一种新型共口径宽频比双频天线的方案研究

方华晨

（西安电子科技大学，西安 100053）

随着无线网络通讯的发展，未来十年无线网络数据将会出现大规模地增长，大量学者开始将研究中心转移到下一代无线网络通讯，即5G 通讯上。5G 通讯主要包括两个相关频段：sub-6 GHz 与毫米波频段。由于发展速度较快，sub-6 GHz 的可用频段大大减少，于是限制了数据传输的能力。而毫米波频段有大量的频谱资源来实现数据的快速传输。因此，设计出可以同时工作在sub-6 GHz 和毫米波频段的终端天线就成为未来研究的重点之一。由于尺寸的限制，新型双频天线需要较高的尺寸利用率使之可以同时工作在sub-6 GHz 和毫米波频段。除此以外，高频和低频谐振频率的比值越高，高低频谐振波长相差越大，二者尺寸差异越大，双频天线越难设计，对于拓扑结构的天线，高低频率比值通常小于3，如文献[1-6]。所以双频天线的设计需要采取巧妙的结构，使双频天线实现宽频比。

1 高频天线的设计

1.1 微带三次模天线的设计

谐振频率24 GHz 的微带天线辐射单元尺寸远小于谐振频率5.2 GHz 的微带天线，高低频尺寸相差过大，会给低频部分的设计带来挑战。故使高频单元工作在3 次模，增大高频尺寸，解决了由于高低频天线尺寸差异过大带来的影响。微带三次模天线的辐射单元应为长条状，选择辐射单元宽度W 为11.9 mm，长度L 为7 mm。为了更好地激励三次模，将馈电点在y 轴方向上进行一点偏移，可以更好的观察到TM03 模。

为改善高频天线阻抗匹配情况，对偏移量Yp，Xp进行优化。分别保持Xp和Yp的值不变，将Yp的值从0.8 mm 增大到1.2 mm，Xp的值从1.9 mm增加到2.2 mm，当Yp=1 mm，Xp=2.1 mm 时谐振情况最好，中心谐振频率为24 GHz，带宽为4%（23.5 ～24.4 GHz）。

1.2 微带网格天线的设计

得到微带三次模天线的带宽仅为5%，为提升高频天线带宽，将高频部分换成如图1 所示的微带网格天线。微带网格天线沿x方向的孔数为Nx，沿y方向的孔数为Ny，网孔沿x方向每条边为dl，沿y方向每条边长为dw，网格线宽为c，辐射单元所占面积可由给出[7]。对于微带网格天线来说，天线的带宽随着矩形孔尺寸的增大和网格线宽度的减小而增大，即网格天线辐射单元所占比越低，带宽越大。

图1 微带网格天线Fig.1 Micro-strip grid antenna

微带网格天线的谐振频率与微带天线相比会随着辐射单元所占比的减小而减小。同样的中心谐振频率，微带网格天线的尺寸比微带天线更小。为了将微带网格天线的中心谐振频率调节为24 GHz，应减小网格的尺寸，最终取网格宽为11.7 mm，网格长为6.8 mm。

网格天线的输入阻抗比微带天线更高，因此馈电点的位置应更加靠近中心。由于网格微带天线存在大量的空隙，对馈电点的位置存在很大的限制。当Nx=5，Ny=5 时，网格宽度dw，网格长度dl和网格线宽c之间应满足下式：

可以得到一组数据dl=0.64 mm，c=0.6 mm，dw=1.62 mm。此时Yp=1 mm，馈电线位于一条沿L方向的网格线上，可随意调节馈电点在x方向的偏移量Xp，馈电位置不会正对着网孔。

为改善匹配情况，对馈电点x方向的偏移量Xp进行优化，取Xp的值为1.8 ～2.4 mm，当Xp为2.5 mm 时，匹配情况最好。最终的谐振情况如图2 所示，中心谐振频率24.2 GHz。带宽为5.4%（23.6 ～24.9 GHz）。相比于微带天线来说，带宽增加1.4%（400 MHz），实现了带宽的扩展。最终高频天线的尺寸如表1 所示。高频部分的辐射方向图如图3 所示。

