摘 要

随着5G通信技术的逐渐普及，毫米波频段的5G天线的优化设计成为越来越多研究人员的研究方向。现如今，已有的5G天线多为单片天线或者有多个单片串联组成的天线阵列，本文是基于现有的环形馈线的实用型专利，采用一种商用的电磁仿真软件对毫米波频段的5G天线进行优化设计，得到符合要求的设计参数。

本文对天线的优化设计采用的是环形馈线的结构，天线的整体结构包含有4个天线单元，每个天线单元的辐射贴片数为3个，天线工作的中心频率在26 GHz附近。本次设计也是对环形馈线理论的实践验证和理论拓展，原专利将环形馈线应用于中心频率为60 GHz的毫米波频段，现将环形馈线理论应用于频率为26 GHz的毫米波频段，改变线环的宽度，也可以较好的实现天线的阻抗匹配。

研究结果表明，当工作频率在26 GHz附近时，增加或者减小环线的宽度可以更好的完成阻抗匹配，这与环形馈线专利中所描述的一致，也间接说明形馈线理论在毫米波频段具有较为普遍的意义。

关键词：环形馈线；毫米波；5G频段；优化设计

Abstract

With the gradual popularization of 5G communication technology, the optimization design of 5G antenna in millimeter wave frequency band has become the research direction of more and more researchers. At present, most of the existing 5G antennas are single-chip antennas or antenna arrays composed of multiple single-chip series. Based on the practical patent of the existing ring feeder, this paper adopts a commercial electromagnetic simulation software to optimize the design of 5G antennas in the millimeter wave frequency band and obtain the design parameters that meet the requirements.

In this paper, the optimal design of the antenna adopts the structure of an annular feeder. The overall structure of the antenna consists of four antenna units, each of which has three radiating patches. The central frequency of the antenna is around 26GHz. This design is also a practical verification and theoretical expansion of the annular feeder theory. The original patent applies the annular feeder to the millimeter wave frequency band with a central frequency of 60GHz. Now the annular feeder theory is applied to the millimeter wave frequency band with a frequency of 26GHz.

The research results show that when the working frequency is around 26 GHz, increasing or decreasing the width of the loop can better complete the impedance matching, which is consistent with the description of the ring feeder patent, and indirectly indicates that the shape feeder theory has a relatively universal significance in the millimeter-wave frequency band.

Keywords: Ring feeder; Millimeter wave; 5G spectrum; The optimization design

目 录

第1章 绪 论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 国内外研究发展现状 1

1.3 本文研究内容 3

第2章 微带天线原理 5

2.1 环形馈线理论 5

2.2 天线设计及参数计算 6

2.3 小结 8

第3章 天线建模及仿真优化 9

3.1 天线的建模 9

3.2 仿真优化 10

3.3 小结 12

第4章 结果分析 13

4.1 S₁₁参数图分析 13

4.2 方向图分析 14

4.3 小结 15

第5章 总结与展望 17

5.1 总结 17

5.2 展望 18

参考文献 19

致谢 20

第1章 绪 论

1.1 研究背景和意义

伴随着通信技术的发展，天线技术也出现了很大的进步。在2G时代，我们采用的是双极化天线，伴随着3G的到来，引入了智能天线技术，这项技术与GSM双极化天线的本质差别是采用了天线阵列的形式。随后4G时代的到来，又引入了MIMO天线技术，此项技术的核心是通过多天线提供的信道独立性进行复用传输，提升了频谱效率^[1]。

现如今，5G技术的商用化迫在眉睫，5G技术所覆盖的频段范围较广，其中就包含有毫米波频段，而现有的5G天线多为单片或者是多个单片串行组成的天线阵列， 单片天线的设计制作虽然简单，但是其辐射增益和方向性并不是很理想^[2]。简单的天线阵列虽说可以有较好的辐射增益，但是在进行性能拓展或者结构微调的时候，需要重新改变天线参数进行阻抗匹配，这就带来了极大的不方便。为此，有课题组设计出了环形馈线的结构，用来解决以上问题。

首先，环形馈线理论是在简单线性结构的基础是上引入了环形馈线结构，只要采用适当的半径，就可以实现当从整个天线的馈电的看去，每个简单的线性阵列约视为在同一馈电点进行馈电，其具体原理，在原专利中已经详细说明，在此不在过多的赘述^[3]。

其次，这个结构将原本成“一”字形排列的天线阵列变换成圆环形，可以更好的节省空间，也使得天线的结构更加紧凑。

由此，我们可以应用环形馈线的原理，对毫米波5G频段的天线进行优化设计。

1.2 国内外研究发展现状

通信技术由2G发展到5G，通信系统所使用的天线也经历了由全向天线到定向天线，由单极化天线到双极化天线以及电调双极化天线，由无源天线到有源天线，以及从智能天线到MIMO天线再到Massive MIMO天线等发展过程^[4]。

