一種用于5G通信的小型化手機(jī)天線設(shè)計(jì)

金家峰　朱云霞　許欣　李林峰

摘? 要：針對傳統(tǒng)天線的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、帶寬有限、輻射效果不佳等一系列問題，文章提出了一種用于5G通信的小型化手機(jī)天線。通過利用5G技術(shù)和小型化技術(shù)的結(jié)合，解決了天線體積及性能等方面的問題。該天線在FR4加載6個(gè)對稱的U形單元，其底部刻蝕的矩形槽用于改善阻抗匹配特性。仿真結(jié)果表明該天線可以覆蓋4.43～4.80 GHz頻段，具有輻射性能良好、結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：小型化；5G；手機(jī)天線

中圖分類號：TN929.5；TN820? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2023）12-0048-04

Design of a Miniaturization Mobile Phone Antenna for 5G Communication

JIN Jiafeng， ZHU Yunxia， XU Xin， LI Linfeng

（School of Electrical and Information Engineering， Anhui University of Science and Technology， Huainan? 232001， China）

Abstract： Aiming at a series of problems such as complex structure， limited bandwidth and poor radiation effect of traditional antenna， this paper proposes a miniaturization mobile phone antenna for 5G communication. By using the combination of 5G technology and miniaturization technology， the antenna size and performance problems have been solved. The antenna is loaded with six symmetrical U-shaped elements on FR4， and the etched rectangular groove at the bottom is used to improve the impedance matching characteristics. The simulation results show that the antenna can cover the 4.43～4.80 GHz frequency band， with characteristics of good radiation performance and simple structure.

Keywords： miniaturization; 5G; mobile phone antenna

0? 引? 言

近些年來，移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，使互聯(lián)網(wǎng)的用戶以指數(shù)形式而飛速增長。目前網(wǎng)絡(luò)容量已經(jīng)很難滿足當(dāng)下網(wǎng)絡(luò)用戶的使用需求，研究出新一代的移動通信系統(tǒng)迫在眉睫。第五代移動通信技術(shù)（5th Generation Mobile Networks， 5G）是由第四代移動通信技術(shù)（4th Generation Mobile Networks， 4G）延伸發(fā)展而來的，它的傳輸速率與網(wǎng)絡(luò)容量有了飛躍性的增加。2019年，我國的5G技術(shù)正式投入商業(yè)使用，將uRLLC（即時(shí)可靠通信），eMBB（高能通信寬帶）和mMTC（海量機(jī)器通信）作為主要應(yīng)用場景，將應(yīng)用于自動駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智能家居等新興行業(yè)領(lǐng)域[1]。

目前，和以往的2G、4G等通信技術(shù)相比，5G具有安全系數(shù)更高、運(yùn)行更加穩(wěn)定的系統(tǒng)。在實(shí)際的生產(chǎn)生活中，由于5G通信技術(shù)的高兼容性，數(shù)據(jù)高速有效傳輸?shù)男实玫搅颂岣撸ㄐ诺膿p耗率大大減小，通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性也有顯著的提高。在運(yùn)行成本這個(gè)方面，相比以往的通信技術(shù)，5G網(wǎng)絡(luò)要花費(fèi)的成本更低。并且，因?yàn)?G系統(tǒng)容量較大，可以借助5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備種類數(shù)目繁多，基本上可以滿足日常生活中對不同頻率的需求?？偠灾?，如果5G通信技術(shù)可以得到合理有效的利用，不但可以提高用戶對通信的體驗(yàn)感和滿足感，還可以提高傳輸數(shù)據(jù)的速率和效率。用戶正確使用5G通信網(wǎng)絡(luò)，可以很快得到高清視頻和圖像。此外，5G網(wǎng)絡(luò)所覆蓋的面較廣，依靠技術(shù)的兼容性，可以很大程度上消除無效信息，減少能源資源的消耗[2]。眾所周知，5G技術(shù)具有開拓性和先進(jìn)性特點(diǎn)。5G的先進(jìn)性，表現(xiàn)在它的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)轉(zhuǎn)速度、無線通信技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合等方面。所謂技術(shù)結(jié)合，說到底就是將納米技術(shù)、高頻傳輸?shù)瓤茖W(xué)技術(shù)等進(jìn)行融合，這就是5G技術(shù)的安全性和穩(wěn)定性相比于其他通信技術(shù)得到了顯著提高的關(guān)鍵。現(xiàn)階段，5G通信技術(shù)尚處于發(fā)展初級階段，雖然5G技術(shù)的覆蓋范圍比較廣，但技術(shù)普及并未達(dá)到大范圍普及的程度，技術(shù)人員還需進(jìn)一步在技術(shù)研究方面花大力氣，為5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展提供更為優(yōu)質(zhì)的運(yùn)行環(huán)境。此外，5G技術(shù)利用其較強(qiáng)的兼容性，和藍(lán)牙技術(shù)、無線技術(shù)的有機(jī)融合，將會得到很好的普及使用。總而言之，5G通信技術(shù)使通信技術(shù)的發(fā)展向前邁了一大步。