图2 Xp=2.5 mm时的谐振情况Fig.2 Resonance in Xp=2.5 mm

表1 高频天线几何参数Tab.1 Geometrical parameters of high-frequency antenna mm

图3 天线辐射方向图Fig.3 Diagram of antenna radiation pattern

2 低频天线的设计

2.1 基本天线结构

低频结构如图4 所示，辐射单元由4×4 个矩形贴片组成。矩形单元搭建在相对介电常数为 εr1，厚度为h1的介质层上。每个矩形单元的长为L，宽为W，辐射单元均匀地分布在x 方向与y 方向上，两个相邻单元的间隔为g。采用缝隙馈电，由开在地板中心的微带耦合缝隙馈电，馈电结构建立在相对介电常数εr2的介质层上，厚度h2。馈电缝隙沿y轴分布，长为ls，宽为ws，馈电介质层在地板下方，50 Ω 微带馈电线在馈电介质层的下方，宽为wm。在微带馈电线的尾端加上长为lm的匹配枝节，以满足阻抗匹配，lm的大小约为对应中心谐振波长的四分之一。这种微带结构天线的谐振长度仅与垂直于缝隙方向辐射单元的长度有关，沿缝隙方向上辐射单元的长度对谐振长度的影响很小[8]。对于缝隙馈电来说，需要调节缝隙与馈电线尺寸以改善阻抗匹配的情况。主要影响匹配的参数有缝隙的长度ls，缝隙宽度ws和匹配枝节长度lm。

为实现共口径工作，低频介质层厚度应与高频介质层厚度一致。此时低频介质层厚度远小于辐射单元的尺寸，会影响天线辐射特性，天线的谐振与辐射会受到严重的损耗。为改善天线谐振情况，将缝隙扩大到31.5 mm，大小约为（其中 λL为低频波长， fL为低频谐振频率），从而引入了缝隙模式，下半部分可以看作微带窄缝天线，可以通过缝隙将能量辐射出去，增大了低频部分的辐射效率。

2.2 缝隙模式与贴片模式的结合

图4 新型低剖面微带天线结构图Fig.4 Structure diagram of novel low profile micro-strip antenna

扩大缝隙后，对于上文提到的微带结构而言，导致阻抗失配，可以通过调整ws，lm，wm来改善阻抗匹配的情况，调节后的尺寸为ws=3 mm，wm=3 mm，lm=12 mm。得到的S11 参数图如图5 所示，中心谐振频率为5.2 GHz，带宽为7.8%(4.97 ～5.38 GHz)。中心谐振频率上最高增益为4.22 dB。辐射方向图的仿真结果如图6 所示，从辐射方向图可以看出，天线辐射方向图类似于缝隙天线的形状，但是前向辐射幅度为4.97 dB，后向辐射幅度为-2.15 dB，前向辐射远大于后向辐射，说明天线主要辐射方向在天顶方向，进而证明低频天线主要工作在缝隙模式，贴片模式起辅助作用。低频天线的所有尺寸如表2 所示。

图5 低频天线反射系数仿真结果图Fig.5 Diagram for the simulated results of

图6 辐射方向图Fig.6 Radiation pattern diagram

表2 低频天线几何参数Tab.2 Geometrical parameters of high-frequency antenna mm

3 双频天线的设计

3.1 高频天线与低频天线的结合

为使天线同时工作在5.2 GHz 和24 GHz，将低频部分的外层辐射单元替换成上文提到的微带网格三次模天线，实现了双频工作，高频与低频谐振频率之比为4.6，满足宽频比的要求。

高频辐射单元与低频辐射单元垂直于缝隙方向的尺寸相同，因此x方向辐射单元个数为4。由于沿缝隙方向不是谐振方向，沿缝隙方向的尺寸对低频辐射影响不大，为减小天线尺寸与高频辐射单元个数，y方向辐射单元个数为6。双频天线最终如图7 所示（图中数字代表端口标号）。参考地上的缝隙会影响高频的辐射和性能，因此高频部分的馈电应该避开低频部分的空隙，仅将外层辐射单元设置为高频辐射单元，内层辐射单元选用矩形贴片。