智能天线是移动通信从2G迈到3G的一项关键技术，它也是首次将波形成形技术运用到天线设计中，来提升天线的性能。智能天线技术是通过调节天线阵列元之间的激励幅度，相位差等参数，把天线阵列产生的成形波束当成一个整体信号来进行处理，使得其主波束可以对准预定方向，旁瓣及零陷部分对准的是干扰方向，从而提升了天线的定向性。国内外对智能天线的研究是与3G通信的运营模式密切相关的。美国的Metawave公司开发了一套商用的智能天线系统，其名字叫Spotlight GSM波速切换智能天线系统。日本的ATR光电通信研究所也研制出了针对卫星通信的地面基站的多波束智能天线系统。同时期，韩国的KMW公司则研究出了可以实现动态多波速的天线阵列。在中国，大唐公司则在TD-SCDMA系统中使用了全新的智能天线技术，也因此开辟了与西方完全不同的3G通信技术。

但是，随着3G网络的广泛普及，其出现的问题也逐渐的显示出来。由于信号传输通道较为单一，所以应用了智能天线技术的3G通信网络没有方法实现无线信道的多径传输，也因此大大的影响的通信系统的通信效率。

为了解决以上的问题，MIMO通信方式及相关的天线技术被广泛提出，这项技术也是4G通信中的关键技术。MIMO技术就是把无线信道的多径传播作为基础，在MIMO通信系统中，信息的收发两端均采用了多天线技术，只要天线阵列元之间的间距足够的大，信道散射传播的多径分量足够的丰富，就可以显著降低阵元的多径衰落之间的相互影响^[5]。由于MIMO技术采用的是多天线技术来实现的，所以，收发天线的性能直接影响到了MIMO通信的信道质量。在MIMO技术研究方面，美国的T.Svantcsson公司、日本的H.Arai公司、瑞典的M.Wcnnstrom公司等针对MIMO天线进行了一系列的改进的研究，他们的研究成果为MIMO天线系统的成熟和商用提供了不可或缺的支持。

现如今，5G技术越来越走向成熟，因此越来越多的研究团队开始基于MIMO通信技术研究能符合5G通信的通信技术以及天线技术。国外对于毫米波5G频段的天线研究主要集中在对Massive MIMO天线的研究上。国外的研究者WonilRoh提出了一款含有128贴片的天线阵列，其结构如图1.1所示^[6],该天线同时支持3GHz和30GHz的工作频率。在国内，东南大学的洪伟教授的团队于2014年就设计出了一款64×4的贴片天线阵列，此天线具有64个射频通道，256个单元，其工作频率为5.8 GHz，该天线设计基于的是5G通信的基站多波束天线技术，其馈电方式采用同轴馈电，馈电探针将天线阵面单元和后端射频电路直接相连，其具体结构可以参考图1.2^[7]。之后，毛建军和余大群等人又基于该天线结构进行了改进，提出了一种用于5G的大规模MIMO天线阵列的设计，使得该天线具有了±45°双极化特性^[8]。

5G通信技术是不断的发展的，也离我们的生活越来越近，各国都在加快对5G技术的研究，5G通信技术能够得以发展，首先得益于有满足其通信要求的天线技术的成熟，而5G天线技术远远不止以上的这些，我相信未来的5G天线技术不仅仅限制在Massive MIMO技术上，还可能出现更多的全新的天线结构，这些新的结构会有更好的性能，天线技术的进步有待一代又一代的研究人员攻坚克难，也有待大家的共同努力。

图1.1 128单元Massive MIMO贴片阵列^[6]

图1.2 256单元64通道大规模天线阵列^[7]

1.3 本文研究内容

本文主要是对毫米波5G频段的天线的优化设计的研究，本设计是基于已有的环形馈线的实用型专利展开的。现有的环形馈线实用专利研究的中心频率为60 GHz，而现在我国商用的5G频段的中心频率分别为2.6 GHz，3.5 GHz和4.9 GHz，所以60 GHz现在仍然处于理论阶段。国家工信部与2017年将24.75 GHz-27.5 GHz和37 GHz-42.5 GHz用于5G技术的研发实验，介于此，本文提出选取24.75 GHz-27.5 GHz这个频段来进行本次的设计研究，并将设计的中心频率定为26 GHz。本文的研究的主要内容就是在26 GHz附近，应用环形馈线法理论设计一个天线系统，并且采用商用的电磁仿真软件来对设计的天线系统进行仿真和优化设计，采用有限元求解方法，确定出最终的天线参数。根据环形馈线专利所述，设计天线的参数是可以根据微波技术理论初步获得，天线的最终详细参数是利用仿真优化计算获得的。本文具体研究内容有：
（1）确定天线工作频率和频段，基于环形馈线理论提出本次设计天线的结构，并通过微波技术理论计算，获得天线的初步尺寸数据。
（2）选取合适的接地介质板，专利中并没有明确的给出介质板的相关信息，而且介质板的介电常数可能会影响到整个天线的辐射性能，所以要根据设计要求选择合适的介质板。
（3）采用电磁仿真软件对提出的天线结构进行建模，建模完成以后，进行初次运行，先得到初步的S₁₁参数图，并对其展开分析，多次调整设计参数，使得天线的工作频率和回波损耗先满足要求，再在此基础上，进行天线的优化，争取得到最好的辐射性能。

