一種基于IMT的寬頻帶微帶縫隙天線

杜宜霖 李子恒 莊華偉

摘要：基于對IMT新頻段的研究，本文提出了一種中心頻率位于6.7GHz，可工作于6.4GHz-7.1GHz的寬頻帶微帶縫隙天線，該天線既擁有傳統(tǒng)微帶天線的易于制造，重量輕、剖面低、成本低的特點，又具有現(xiàn)代移動通信所要求的高增益、寬頻帶特點。文中給出了具體的設(shè)計步驟，設(shè)計尺寸以及回波損耗系數(shù)等參數(shù)，并分析了各個參數(shù)對天線性能的影響，同時對設(shè)計天線進行了仿真和實測，兩者結(jié)果吻合較好。

關(guān)鍵詞：微帶天線;縫隙天線;IMT;天線設(shè)計

一、引言

目前我國頻譜資源稀缺，位于中低頻段的應(yīng)用十分密集，而高頻段的應(yīng)用則有待開發(fā)。在去年的IMT（International Mobile Telecommunications）“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”高峰論壇上，工信部提出將6 GHz-7 GHz頻段納入5G毫米波的考慮范圍。雖然目前毫米波的應(yīng)用仍然面臨著諸多挑戰(zhàn)，例如沒有大容量的剛性需求、傳輸損耗大，吞吐量不穩(wěn)定等，但WRC-19大會仍決定將6 GHz（6425-7125 MHz）頻段新增為IMT使用標(biāo)注列入WRC-23議題，所以該頻段天線的研究對現(xiàn)在和未來通信設(shè)備工作有著重要意義。

微帶天線是一種諧振天線，其最突出的特點就是工作頻帶窄，相對帶寬一般約為2%-5%，而較窄的頻帶使其在實際應(yīng)用中受到了很大程度的限制，應(yīng)用場景也十分有限。為了增加微帶天線的頻帶寬度，常用的方法就是降低諧振電路的品質(zhì)因數(shù)Q值，目前主流的方法就是增加介質(zhì)基板厚度、降低介質(zhì)基板的介電常數(shù)值或者增加寄生貼片等方法。本文所選取的方法是將利用縫隙產(chǎn)生兩個諧振點，并使兩個諧振點工作在相近的頻率，從而達到拓寬工作帶寬，進一步通過優(yōu)化天線結(jié)構(gòu)，以達到擴大其應(yīng)用場景的目的。

二、天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

該天線是在介質(zhì)基板上由一個帶有X型縫隙的輻射單元和饋電線組成的矩形微帶天線。介質(zhì)基板的厚度為ts，輻射單元和饋線的厚度為tm。貼片天線的輻射波瓣較寬，但是天線的頻帶帶寬近似與介質(zhì)基板的厚度ts成正比。為了提升天線的性能，我們在天線中央刻蝕縫隙來優(yōu)化天線性能。若是在無限大的平面上建立一個長度為λ/2的縫隙，取o為縫隙中心并定義x與y軸為平面軸，z軸為鉛垂軸，θ為z軸指向y軸的角度，φ為x軸指向y軸的角度。則水平縫隙在水平面方向處處輻射垂直極化波，且電場只有一個分量Eφ。

（1）

Eφ是一個常量，但在有限尺寸的輻射單元上，其兩側(cè)表面的電流會因為在xz平面上等幅反向而相互抵消，所以輻射單元所在平面的所有方向上的輻射都為零。根據(jù)公式可以得計算出沿φ方向的遠場點的相對場強為：

（2）

（3）

為了在6GHz-7GHZ頻段實現(xiàn)高帶寬的性能，設(shè)計思路是在矩形微帶天線中央開了一個對稱結(jié)構(gòu)的“X”形縫隙，兩個縫隙分別呈+45°和-45°，如下圖所示：

本文提出的天線是矩形窄縫隙微帶天線的改進版，在介質(zhì)基板的面積不變的情況下使用“X”形縫隙所獲得的實際耦合面積比普通的矩形縫隙更大;同時采用單端邊緣饋電方式。

采用CST仿真可以看到天線的表面電流分布圖。由圖2可以看出，天線在加裝縫隙之前電流集中分布在+x方向，導(dǎo)致電流激發(fā)的磁場集中在該方向，不符合本天線設(shè)計的應(yīng)用場景。

通過加裝補充縫隙來完善天線的方向性，首先在“X”縫隙的-x方向端的加裝半圓形補充縫隙，可以看出電流分布有一定改善。后續(xù)采用對稱結(jié)構(gòu)完善該天線，在“X”形縫隙的四個端都加裝半圓形縫隙天線。加裝補充縫隙后如圖3所示。

由圖2（右）可以看出加裝補充縫隙后“X”型天線的四個端都有強電流分布，說明在6.7 GHz時該天線的諧振由這四個端的強電流激發(fā)。

由圖4可以看出，改裝后的天線有兩個諧振點，分別為6.746 GHz和6.915 GHz，在這兩個諧振點的回波損耗約為-30dB左右，優(yōu)于改裝前的天線。同時加裝半圓形補充縫隙時該天線獲得了9.7%的頻帶帶寬。

在天線具體尺寸方面微帶天線的長設(shè)定為patch_l，寬設(shè)定為patch_w;縫隙寬度和長度分別用gap_x1、gap_y1、gap_x2、gap_y2來定義，半圓形的補充縫隙半徑為R。介質(zhì)基板采用Rogers RT5880材料制作，介電常數(shù)為2.2，厚度為1.8mm，饋線與貼片天線直接相連。通過計算和優(yōu)化得到：

有效介電常數(shù)