移動通信技術(shù)約以每10年一代技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展，已經(jīng)歷了1G到4G的變化。通信技術(shù)的一次一次升級進(jìn)步，一次一次技術(shù)發(fā)展，都使得經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)不斷升級和經(jīng)濟(jì)社會不斷進(jìn)步。我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對人們的生活質(zhì)量的提高都有著積極、深遠(yuǎn)的影響。在這樣的社會發(fā)展潮流下，依靠互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的時(shí)代將會成為必然趨勢，5G技術(shù)的研發(fā)必將是社會的主流。與此同時(shí)，在這個(gè)先進(jìn)技術(shù)飛速躍變的時(shí)代，只有將不斷發(fā)展的先進(jìn)技術(shù)和當(dāng)前的社會狀況相結(jié)合，才能更好地適應(yīng)大環(huán)境下的社會需要，以謀求高質(zhì)量的發(fā)展進(jìn)步[3]。

1? 小型化5G天線技術(shù)背景

1.1? 5G技術(shù)背景

目前，5G技術(shù)和以往4G等通信技術(shù)相比，安全性更高，穩(wěn)定性更強(qiáng)。在現(xiàn)代社會的生產(chǎn)運(yùn)用中，對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行科學(xué)合理布局，利用好5G的高兼容性，可以大幅度提高數(shù)據(jù)的傳輸速率，減少傳輸過程中的有用信息損耗，提升通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性和安全性。在通信成本這個(gè)方面，5G網(wǎng)絡(luò)成本與其他通信技術(shù)相比，花費(fèi)的成本更低，能源消耗量也大大減小。此外，由于5G系統(tǒng)容量比較大，與之匹配的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備種類數(shù)目很多，在很大程度上能夠滿足日常生產(chǎn)生活對不同的頻率需求。在無線電系統(tǒng)中，天線作為不可替代的組成部分，在無線通信有著舉足輕重的地位。由于現(xiàn)代社會生活對無線通信系統(tǒng)的需求不斷提升，天線的發(fā)展與創(chuàng)新受到了人們廣泛的關(guān)注和重視[4]。基于現(xiàn)代通信技術(shù)的不斷深入發(fā)展，5G天線技術(shù)需要通過進(jìn)一步提升去適應(yīng)現(xiàn)代通信系統(tǒng)的需求，這使得5G天線有了多需求的研究方向[5]。

5G技術(shù)的出現(xiàn)可以更深一步拓展通信系統(tǒng)的性能?，F(xiàn)階段，5G手機(jī)天線的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于體現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單、數(shù)目多、輻射性能優(yōu)良等特點(diǎn)。若是通過簡單的小型化結(jié)構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)5G頻段的有效覆蓋，是研究人員一直所追求的。所以5G技術(shù)結(jié)合天線的小型化技術(shù)將更多的天線單元集成到手機(jī)內(nèi)部已經(jīng)成為手機(jī)天線設(shè)計(jì)發(fā)展的必然趨勢[6]。

