王再躍 汪建安 苑婷婷 楊陽

【摘要】? ? 隨著5G網絡的逐漸商用，許多電子通信產品需要支持5G通信。本文主要是針對窄邊框筆記本和小型化的臺式機產品設計了一款小型化的Sub6G全頻段天線，天線的尺寸為45*10*0.4mm。通過CST仿真軟件對天線進行仿真后進行實物雕刻測試，其性能驗證可以滿足此類電子產品的需求。

【關鍵詞】? ? 5G? ?Sub6G? ? 小型化? ?天線

引言：

國際電信聯(lián)盟（International Telecommunication Union，ITU）自2012起就開始了5G的愿景、技術趨勢以及應用需求等研究并在2015年發(fā)布了IMT-2020計劃[1]，因此近幾年運營商、設備商以及相關科研人員也都致力于5G網絡的標準制定、網絡部署、技術優(yōu)化等相關工作，這也使得5G技術迅猛發(fā)展。目前5G網絡已經開始商用，覆蓋面積也越來越廣，這也要求越來越多的電子通信產品需要支持5G的功能，然而任何一款5G產品的通信都離不開天線的支持，天線是實現(xiàn)無線數據收發(fā)的關鍵組件之一。根據3GPP規(guī)定，5G網絡的頻段可劃分為FR1和FR2，其中FR1是指410MHz-7125MHz，F(xiàn)R2是指24.25GHz-52.6GHz[2]。目前在手機、電腦等常用的電子設備中的5G模組所支持的頻段一般是6GHz以下（通常稱為Sub6G）和24GHz-40GHz的毫米波頻段，如高通公司的5G X55芯片[3]。此外，現(xiàn)階段手機、電腦等電子設備中的毫米波天線多以模塊集成的形式為主，具有集成度高、可設計性低的特點，因此本文重點在于探討靈活性高、可設計性強的Sub6G天線。

隨著科技的發(fā)展，電子產品要求的功能越來越多，而尺寸在不斷的輕薄化和小型化，且很多產品都是全金屬的環(huán)境，對天線來說其凈空區(qū)域就越來越有限，這就要求天線本身進行小型化設計。因此小型化天線也是天線領域近年來研究的重點和熱點，其中文獻《應用于4G通信的LTE筆記本內置天線的設計》[4]，提出的小型化天線設計尺寸為76*13*0.4mm。文獻《小型化與寬頻化筆記本內置天線設計》[5]中，提出了一款LTE/WWAN天線設計，尺寸為14*70*0.8mm，而在文獻《小型化內置多頻段LTE天線的研究與設計》[6]中提出了一款更小的多頻段LTE天線設計方案，尺寸僅為50*15*1mm。本文在眾多優(yōu)化設計的基礎上，針對有更寬頻段要求的SubG設計了一款尺寸為45*10*0.4mm的小型化天線。

一、小型化天線設計

面對5G sub6G頻段范圍從617MHz到6GHz的覆蓋要求，本文所設計的天線就需要在小型化的基礎上進行多頻段覆蓋，同時也滿足低頻段從617MHz到960MHz以及高頻段3.3GHz到6GHz的寬帶要求。對于手機和筆記本產品中常用的PIFA天線來說，小型化天線設計的關鍵技術有小型化技術、多頻段技術以及寬帶技術[5-8]。其中，小型化技術有曲流技術、加載技術、采用高介電材料基板等。多頻段和寬帶之間通常是相通的，對應的技術主要有在輻射單元或者地板開槽線、多枝節(jié)技術、可重構技術以及增加阻抗匹配網絡等。

基于以上關鍵技術，本文提出了一種覆蓋sub6G全頻段的天線，可以支持的頻段范圍有：617-698MHz、704-960MGHz、1710-2690MHz，3300-5000MHz，5150-5925MHz，其尺寸為45mm*10mm*0.4mm。天線的結構圖如圖1所示，天線采用常用的FR-4材料作為基板，厚度為0.4mm，接地板的尺寸為300mm*200mm，天線各枝節(jié)尺寸如表1所示。

此Sub6G天線包括了輻射反饋枝節(jié)、接地枝節(jié)、寄生枝節(jié)以及負載匹配部分。其中，PIFA天線主體長枝節(jié)部分用于諧振出低頻617MHz-960MHz的電磁波，PIFA的短枝節(jié)部分采用了曲流技術一方面用于低頻段的阻抗匹配，另一方面在曲流縫隙處又可以耦合形成5.15GHz附近的諧振頻率。L2和W2形成了一個寄生的Loop天線，相對于傳統(tǒng)單頻點的單枝節(jié)寄生天線而言，該天線利用Loop天線的倍頻作用諧振出不同的頻點。該Loop天線本身諧振點在4.4GHz附近，其與上方的PIFA天線長枝節(jié)之間產生耦合作用，耦合諧振在900MHz附近，同時經過二倍頻又形成1.7GHz頻段的電磁波。L5和W7形成的枝節(jié)是PIFA天線主體上加載的一個短枝節(jié)，諧振頻點在4.2GHz附近。最后，由于天線整體性能偏感性，而實際需要天線匹配在50歐姆，所以在C1區(qū)域加載了集總元件2.5pF的電容，使得容性和感性綜合達到匹配的效果。整個天線的設計是以PIFA天線為主體，通過加載集總元件、曲流技術、縫隙耦合等設計，使得天線在較小的尺寸下可以覆蓋較寬的頻段。

