一種用于5G 終端天線設計及輻射性能分析

郭樹鵬

（蘭州交通大學 光電智能控制教育部重點實驗室，甘肅蘭州，730070）

0 引言

在過去的幾十年，無線通信技術(shù)飛速的發(fā)展，從1G移動通信系統(tǒng)到GSM 通信制式的2G 移動通信系統(tǒng)，再到WCDMA/CDMA2000/TD-SCDMA 通信制式的3G 移動通信系統(tǒng)，最后到采用MIMO 技術(shù)、OFDM 技術(shù)的4G 移動通信系統(tǒng)，通信技術(shù)的進步為人們的生活帶來方便，可以網(wǎng)絡電視，網(wǎng)絡直播，豐富了人們的生活。手機也逐漸變成了人們的必需品，同時手機的功能也變得越來越多元化，如手機攝影，導航定位這些功能的增加給天線的位置的設計增加了不少困難。廣大科研工作者在有限的空間中設計出滿足所有通信需求的天線就變得十分必要。2019 年我國5G 正式開啟商用，工業(yè)和信息化部將3300～3600MHz 和4800～5000MHz 頻段作為5G 移動通信系統(tǒng)的工作頻段，中國移動、中國聯(lián)通、中國電信、中國廣電也正式頒發(fā)5G 牌照。為了“智能手機”的各種需求，需實現(xiàn)手機天線的小型化、寬帶化、多頻段特性。實現(xiàn)方式一是采用混合多模式諧振天線，如文獻[1]在單極子天線的基礎上，饋線的兩邊添加不同類型、不同長度的輻射枝節(jié)，從而產(chǎn)生不同的諧振頻點，覆蓋較寬的頻段；二是加載集總元件或匹配網(wǎng)絡，如文獻[2]在天線結(jié)構(gòu)上加載集總元件直接改變天線的輸入阻抗，從而改善天線的匹配；三是采用可重構(gòu)技術(shù)，如文獻[3]提出通過PIN 二極管的不同狀態(tài)控制兩條輻射枝節(jié)的電磁耦合程度；從而實現(xiàn)多個不同的諧振模式等。本文利用Ansoft HFSS 電磁仿真軟件在中心頻率為3.5GHz 設計了一款混合模式手機天線，并對其優(yōu)化，可以覆蓋GSM-850/900、PCS-1900、UMTS-2000、LTE2300/2500 頻段，向下兼容5G/4G/3G/2G 的主要商業(yè)頻段，輻射特性良好，為今后5G手機天線的設計提供一定的依據(jù)。

1 電磁波傳播分析

■1.1 電磁波傳播方程

電磁波在周圍的自由空間中的傳播是通過使用麥克斯韋（Maxwell）方程來求解的，如公式(1～4)所示。

式中：E是電場強度（V/m）；B是磁通量密度（Wb/m2）；J是電流密度（A/m2）；H是磁場密度（A/m）；ρ是電荷密度（C/m3）。

■1.2 三維有限元分析

在生物電磁學中需要解決的核心工程問題都是一定邊界條件和激勵條件下麥克斯韋方程組的求解問題。麥克斯韋方程組從宏觀上描述了電磁場規(guī)律。

由于所有物理問題基本是三維的，故采用三維麥克斯韋方程組及三維支配方程，為了求解方程和建模通常選取麥克斯韋方程組的前兩個旋度方程，導出電場強度滿足的亥姆霍茲方程作為支配方程[4]，支配方程如式(5)所示。

式中：E是時諧場對應的相量（V/m）；k0是自由空間波數(shù)（m-1）；μr是復的相對磁導率；εr是復的相對介電常數(shù)。

■1.3 電磁波輻射邊界條件

在利用有限元方法時，需要利用吸收邊界條件將電磁波進行有限截斷，二階輻射邊界條件是自由空間的近似[4]，如式(6)所示。

式中：Etan是表面電場的切向量；k0是自由空間相位常數(shù)。

2 天線結(jié)構(gòu)及性能分析

美國Ansoft 公司開發(fā)的三維電磁仿真軟件HFSS 采用有限元方法求解電磁場問題。該軟件可用于天線設計領域等。隨著人們對射頻電磁暴露對生物組織影響的研究增多，HFSS 軟件也被逐漸被應用到生物電磁仿真中，尤其是使用天線作為輻射源的人體組織輻射模型。HFSS 具有精確的場仿真器，強大的電性能分析能力和后處理功能可以計算下列參數(shù)：S/Y/Z 等參數(shù)矩陣、電壓駐波比（VSWR）、端口阻抗和傳播常數(shù)、電磁場分布和傳播常數(shù)、諧振頻率、品質(zhì)因素Q、天線輻射方向圖和各種天線參數(shù)，如增益、方向性、波束寬度等、比吸收率SAR、雷達反射截面RCS。

■2.1 天線結(jié)構(gòu)