1.2? 小型化技術(shù)背景

小型化天線設(shè)計(jì)更符合目前基站天線的發(fā)展方向的必然趨勢，同時(shí)也是當(dāng)前國際形勢下的研究熱點(diǎn)。小型化的天線具有提高天線的空間利用率、降低成本、解決空間資源緊缺等優(yōu)點(diǎn)。目前基站天線大都是不同頻段集成合成設(shè)計(jì)在一起的，這就要求在有限的空間里把天線設(shè)計(jì)的足夠小。根據(jù)天線理論分析可以知道，天線工作的中心頻率與天線的輻射口徑有關(guān)系，天線的工作頻段越低，天線的尺寸就越大，工作頻段就隨之越高，尺寸也就會越小。天線的小型化技術(shù)目前主要從兩個(gè)方面考慮，一個(gè)是降低剖面高度，另一個(gè)是減少天線輻射單元口徑。

在現(xiàn)有的實(shí)現(xiàn)天線小型化技術(shù)中，曲流技術(shù)是最常見、最普遍的技術(shù)之一，其中彎折技術(shù)又是很受人們歡迎的計(jì)數(shù)方式。彎折技術(shù)是針對單極子天線，通過將有效長度進(jìn)行彎折，可以在極小的體積內(nèi)分布更長的電流路徑。

2? 天線理論

2.1? 理論基礎(chǔ)

在無線通信系統(tǒng)中，天線常常被人們認(rèn)為是磁與電的過渡轉(zhuǎn)變器，可以實(shí)現(xiàn)在特定方向如何上發(fā)射和接受電磁波的作用，不同的系統(tǒng)會對天線提出不同程度上的要求，但是無論結(jié)構(gòu)改變，天線最基本、最重要的理論基礎(chǔ)都是基于時(shí)變電場產(chǎn)生磁場的理論[7]，其基本方程可以表述為：

IL = Qv? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

其中，I表示時(shí)變電流，L表示電流元的長度，Q表示電荷量，v表示電荷的加速度（速度隨時(shí)間的變化率）。

2.2? 天線的帶寬

天線的阻抗帶寬實(shí)際上體現(xiàn)了天線與傳輸線匹配程度的情況。當(dāng)天線的電參數(shù)在容許范圍之內(nèi)時(shí)，其頻率范圍便就是天線的帶寬。有多種形式可以表述天線的帶寬，其中絕對帶寬的表達(dá)式為[8]：

SBW = fH - fL? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

其中，fH表示天線的上限頻率，fL表示天線的下限頻率。相對帶寬或百分比帶寬的表達(dá)式如式（2）所示，同時(shí)也被稱之為算數(shù)平均值。而對于寬頻帶天線，往往用比值fH / fL表示，fH / fL被稱為比帶寬。

3? 小型化5G天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

5G技術(shù)的飛速發(fā)展，對天線技術(shù)的要求也進(jìn)一步上升。根據(jù)天線的電磁理論，以滿足天線基本性能為前提，試圖設(shè)計(jì)出來一款更為小型化5G通信的手機(jī)天線。通過曲流技術(shù)去優(yōu)化天線結(jié)構(gòu)，延長電流路徑，在允許的范圍內(nèi)，采用彎折，使天線小型化相對有效。通過仿真測量和參數(shù)優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)其可實(shí)現(xiàn)性[9]。