本文主要分为五个章节。

第1章是绪论，主要是介绍研究的背景意义和国内外的研究发展现状，在此基础上还介绍了本次设计的内容。第2章是天线设计的原理，主要是说明天线设计所采用的原理以及原理的具体内容，还说明了天线设计采用的结构和初步的参数获得。第3章是天线的建模和仿真优化。第4章是对上一章节所得的结果进行分析。第5章总结全文，是对此次设计的总结和对未来的展望。

微带天线原理

2.1 环形馈线理论

环形馈线结构是针对现阶段的毫米波天线阵列当稍有性能变动，就需要重新改变天线的参数来实现阻抗匹配的问题，提出的一种全新的天线结构。环形馈线的提出在很大的程度上为完成天线的阻抗匹配带来了便利。

首先，环形馈线是在原有的简单的天线阵列的基础上，引入了环形馈线结构，即原来的每个天线单元通过环形馈线连接组成天线阵列，采取合适的半径，就可以使得每个天线单元之间的距离近似满足我们设计要求的半波长的整数倍，此时，根据半波长重复性原理，当我们从整个天线的馈电点看去，每个天线单元可以看作是在同一馈电点进行馈电^[9]。在这个基础上，进行阻抗匹配时候，只要改变线环的宽度，就可以实现整个天线的阻抗匹配。以上就是环形馈线结构可以工作的原理。

其次，环形馈线的结构是包含m个天线单元，每个天线单元有包含n个天线的贴片，并且m个天线单元是均匀分布在线环上，都指向环心^[9]。环形的总长度是设计要求的波长的偶数倍，每个天线单元之间的距离则为设计要求的半波长的整数倍。图2.1是含有4个天线单元，且每个天线单元有3个金属贴片的环形馈线的结构示意图^[9]，可以参考，以便加深理解。

图2.1 4个天线单元的环形馈线结构^[9]

如图2.1中所示，数字1指示的是贴片，数字2指示的是连接贴片的微带线，数字3指示的是环形馈线。

最终，应用环形馈线进行阻抗匹配时，当中心匹配点的频率高于设计要求时，则可以适当的减小线环的宽度，反之，则可以适当的增大线环的宽度，以此来满足设计要求。

2.2 天线设计及参数计算

根据上述环形馈线结构和理论，拟采用类似的结构来完成中心频率为26 GHz的天线结构的设计。

首先是天线的结构设计，以环形馈线结构为基础，我采用了偶数个天线单元，每个天线单元含有3个金属贴片，为了使天线结构更好的对称，并且辐射性能大幅度的提升，所以采用4个天线单元，且4个天线单元分别上下左右均匀分布在环形馈线上，每个天线单元都指向环形的中心，其具体结构如图2.1所示。

图2.2 天线结构设计图

天线匹配的中心频率ƒ=26GHz，根据微波技术理论：

其中，公式2.1中的λ为工作波长，c为电磁波的传播速度，即c=3×m/s。公式2.2中的B为半波长。

由公式2.1可以计算得到天线的工作波长约为11.538 mm，由公式2.2可得半波长为5.769 mm。

根据环形馈线理论，环形馈线的总长度为天线工作波长的偶数倍，由于采用了4个天线阵列，所以设定环形馈线的总长度为工作波长的4倍，则环形馈线的长度为l=4λ即l=46.152 mm。再根据环形馈线理论，每个天线单元的之间环形馈线长度为半波长的整数倍，所以，每个天线单元之间的环形馈线的长度可以选择半波长的2倍。即等于工作波长。

由公式：

可得环形的半径R的值约为7.3405 mm。初步设定贴片的长宽比为2:1，本次设计中的金属贴片的大小尺寸均相等，连接贴片的微带线的宽度为0.15 mm，连接各个贴片之间的微带线的长度是相等的，初步选定的这个长度是0.7 mm。天线的具体的参数需要通过电磁仿真软件仿真获得。

对于介质板的选取，可以参考相关论文获得，假设介质板的介电常数ε，则天线的波导波长和全波长的环形半径为：

分析可得当介质板的介电常数越大的时候，波导波长就越小，相应的环形的半径就越小，即天线的尺寸也就越小^[10]。由上述分析，选定的介质板的材料为介电常数为10的陶瓷，或者是其他的介电常数为10左右的其他材料均可。介质板的形状为方形，如图2.2所示。

图2.3 介质板的形状图

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