèi)圓環(huán)和外圓環(huán)之間具有較大間距，在一定程度上增加了外圓環(huán)的耦合。而在進(jìn)行外圓環(huán)半徑的仿真分析中，當(dāng)外圓環(huán)半徑值不斷增大下，低頻段中心諧振頻率出現(xiàn)了明顯的移向低頻率情況，帶寬較之前明顯減小，而天線回波損耗也有所減小。此時(shí)在低頻段列車車內(nèi)通信天線具有相對(duì)較高的通信性能。天線高頻段頻帶與頻點(diǎn)則幾乎不受外圓環(huán)半徑的影響。根據(jù)具體仿真分析結(jié)果可知，在外圓環(huán)半徑為11mm 時(shí)，天線在高頻段可以獲得最優(yōu)性能。因此通過(guò)將獲得的全部仿真分析結(jié)果進(jìn)行集中整合，可知在本文設(shè)計(jì)的WiFi/5G 雙頻段列車車內(nèi)通信天線中，兩個(gè)圓環(huán)貼片的內(nèi)徑分別為7.3mm 與11.7mm，寬度分別為2.2mm和2mm 時(shí)，天線可以獲得最佳性能。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文在設(shè)計(jì)Wi-Fi/5G 雙頻段列車車內(nèi)通信天線的過(guò)程中，將兩個(gè)同心圓圓環(huán)分別作為兩個(gè)輻射元工作，運(yùn)用兩個(gè)矩形貼片將兩圓環(huán)相互連接使其可以進(jìn)行能量耦合，可以有效達(dá)到雙頻帶特性并獲得較為理想的通

信性能效果。因此證明本文設(shè)計(jì)的Wi-Fi/5G 雙頻段列車車內(nèi)通信天線可與雙頻段天線通信要求相符合，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。