二、 仿真結果分析

天線設計調試所使用的仿真軟件是達索系統(tǒng)的三維電磁場仿真軟件CST。CST工作室套裝[9]是以精度、速度和精確度為核心概念的一款用于設計、模擬和優(yōu)化電磁系統(tǒng)的完備工具。CST中有多個工作室子軟件，本文中天線仿真主要應用的是微波工作室，可以用于所有頻段的電磁仿真。通過CST軟件建立仿真模型，仿真完成后可以獲得該天線的表面電流分布，S11參數以及天線的效率。其中不同頻點的電流分布如圖2-5所示，S11以及天線效率如圖6，7所示。

天線小型化的實質就是在小尺寸的情況下覆蓋較低的頻段，對于PIFA類的天線來說，天線的走線尺寸是與波長成正比與頻率成反比的，因此頻率越低天線需要的尺寸越大，本文在PIFA的枝節(jié)處采用了曲流技術來拓展低頻的頻段，從圖2的表面電流分布可以看出，PIFA的曲流枝節(jié)在650MHz諧振點起了很大的作用。同樣從圖4也可以看出，寄生Loop天線與主天線枝節(jié)之間是有耦合作用的，通過微帶線的耦合拓展了天線的帶寬。一般來說，耦合間距的大小對天線的諧振頻點以及性能的影響非常大，經過多次仿真，將本方案中的耦合間距分別設置為1mm和1.5mm。因此從表面電流的仿真結果來看，天線不同頻點的諧振位置與我們的設計是相吻合的。從圖6中的S11參數示意圖中可以看到天線在低頻、中頻以及高頻都有多個諧振點，同時天線的效率都在-5.5dB以上。綜合來看，本天線設計也能滿足筆記本電腦以及小型臺式機等電子產品的性能需求。

三、 實測結果分析

在仿真結果滿足天線的設計指標的基礎上進一步將設計的天線進行雕刻加工，并在天線暗室進行無源測試，天線的實物圖如圖8所示。實物天線采用0.4mm厚度的PCB板，饋線使用1.13mm線徑的同軸線，接地板為尺寸300*200mm的銅板。圖9為天線在矢量網絡分析儀上測量得到的S11參數值，其整體趨勢與仿真結果一致，但由于測量誤差以及外界設備環(huán)境影響等因素，會與仿真結果有偏差。通過實物的測試發(fā)現(xiàn)，天線在高頻段還存在帶寬較窄的情況，而Sub6G要求的中高頻段的帶寬覆蓋非常寬，從圖10的天線效率可以看到在測試多個頻點的效率時會有些頻點的效率在-6dB左右，但是整體的效率都在-5dB以上，這也與我們仿真的結果相近。針對一些對天線尺寸要求比較高，沒有足夠的凈空區(qū)域的電子產品而言，本文所設計的天線是可以滿足其要求的。

四、 結束語

本文提出了一種小型化的Sub6G Hz全頻段的天線設計，一是采用了寄生天線技術結合Loop天線的倍頻作用使得天線可以諧振在不同的頻點，二是利用的縫隙耦合技術，仿真優(yōu)化得到最佳的耦合間距，對中頻段的帶寬拓展有很大的幫助，三是在恰當的位置使用了曲流技術，使得天線的尺寸進一步小型化。這些技術的有效結合使得天線在45*10*0.4mm的尺寸下既可以保證天線的效率還具有良好的穩(wěn)定性。本方案是在小型化產品的基礎上研發(fā)的一款天線，但不局限于小型化產品，任何5G產品中需要滿足Sub6G全頻段以及小尺寸要求的情況下，都可以使用該天線。

參? 考? 文? 獻

[1] ITU-R.ITU Towards “IMT for 2020 and Beyond”[S].2015

[2] 3GPP TS 38.521-1 NR;User Equipment （UE） conformance specification;Radio transmission and reception;Part 1： Range 1 Standalone（Release 16）[S].2019.

[3] https：//www.qualcomm.com/products/5g.

[4]朱賢濱，孫玉發(fā).應用于4G通信的LTE筆記本內置天線的設計 [J]. 中國科學技術大學學報，2014年4月，第4期，第44卷。

[5]張賽，小型化與寬頻化筆記本內置天線設計[D]：[碩士學位論文]. 安徽大學，電子與通信工程，2014年4月

[6]謝杰亮，小型化內置多頻段LTE天線的研究與設計[D]：[碩士學位論文].華東交通大學，信息與通信工程， 2015年。

[7]劉會美，手機天線的小型化與多頻段設計[D]：[碩士學位論文]. 西安電子科技大學，電子與通信工程，2018年6月

[8]丁偉，基于寬帶小型化的多頻PIFA天線研究[D]：[碩士學位論文].安徽建筑大學，節(jié)能工程與樓宇智能化，2018年4月

[9] https：//www.3ds.com/zh/