一款5G微带天线的设计

1 引言

从上世纪80年代起，数字移动通信开始得到迅速发展，最突出的表现就是以GSM/CDMA技术为代表的2G移动通信的大规模商用，这是数字移动通信的起点。经过几十年的发展，移动通信已经从2G、3G走到4G再到未来的5G时代。移动通信技术的发展催生了手机的不断发展，与之配套的手机天线也经历了从无到有，从外置到内置的转变。早期的手机天线受制于当时技术和工艺上的限制，基本上都采用外置天线的方式，不仅成本高，易损坏，而且影响整机的美观。从2003年开始，一些国外的天线厂开始尝试将手机天线设计成内置的形式，从而催生了天线行业的一次变革。内置天线也从PCB板、不锈钢片、FPC、LDS等新型材料和工艺方式的应用中不断前进发展。5G网络是一个密集分布基站网络，基站分布密度比前几代移动系统都高。

其中，基站移动终端之间采用毫米波频段通讯，基站天线系统采用相控阵天线体制。波束在垂直和水平两个方向交叉极化，以实现更高的用户密度和增加系统用户容量。5G终端具备自选基站能力，可以根据基站误码率挑选误码率低的基站和信道通讯。实现以上这些功能，依赖阵列天线技术，基站和终端都用到了毫米波相控阵天线。终端天线阵列为N＊N点阵。

5G频率规划由低频段和高频段组成，其中低频段(6 GHz以下)由于良好的传播特性等原因仍然是5G系统的核心频段，重点解决5G无处不在的用户体验，以及物联网、车联网等应用场景的需求;高频段(6 GHz以上)是5G重要补充频段，主要用于满足5G增强的移动宽带业务等需求。全球一致性是当前各个国家和地区选取5G待研究频段的普遍考虑与未来5G频率规划的重要依据，也将是5G标准全球化的重要前提。ITU预计到2020年将会有多达880 MHz频谱的缺口，在全球已经发放的TDD牌照中，基于3.5 GHz频段(3.4～3.8 GHz)的超过50%。3.5 GHz可提供多达400 MHz频谱。随着WRC-15的进一步推动，甚至能够释放出另外的400 MHz频谱(3.8～4.2 GHz)。未来潜在候选频段主要也包括3 300～3 400 MHz、4 400～4 500 MHz、4 800～4 990 MHz以及5 100～5 600 MHz 等。作为5G核心技术的大规模MM0技术，其基本特征是在基站侧配置数量众多的天线阵列(从几十至几百)，利用空分多址(SDMA)原理，同时服务多个用户。由于大规模天线阵列带来的巨大阵列增益和干扰抑制增益，使得频谱效率得到了极大的提升。

本文阐述一款5G微带天线的设计过程与步骤，具体要求：利用介质常数为2.2、厚度为1 mm、损耗角为0.000 9的介质，设计一个工作在5G的天线阵列。

2 微带辐射贴片尺寸估算

设计微带天线的第一步是选择合适的介质基板，假设介质的介电常数为，对于工作频率f的矩形微带天线，可以用下式设计出高效率辐射贴片的宽度W，即为：

考虑到边缘缩短效应后，实际上的辐射单元长度L应为：

3 单元的仿真

由所给要求以及上述公式计算得辐射贴片的长度L=19.15 mm,W=23.72 mm。采用非辐射边馈电方式，模型如图1所示。

图1 单元模型

此种馈电方式，可以通过移动馈电的位置获得阻抗匹配，设馈电点距离上宽边的偏移量为dx,经仿真得到当dx=4 mm时，阻抗匹配最好。另外，之前计算出的尺寸得到的谐振点略有偏移，经过仿真优化后贴片尺寸变为L=19 mm,W=23.72 mm。仿真结果图如图2、图3所示。

图2 S11参数

图3 增益图

从图中可以看出谐振点为5 GHz，计算的相对带宽为2.2%，增益为5.78 dB。

4 2×2阵列设计

设计馈电网络并组阵，模型图如图4所示。

图4 2×2微带天线阵列

如图5所示，由S11参数可以看到2×2阵列天线谐振点为5 GHz，且此时的S11=-19 dB，说明反射损耗小，匹配良好。相对带宽约为2.8%。

图5 S11参数

由图6方向图可以看出2×2阵列天线的增益为13.96 dB,第一副瓣电平为-10.6 dB，可知组阵能使天线的增益变高。

5 4×4阵列天线

天线阵列如图7所示。

图6 方向图

图7 4×4阵列天线

由图8的S11参数图可以看到谐振点在5 GHz，反射损耗较小，带宽约为2%。由图9的方向图可以看到增益约为19.96 dB，第一副瓣电平为-11.79 dB。

图8 S11参数

图9 方向图

端口2天线方向图如图18所示。

图18 端口2的天线方向图

端口1的天线增益和垂直面波瓣宽度如图19和图20所示。

图19 端口1的天线增益指标

图20 端口1的天线波瓣宽度指标

端口2的天线增益和垂直面波瓣宽度如图21和图22所示。

图21 端口2的天线增益指标

图22 端口2的天线波瓣宽度指标

7 总结

本文提出的方案具有如下优点：设计难度低、制造成本低、可用性强，同时可以获得较宽天线带宽的特点。

相比普通天线，本项目所研发的天线其创新点在于：

第一，用于5G通信；

第二，带宽宽：天线可以覆盖从5 000 MHz～6 000 MHz的超宽频段；

第三，实现了多单元阵列天线的方向图和增益叠加和双极化；

第四，有效减小天线的体积。

面对轻薄化、金属化、多制式的智能化发展趋势，传统天线遇到了瓶颈，采用我们的设计方案，提升了天线性能，同时减少了调试周期。