一种基于5G Sub6G的小型化天线设计

王再跃 汪建安 苑婷婷 杨阳

【摘要】    随着5G网络的逐渐商用，许多电子通信产品需要支持5G通信。本文主要是针对窄边框笔记本和小型化的台式机产品设计了一款小型化的Sub6G全频段天线，天线的尺寸为45*10*0.4mm。通过CST仿真软件对天线进行仿真后进行实物雕刻测试，其性能验证可以满足此类电子产品的需求。

【关键词】    5G   Sub6G    小型化   天线

引言：

国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）自2012起就开始了5G的愿景、技术趋势以及应用需求等研究并在2015年发布了IMT-2020计划[1]，因此近几年运营商、设备商以及相关科研人员也都致力于5G网络的标准制定、网络部署、技术优化等相关工作，这也使得5G技术迅猛发展。目前5G网络已经开始商用，覆盖面积也越来越广，这也要求越来越多的电子通信产品需要支持5G的功能，然而任何一款5G产品的通信都离不开天线的支持，天线是实现无线数据收发的关键组件之一。根据3GPP规定，5G网络的频段可划分为FR1和FR2，其中FR1是指410MHz-7125MHz，FR2是指24.25GHz-52.6GHz[2]。目前在手機、电脑等常用的电子设备中的5G模组所支持的频段一般是6GHz以下（通常称为Sub6G）和24GHz-40GHz的毫米波频段，如高通公司的5G X55芯片[3]。此外，现阶段手机、电脑等电子设备中的毫米波天线多以模块集成的形式为主，具有集成度高、可设计性低的特点，因此本文重点在于探讨灵活性高、可设计性强的Sub6G天线。

随着科技的发展，电子产品要求的功能越来越多，而尺寸在不断的轻薄化和小型化，且很多产品都是全金属的环境，对天线来说其净空区域就越来越有限，这就要求天线本身进行小型化设计。因此小型化天线也是天线领域近年来研究的重点和热点，其中文献《应用于4G通信的LTE笔记本内置天线的设计》[4]，提出的小型化天线设计尺寸为76*13*0.4mm。文献《小型化与宽频化笔记本内置天线设计》[5]中，提出了一款LTE/WWAN天线设计，尺寸为14*70*0.8mm，而在文献《小型化内置多频段LTE天线的研究与设计》[6]中提出了一款更小的多频段LTE天线设计方案，尺寸仅为50*15*1mm。本文在众多优化设计的基础上，针对有更宽频段要求的SubG设计了一款尺寸为45*10*0.4mm的小型化天线。

一、小型化天线设计

面对5G sub6G频段范围从617MHz到6GHz的覆盖要求，本文所设计的天线就需要在小型化的基础上进行多频段覆盖，同时也满足低频段从617MHz到960MHz以及高频段3.3GHz到6GHz的宽带要求。对于手机和笔记本产品中常用的PIFA天线来说，小型化天线设计的关键技术有小型化技术、多频段技术以及宽带技术[5-8]。其中，小型化技术有曲流技术、加载技术、采用高介电材料基板等。多频段和宽带之间通常是相通的，对应的技术主要有在辐射单元或者地板开槽线、多枝节技术、可重构技术以及增加阻抗匹配网络等。

基于以上关键技术，本文提出了一种覆盖sub6G全频段的天线，可以支持的频段范围有：617-698MHz、704-960MGHz、1710-2690MHz，3300-5000MHz，5150-5925MHz，其尺寸为45mm*10mm*0.4mm。天线的结构图如图1所示，天线采用常用的FR-4材料作为基板，厚度为0.4mm，接地板的尺寸为300mm*200mm，天线各枝节尺寸如表1所示。

此Sub6G天线包括了辐射反馈枝节、接地枝节、寄生枝节以及负载匹配部分。其中，PIFA天线主体长枝节部分用于谐振出低频617MHz-960MHz的电磁波，PIFA的短枝节部分采用了曲流技术一方面用于低频段的阻抗匹配，另一方面在曲流缝隙处又可以耦合形成5.15GHz附近的谐振频率。L2和W2形成了一个寄生的Loop天线，相对于传统单频点的单枝节寄生天线而言，该天线利用Loop天线的倍频作用谐振出不同的频点。该Loop天线本身谐振点在4.4GHz附近，其与上方的PIFA天线长枝节之间产生耦合作用，耦合谐振在900MHz附近，同时经过二倍频又形成1.7GHz频段的电磁波。L5和W7形成的枝节是PIFA天线主体上加载的一个短枝节，谐振频点在4.2GHz附近。最后，由于天线整体性能偏感性，而实际需要天线匹配在50欧姆，所以在C1区域加载了集总元件2.5pF的电容，使得容性和感性综合达到匹配的效果。整个天线的设计是以PIFA天线为主体，通过加载集总元件、曲流技术、缝隙耦合等设计，使得天线在较小的尺寸下可以覆盖较宽的频段。

