Wi-Fi/5G 雙頻段列車車內(nèi)通信天線設計的研究

賀東海

（中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信有限公司石家莊市分公司，石家莊 050000）

在我國鐵路行業(yè)以及網(wǎng)絡通訊技術的持續(xù)發(fā)展下，對于列車車內(nèi)通信天線也提出了更高的要求。為有效順應時代發(fā)展潮流，滿足我國第五代移動通訊系統(tǒng)的發(fā)展需要，需要積極進行Wi-Fi/5G 雙頻段列車車內(nèi)通信天線設計，從而有效達到提升列車車內(nèi)信息數(shù)據(jù)傳輸速率、優(yōu)化傳輸效果的目的。促進我國鐵路通信事業(yè)的進一步發(fā)展。

1 Wi-Fi/5G 雙頻段列車車內(nèi)通信天線結(jié)構與尺寸計算

通過查閱相關資料可知，采用雙圓環(huán)形結(jié)構的貼片天線作為WiFi/5G 雙頻段列車車內(nèi)通信天線結(jié)構，可以快速、精準地實現(xiàn)天線雙頻段特性，有助于在列車車內(nèi)充分發(fā)揮通信天線的應有效用。因此本文在設計Wi-Fi/5G 雙頻段列車車內(nèi)通信天線中，選擇使用兩個全波長環(huán)形天線。如果天線中選擇使用相對介電常數(shù)為4.4的FR4板材，其厚度以及損耗角正切值分別為1.6mm 與0.02，并假設天線頻段中心頻率分別為2.4GHz、3.4GHz，則本文所使用的兩個全波長環(huán)形天線半徑各為12mm 與8.5mm。天線的具體尺寸則為40mm×40mm×1.6mm.

2 Wi-Fi/5G 雙頻段列車車內(nèi)通信天線的設計分析

2.1 建立通信天線模型

在建立Wi-Fi/5G 雙頻段列車車內(nèi)通信天線模型的過程中，貼片輻射單元位于介質(zhì)板上層，其主要構成包括兩個矩形貼片以及兩個同心圓圓環(huán)，利用這一設計結(jié)構可以使得天線阻抗匹配得到相應增加[1]。本文所建立的Wi-Fi/5G 雙頻段列車車內(nèi)通信天線模型中，在天線尺寸的計算中選擇使用遺傳算法。根據(jù)本文所設計的Wi-Fi/5G 雙頻段列車車內(nèi)通信天線的規(guī)格屬性，可知天線在x 與y 方向上的長度均為40mm，天線高度則為1.6mm。構成貼片輻射單元的兩個矩形貼片中，矩形長度為11.7mm，而連接兩個同心圓圓環(huán)的矩形寬度則為1.6mm。在進一步明確兩個同心圓圓環(huán)貼片內(nèi)徑與各自寬度的基礎上，即可構建出一個由內(nèi)外兩個同心圓構成的Wi-Fi/5G 雙頻段列車車內(nèi)通信天線結(jié)構模型。

2.2 通信天線仿真實驗

該Wi-Fi/5G 雙頻段列車車內(nèi)通信天線結(jié)構中，建立在通信天線基礎上的內(nèi)圓環(huán)和外圓環(huán)，均負責為貼片天線輻射元工作。這也表明在本文設計的Wi-Fi/5G 雙頻段列車車內(nèi)通信天線中，通信天線的具體性能直接取決于以通信天線為基礎的內(nèi)圓環(huán)與外圓環(huán)的內(nèi)徑。為有效提升通信天線仿真實驗效率，同時保障仿真結(jié)果的真實性和有效性，本文在此過程中選擇直接使用專業(yè)的HFSS 仿真軟件。在優(yōu)化階段中，不改變其他參數(shù)的情況下，分別掃描分析內(nèi)圓環(huán)和外圓環(huán)的內(nèi)徑參數(shù)，可知通信天線高頻段對內(nèi)圓環(huán)半徑的敏感度較大[2]。并且當內(nèi)圓環(huán)半徑值不斷增大的情況下，天線高頻段中的頻點也會逐漸朝著頻率較低的頻段移動。但同樣在內(nèi)圓環(huán)半徑值持續(xù)增大下，其對于高頻帶帶寬并未產(chǎn)生任何實質(zhì)性的影響。根據(jù)最終仿真分析結(jié)果可知，在內(nèi)圓環(huán)半徑為7.5mm 時，列車車內(nèi)通信天線可以獲得最為理想的諧振效果。當內(nèi)圓環(huán)半徑值為6.5mm 時，兩個圓環(huán)的中心頻率與規(guī)定值較為接近。但無論內(nèi)圓環(huán)半徑如何變化，低頻帶帶寬與頻點基本保持不變。另外，在仿真中還表現(xiàn)出內(nèi)圓環(huán)半徑不斷增大下，天線回波損耗也會隨之有所增加，進而影響了天線正常的低頻段性能。這主要是因為在中心頻率為2.4GHz 時，外圓環(huán)上耦合饋線所提供的能量，此時內(nèi)圓環(huán)和外圓環(huán)之間具有較大間距，在一定程度上增加了外圓環(huán)的耦合。而在進行外圓環(huán)半徑的仿真分析中，當外圓環(huán)半徑值不斷增大下，低頻段中心諧振頻率出現(xiàn)了明顯的移向低頻率情況，帶寬較之前明顯減小，而天線回波損耗也有所減小。此時在低頻段列車車內(nèi)通信天線具有相對較高的通信性能。天線高頻段頻帶與頻點則幾乎不受外圓環(huán)半徑的影響。根據(jù)具體仿真分析結(jié)果可知，在外圓環(huán)半徑為11mm 時，天線在高頻段可以獲得最優(yōu)性能。因此通過將獲得的全部仿真分析結(jié)果進行集中整合，可知在本文設計的WiFi/5G 雙頻段列車車內(nèi)通信天線中，兩個圓環(huán)貼片的內(nèi)徑分別為7.3mm 與11.7mm，寬度分別為2.2mm和2mm 時，天線可以獲得最佳性能。

3 結(jié)束語

綜上所述，本文在設計Wi-Fi/5G 雙頻段列車車內(nèi)通信天線的過程中，將兩個同心圓圓環(huán)分別作為兩個輻射元工作，運用兩個矩形貼片將兩圓環(huán)相互連接使其可以進行能量耦合，可以有效達到雙頻帶特性并獲得較為理想的通

信性能效果。因此證明本文設計的Wi-Fi/5G 雙頻段列車車內(nèi)通信天線可與雙頻段天線通信要求相符合，具有一定的應用價值。