本文利用Ansoft HFSS 電磁仿真軟件設計的天線如圖1 所示，天線由一個C形單極子，一個U形單極子和一條F形輻射枝節(jié)組成。兩種不同形狀的單極子左右分布在介質(zhì)板頂層，占有15mm×68mm 的凈空面積。F形輻射枝節(jié)放置在介質(zhì)板的底層與地面相連，述U形單極子組成雙層耦合結(jié)構(gòu)，補償天線的容性，有利于天線的匹配。天線的介質(zhì)基板采用厚度為0.8mm 的FR4，其相對介電常數(shù)和損耗角正切分別為4.4 和0.024。介質(zhì)板尺寸為68mm×136mm×0.8mm。天線的饋線寬度為1.5mm，其特征阻抗為50Ω，饋電方式為側(cè)饋，采用集中端口饋電，輸入功率為0.125W。

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖

■2.2 S11 參數(shù)分析

在0～6GHz 范圍內(nèi)，仿真計算天線的S11特性曲線，如圖2 所示，S11特性曲線值在-6dB 阻抗以下可覆蓋GSM-850/900、PCS-1900、UMTS-2000、LTE2300/2500 頻段，頻率范圍較為廣泛；特別在3.5G 的帶寬為1650MHz，帶寬比較大，可滿足目前5G 手機的需求。

圖2 S11 參數(shù)

■2.3 電流分布

如圖3(a)所示，在900MHz 時，表面電流主要集中在U 形單極子和F 形條帶上。F 形條上的電流主要由與U 形單極子的電磁耦合產(chǎn)生。這表明它們一起產(chǎn)生900MHz 的共振模式。為了研究900MHz 模式的工作原理，圖3(b)中描繪了一個抽象的電流路徑模型。Iu和If分別是分布在U 形和F 形條帶上的電流。α和β是Iu和If之間的耦合系數(shù)。根據(jù)電流的方向，由于If末端是U 形和F 形條帶的重疊部分，它們正在形成具有電容性負載的電流回路。因此，900MHz 模式主要來自環(huán)路，環(huán)路依賴于F 形和U形條之間的耦合。

圖3 900MHz電流分布圖

圖4 分別為1800MHz，3500MHz 時的電流分布圖，在1800MHz 時由于引入新的諧振點，C 形單極子的末端開始作用，窄帶部分電流最大為121.87A/m，其余電流均勻地分布于末端矩形端，電流大小約為6.1405A/m；在3500MHz 時可以清楚地看到，C 形單極子在類似于λ/4 模式的單極子下工作，而F 形輻射枝節(jié)在路徑的A 點和B 點和C 點分別出現(xiàn)三個零點，其中B 點和C 點所在枝節(jié)的電流是由于U 形單極子耦合產(chǎn)生的。

圖4 天線在1800MHz，3500MHz 時的電流分布圖

■2.4 輻射方向圖

天線方向圖是在離天線一定距離處，輻射場的相對場強（歸一化模值）隨方向變化的圖形，通常采用天線最大輻射方向上相互垂直的平面方向圖來表示：E 平面方向圖為水平方向，H平面方向圖為垂直方向為了探究天線的輻射方向性，我們選擇了三個重要頻點900MHz，1800MHz，3500MHz 處對天線的輻射方向圖進行了仿真計算。圖5 為天線在0～6G的E-H 面圖，從圖中可以看出在900MHz 時垂直平面上有良好的輻射特性，類似于半波偶極子的輻射特性，隨著頻率的增加E 面和H 面方向圖發(fā)生了改變，在1800MHz 時H 面為心形，輻射強度在90 度方向最大，E 面則反之，這也與引入新的諧振點不謀而合，在之后的頻率中，E面在90度方向輻射強度變強，在3500MHz 時有輕微差異。

圖5 各個頻點的輻射方向圖

■2.5 3D 增益圖

圖6(a)(b)(c)為天線在900MHz，1800MHz，3500MHz 時的3D 輻射增益圖，可以看出在各個方向的增益情況良好，形狀類似于“蘋果”，在900MHz時的最大增益為12.905dB，1800MHz和3500MHz 時天線的增益圖發(fā)生了畸變，1800MHz 時，在三維空間中Y 軸正方向的增益減小，X 軸方向的負方向增益變大，增益約為7.9464dB，而X軸正方向增益相比900MHz 增強，最大增益為5.1530dB，增益比為2.99，3500MHz 由于新的諧振點的引入，在Y軸方向的負方向增益減小，其余方向增益保持不變，最大增益為6.4921dB，整體來說輻射特性良好。

圖6 各個頻點的輻射增益圖

3 結(jié)論

本文設計的天線體積小，結(jié)構(gòu)簡單，天線的凈空區(qū)也比較大；在滿足目前通信條件的基礎上具有較寬的頻帶寬度，可以覆蓋GSM-850/900、PCS-1900、UMTS-2000、LTE2300/2500 多個頻段，輻射特性良好。