（4）

波長

（5）

輻射單元寬度滿足

（6）

（7）

輻射單元的長度滿足

（8）

設(shè)輻射單元的中心為[0，0]點即（）：

（9）

其中? ? ? （10）

根據(jù)頻帶寬度的經(jīng)驗公式：

頻帶寬度=? （11）

不難看出，頻帶寬度其實是介質(zhì)厚度ts的線性函數(shù)。但是在實際情況中，ts厚度的增加會導(dǎo)致較大的表面波（類似于趨膚效應(yīng)）和寄生輻射，導(dǎo)致天線的定向性下降。

三、CST仿真優(yōu)化設(shè)計

我們利用CST對該天線進行仿真模擬，取patch_l=43.092mm、patch_w=40m、gap_x1=gap_x2=18mm、gap_y1=gap_y2=5mm。如圖5為天線的S參數(shù)，我們可以很清楚地看到該天線有兩個諧振點，分別位于6.75GHz和6.9GHz，兩個相對緊湊的諧振點可以保證工作頻帶的連續(xù)性，故研究各個參數(shù)對天線諧振點變化和回波損耗系數(shù)的影響極為重要。

本文的仿真優(yōu)化設(shè)計主要有縫隙頂端半圓尺R以及矩形縫隙長度gap_x，gap_y。

（一）半圓縫隙半徑R對天線性能的影響

圖6為當(dāng)其他參數(shù)固定時，半徑R取不同的值時回波損耗的變化，可以得出回波損耗特性對于半圓補充隙的半徑較為敏感。對R進行優(yōu)化設(shè)計，通過計算我們得知R的范圍大致在3.1mm-3.3mm的范圍內(nèi)，于是對此區(qū)域設(shè)置的一系列R值進行仿真，通過仿真我們可以看到在R在大于3.2mm后性能會急劇惡化，即回波損耗系數(shù)會變大且?guī)捊档停⑶抑C振點也會右移。又通過對R=3.1mm及R=3.2mm的對比我們可以發(fā)現(xiàn)雖然在R=3.1mm時天線的諧振點較低，即在諧振點獲得了較好的回波損耗系數(shù)，但由于曲線在6.5GHz-6.7GHz時曲線下降太慢，故其造成了在天線帶寬上的部分位置工作狀況不佳的情況，所以綜合以上情況考慮，我們選擇了R=3.2mm作為半圓縫隙的半徑最終取值。

從圖中我們可以看出兩個諧振點的回波損耗系數(shù)皆在-30dB左右，小于-10dB的帶寬為6.4GHz-7.05GHz，絕對帶寬為0.65GHz，由此可算出相對帶寬為（0.65GHz/6.7GHz）=9.7%，相較于傳統(tǒng)微帶天線的2%-5%的相對帶寬，此天線的設(shè)計達到了展寬帶寬的目的。

（二）gap_x對天線性能的影響

對gap_x進行優(yōu)化設(shè)計，通過計算我們得知gap_x的范圍大致在3.1 mm～3.3 mm的范圍內(nèi)，于是對此區(qū)域設(shè)置的一系列g(shù)ap_x值進行仿真。通過仿真我們可以觀察到，改變gap_x的值會引起回波損耗曲線中兩個諧振點的不均勻變化，并且會使諧振點發(fā)生略微的偏移。綜合考慮，當(dāng)gap_x=17.7mm時，兩個諧振頻率點的回波損耗系數(shù)均較低，且?guī)捯脖３衷谝粋€相對較寬的程度，因此認(rèn)為此時天線的性能最佳。

（三）gap_y對天線性能的影響

對gap_y設(shè)置梯度并進行仿真后，我們可以看到gap_y同樣對天線的諧振頻率和回波損耗系數(shù)有著明顯影響，當(dāng)gap_y的值偏離最佳值5mm時我們可以發(fā)現(xiàn)其不管是在回波損耗系數(shù)還是工作頻帶上都有明顯惡化與偏移，且兩個諧振點對應(yīng)頻率相互遠離，使得在同一個頻帶不能形成兩個諧振頻率較近的頻點，故天線的性能會急劇惡化。所以，應(yīng)當(dāng)讓天線的兩個諧振頻率工作在相對較近的頻點，這樣才能保證天線的性能。

四、天線性能分析

（一）天線的輻射方向圖

圖9、圖10給出了此天線在頻率為6.746GHz上的歸一化輻射方向圖，可以看到其有兩個增益峰值分別位于兩側(cè)的34°位置上且達到了為 6.64dBi。

（二）天線的回波損耗系數(shù)

通過對天線參數(shù)的精心設(shè)計和不斷的優(yōu)化。本次設(shè)計的寬頻帶微帶縫隙天線的最終回波損耗系數(shù)如圖5所示，可以看到其諧振點在6.75GHz和6.92GHz附近，天線的-10dB帶寬達到了0.65GHz，基本滿足了現(xiàn)代移動通信對寬帶寬的要求。

五、結(jié)束語

本文提出了一種基于IMT 新頻段的微帶縫隙天線，并基于CST軟件進行了多次仿真分析，其與傳統(tǒng)微帶天線相比性能有了很大的提升，解決了傳統(tǒng)微帶天線工作帶寬偏低的問題，擴展了其應(yīng)用范圍。對于正在研究且即將被應(yīng)用的IMT新頻段，此天線也可以很好地滿足各種設(shè)備的需求。另外經(jīng)過理論分析驗證，此天線也可以通過使用雙饋形式實現(xiàn)雙極化或者圓極化，這對其形成天線陣列后的進一步廣泛應(yīng)用是十分有利的，因此其雙極化和圓極化特性和應(yīng)用也將是一個值得研究的方向。

作者單位：杜宜霖? ?李子恒? ?莊華偉? ? 山東建筑大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院

參? 考? 文? 獻

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