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        一款5G微帶天線的設(shè)計

        2019-02-14 07:54:50
        廣東通信技術(shù) 2019年11期
        關(guān)鍵詞:波瓣饋電貼片

        1 引言

        從上世紀80年代起,數(shù)字移動通信開始得到迅速發(fā)展,最突出的表現(xiàn)就是以GSM/CDMA技術(shù)為代表的2G移動通信的大規(guī)模商用,這是數(shù)字移動通信的起點。經(jīng)過幾十年的發(fā)展,移動通信已經(jīng)從2G、3G走到4G再到未來的5G時代。移動通信技術(shù)的發(fā)展催生了手機的不斷發(fā)展,與之配套的手機天線也經(jīng)歷了從無到有,從外置到內(nèi)置的轉(zhuǎn)變。早期的手機天線受制于當時技術(shù)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(shè)計成內(nèi)置的形式,從而催生了天線行業(yè)的一次變革。內(nèi)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(yīng)用中不斷前進發(fā)展。5G網(wǎng)絡(luò)是一個密集分布基站網(wǎng)絡(luò),基站分布密度比前幾代移動系統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)更高的用戶密度和增加系統(tǒng)用戶容量。5G終端具備自選基站能力,可以根據(jù)基站誤碼率挑選誤碼率低的基站和信道通訊。實現(xiàn)以上這些功能,依賴陣列天線技術(shù),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(guī)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(tǒng)的核心頻段,重點解決5G無處不在的用戶體驗,以及物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)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(yè)務(wù)等需求。全球一致性是當前各個國家和地區(qū)選取5G待研究頻段的普遍考慮與未來5G頻率規(guī)劃的重要依據(jù),也將是5G標準全球化的重要前提。ITU預(yù)計到2020年將會有多達880 MHz頻譜的缺口,在全球已經(jīng)發(fā)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(shù)的大規(guī)模MM0技術(shù),其基本特征是在基站側(cè)配置數(shù)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(wù)多個用戶。由于大規(guī)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(shè)計過程與步驟,具體要求:利用介質(zhì)常數(shù)為2.2、厚度為1 mm、損耗角為0.000 9的介質(zhì),設(shè)計一個工作在5G的天線陣列。

        2 微帶輻射貼片尺寸估算

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

        考慮到邊緣縮短效應(yīng)后,實際上的輻射單元長度L應(yīng)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(shè)饋電點距離上寬邊的偏移量為dx,經(jīng)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(jīng)過仿真優(yōu)化后貼片尺寸變?yōu)長=19 mm,W=23.72 mm。仿真結(jié)果圖如圖2、圖3所示。

        圖2 S11參數(shù)

        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(shè)計

        設(shè)計饋電網(wǎng)絡(luò)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(shù)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(shù)

        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(shù)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(shù)

        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(jié)

        本文提出的方案具有如下優(yōu)點:設(shè)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(fā)的天線其創(chuàng)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(xiàn)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(fā)展趨勢,傳統(tǒng)天線遇到了瓶頸,采用我們的設(shè)計方案,提升了天線性能,同時減少了調(diào)試周期。

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