图7 双频天线结构示意图Fig.7 Schematic diagram for the structure of dual-band antenna

辐射单元的间距g会同时影响高频与低频的辐射，若g过小，高频辐射单元对相邻辐射单元的辐射产生影响，影响高频部分的性能。若g过大，低频部分几个辐射单元之间的耦合减小，会影响低频的性能。综合以上两个条件，辐射单元间隔g最终选为1.2 mm，满足低频与高频的要求。天线的最终尺寸如表3 所示。

表3 双频天线几何参数Tab.3 Geometrical parameters of dual-band antenna mm

3.2 仿真结果

3.2.1 反射系数

用仿真软件HFSS 搭建上述模型，得到相应的仿真结果。低频部分反射系数的仿真结果图如图8所示，中心谐振频率为5.2 GHz，带宽为7.5%(5.0～5.39 GHz)。中心谐振频率上的最高增益为4.27 dB，阻抗带宽内增益均高于4 dB。与低频部分独立的仿真相比，中心谐振频率没有出现偏差，说明网格结构对低频辐射的谐振频率没有影响。阻抗带宽减小0.3%（0.02 GHz），误差在可接受范围内。

高频的反射系数仿真结果如图9 所示，误差在可接受范围内。从自反射系数的结果图可以看出，与单独的高频天线相比，偏差较大的是辐射单元2，8，9，10，11，12 和17。说明两侧不对称的相邻辐射单元和上下的相邻辐射单元对中心位置的辐射单元反射系数影响较大。

3.2.2 辐射特性

在低频5.2 GHz 左右，仿真的辐射结果如图10 所示。最大辐射方向在天顶方向，幅度为4.59 dB，后项辐射的幅度为-1.14 dB。上方的辐射强度远大于下方，说明低频部分是贴片模式和缝隙模式同时工作，缝隙模式占主要模式，而贴片模式起辅助作用。贴片模式辐射效率低是由于介质层厚度过小所带来的影响，仿真结果与单独低频部分的结果相似，误差在可接受范围内。

图8 低频部分反射系数仿真结果图Fig.8 Diagram for the simulated results of reflection coefficient of low-frequency parts

图9 高频部分反射系数仿真结果图Fig.9 Diagram for the simulated results of reflection coefficient of high-frequency parts

在高频24 GHz 左右，16 个辐射单元作为整体的辐射结果如图11 所示。可以看出，高频的辐射方向图在x 方向上有7 个波瓣，辐射强度分别为-1.41 dB，5.70 dB，8.21 dB，17.32 dB，5.47 dB，-0.13 dB，-1.88 dB。在y 方向上有7 个波瓣，辐射强度 分 别 为14.83 dB，11.63 dB，9.37 dB，17.32 dB，11.14 dB，7.65 dB，15.06 dB。最大辐射方向在天顶方向，辐射强度为17.32 dB。

图10 低频部分辐射方向图Fig.10 Diagram for the radiation pattern of low-frequency parts

图11 高频部分辐射方向图Fig.11 Diagram for the radiation pattern of high-frequency parts

4 结束语

通过引入微带三次模天线，减小了高频天线与低频天线尺寸的差异实现了宽频比。高频辐射单元和低频辐射单元在同一口径面上，将二者结合起来，实现了结构复用，减小了双频天线的尺寸，并通过引入缝隙模式解决了介质层厚度的影响。将高频辐射单元设计成网格的形式，使得高频部分带宽增加400 MHz。高频部分带宽均在0.9 GHz 左右，最低带宽为0.8 GHz，最高带宽为1.06 GHz，最高增益4.27 dB；低频部分带宽为7.5%，最高增益35.56 dB。该双频天线可同时工作在sub-6 GHz频段和毫米波频段，为5G 通讯提供了新的可能。