二、 仿真结果分析

天线设计调试所使用的仿真软件是达索系统的三维电磁场仿真软件CST。CST工作室套装[9]是以精度、速度和精确度为核心概念的一款用于设计、模拟和优化电磁系统的完备工具。CST中有多个工作室子软件，本文中天线仿真主要应用的是微波工作室，可以用于所有频段的电磁仿真。通过CST软件建立仿真模型，仿真完成后可以获得该天线的表面电流分布，S11参数以及天线的效率。其中不同频点的电流分布如图2-5所示，S11以及天线效率如图6，7所示。

天线小型化的实质就是在小尺寸的情况下覆盖较低的频段，对于PIFA类的天线来说，天线的走线尺寸是与波长成正比与频率成反比的，因此频率越低天线需要的尺寸越大，本文在PIFA的枝节处采用了曲流技术来拓展低频的频段，从图2的表面电流分布可以看出，PIFA的曲流枝节在650MHz谐振点起了很大的作用。同样从图4也可以看出，寄生Loop天线与主天线枝节之间是有耦合作用的，通过微带线的耦合拓展了天线的带宽。一般来说，耦合间距的大小对天线的谐振频点以及性能的影响非常大，经过多次仿真，将本方案中的耦合间距分别设置为1mm和1.5mm。因此从表面电流的仿真结果来看，天线不同频点的谐振位置与我们的设计是相吻合的。从图6中的S11参数示意图中可以看到天线在低频、中频以及高频都有多个谐振点，同时天线的效率都在-5.5dB以上。综合来看，本天线设计也能满足笔记本电脑以及小型台式机等电子产品的性能需求。

三、 实测结果分析

在仿真结果满足天线的设计指标的基础上进一步将设计的天线进行雕刻加工，并在天线暗室进行无源测试，天线的实物图如图8所示。实物天线采用0.4mm厚度的PCB板，馈线使用1.13mm线径的同轴线，接地板为尺寸300*200mm的铜板。图9为天线在矢量网络分析仪上测量得到的S11参数值，其整体趋势与仿真结果一致，但由于测量误差以及外界设备环境影响等因素，会与仿真结果有偏差。通过实物的测试发现，天线在高频段还存在带宽较窄的情况，而Sub6G要求的中高频段的带宽覆盖非常宽，从图10的天线效率可以看到在测试多个频点的效率时会有些频点的效率在-6dB左右，但是整体的效率都在-5dB以上，这也与我们仿真的结果相近。针对一些对天线尺寸要求比较高，没有足够的净空区域的电子产品而言，本文所设计的天线是可以满足其要求的。

四、 结束语

本文提出了一种小型化的Sub6G Hz全频段的天线设计，一是采用了寄生天线技术结合Loop天线的倍频作用使得天线可以谐振在不同的频点，二是利用的缝隙耦合技术，仿真优化得到最佳的耦合间距，对中频段的带宽拓展有很大的帮助，三是在恰当的位置使用了曲流技术，使得天线的尺寸进一步小型化。这些技术的有效结合使得天线在45*10*0.4mm的尺寸下既可以保证天线的效率还具有良好的稳定性。本方案是在小型化产品的基础上研发的一款天线，但不局限于小型化产品，任何5G产品中需要满足Sub6G全频段以及小尺寸要求的情况下，都可以使用该天线。

参  考  文  献

[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]朱賢滨，孙玉发.应用于4G通信的LTE笔记本内置天线的设计 [J]. 中国科学技术大学学报，2014年4月，第4期，第44卷。

[5]张赛，小型化与宽频化笔记本内置天线设计[D]：[硕士学位论文]. 安徽大学，电子与通信工程，2014年4月

[6]谢杰亮，小型化内置多频段LTE天线的研究与设计[D]：[硕士学位论文].华东交通大学，信息与通信工程， 2015年。

[7]刘会美，手机天线的小型化与多频段设计[D]：[硕士学位论文]. 西安电子科技大学，电子与通信工程，2018年6月

[8]丁伟，基于宽带小型化的多频PIFA天线研究[D]：[硕士学位论文].安徽建筑大学，节能工程与楼宇智能化，2018年4月

[9] https：//www.3ds.com/zh/