設(shè)計(jì)的小型化寬帶天線的基板是采用FR4材料制作而成，基板的相對介電常數(shù)為4.4。為了更好更真實(shí)地模擬手機(jī)的尺寸大小，本文將天線設(shè)計(jì)成為一個(gè)形狀近似于手機(jī)尺寸大小的長方體，該長方體長80 mm，寬150 mm，高0.8 mm。如圖1所示，展現(xiàn)了該天線的具體尺寸大小。將這六個(gè)U形5G天線單元對稱式地放置在介質(zhì)板上，在150 mm這一邊上每邊分別放置3個(gè)天線單元，其中兩個(gè)同向放置，另一個(gè)與這兩個(gè)反向180°放置。U形單元采用彎折技術(shù)，使其實(shí)現(xiàn)小型化。在每個(gè)天線下方刻蝕了矩形槽，其大小為20.0 mm×5.0 mm。圖1中Ant3與Ant1、Ant2關(guān)于x軸呈鏡像關(guān)系，Ant6與Ant4、Ant5關(guān)于x軸呈鏡像關(guān)系，Ant1與Ant4、Ant2與Ant5、Ant3與Ant6均兩兩關(guān)于y軸呈鏡像關(guān)系。矩形槽將改善天線單元的阻抗匹配特性，將會大幅度提高天線的輻射能力。該天線單元全部都應(yīng)用50 Ω同軸饋電方式。本天線為U形單極子的天線，隔離度由天線位置決定。通過多次實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行仿真優(yōu)化，數(shù)據(jù)分析，最終將天線A端的寬度確定為4.3 mm，此時(shí)具有最好的增益效果和性能。這種天線的設(shè)計(jì)目標(biāo)是為了滿足MIMO系統(tǒng)的要求[10]。

4? 天線性能的分析

天線作為電磁波輻射和接收的媒介，在能量轉(zhuǎn)換和輻射特性上有獨(dú)特的性能。因此，只有根據(jù)天線特性參數(shù)指標(biāo)來完成天線的設(shè)計(jì)，才能夠符合技術(shù)指標(biāo)和要求。影響天線輻射性能的因素有很多，主要可以歸類為電參數(shù)和輻射參數(shù)。通過對這些參數(shù)進(jìn)行理論分析，才能夠更深入地了解天線的設(shè)計(jì)原理。為進(jìn)一步研究天線的各項(xiàng)性能就必須掌握天線理論基礎(chǔ)知識，如方向圖和增益等。

如圖2所示，A處的紅點(diǎn)被稱為饋電點(diǎn)，其饋電電纜的半徑是0.3 mm。此天線是由6個(gè)U型單極子天線對稱式分布構(gòu)成的。如圖3所示，是仿真出的天線的S11參數(shù)掃頻分析結(jié)果圖，可以看出設(shè)計(jì)出的小型化天線，圖中的結(jié)果基本符合目標(biāo)的覆蓋頻段?？梢钥闯霎?dāng)回波損耗小于-10 dB時(shí)，天線的帶寬覆蓋在4.43～4.80 GHz，能夠成功覆蓋5G頻段。

圖4是天線的E面方向圖，圖5是天線三維增益方向圖?？梢钥闯鎏炀€在整個(gè)工作頻段中，具有很好的全向性和很好的增益效果，且具有良好的輻射性能。

由此可以看出，本文設(shè)計(jì)的小型化5G手機(jī)天線具有結(jié)構(gòu)簡單，頻帶寬，增益效果好，輻射性能好，通信性能安全性高等特點(diǎn)，相比較于傳統(tǒng)的手機(jī)天線，該5G有了很大的性能提升，具有良好的應(yīng)用前景。

5? 結(jié)? 論

本文設(shè)計(jì)出了一款小型化5G手機(jī)天線，將天線結(jié)構(gòu)在某一維度方面進(jìn)行了大幅度縮減，其中采用的彎折技術(shù)，是使得天線小型化的關(guān)鍵技術(shù)手段。運(yùn)用了5G技術(shù)，使得該天線在整個(gè)頻段內(nèi)具有一致性，加強(qiáng)了信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性，且能保證波形及信號不失真地輻射至自由空間，加強(qiáng)了天線的抗多徑干擾能力。此外，還提高了通信的安全性能和天線的頻帶寬度。仿真結(jié)果表明該小型化天線的帶寬在4.43～4.80 GHz的頻段中，有效覆蓋了5G的通信頻段。

與傳統(tǒng)普通天線相比，本文設(shè)計(jì)的天線具有結(jié)構(gòu)簡單，頻帶寬，通信性能安全性高，小型化等優(yōu)點(diǎn)。鑒于手機(jī)體積小、空間緊湊，在滿足小型化的條件下，保持了天線的良好增益效果，有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。

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作者簡介：金家峰（2002—），男，漢族，安徽合肥人，本科在讀，研究方向：通信工程。