摘 要

随着无线通信技术日新月异的发展，现如今各类智能移动终端对数据传输的带宽和速率的需求有增无减，5G通信将在不久的将来走进千家万户，天线作为无线通信中的关键部分，决定着整个通信系统的性能好坏。基于无线通信的新要求和应用背景，本文将对未来5G通信用的28 GHz毫米波全向性手机天线展开研究，对毫米波全向天线的工程设计有一定的参考价值。

本文旨在设计出一种小型化的毫米波手机天线，其结构主要是在Alford方形环天线基础上，结合曲流技术进行开槽改进。另外，由于高频段处对天线参数的调整难度很大，所以本文采用缩尺比的方法，先在常用频段2.4 GHz设计出各项性能符合要求的天线，再缩尺至28 GHz，得到了全向性良好的毫米波天线，达到了小型化的目标，其反射系数接近-20 dB。其良好的实用性让本课题所研究的手机天线能与5G通信技术完美的对接，顺应通信发展趋势，体现了本课题研究的意义所在。

关键词：5G通信；28 GHz；环形天线；全向天线；缩尺比模型

Abstract

With the rapid development of wireless mobile communication technology, the data transmission bandwidth and rate which all kinds of intelligent mobile terminals demand for are in sustained growth now.5G mobile communication is right on its way, Mobile antenna is the key part in wireless communication, which can also determine the performance of the communication system. Concerning the new demands and application of wireless communication, this paper will give a research on the 28 GHz microwave omni-directional mobile antenna applying for the next generation. It is appreciated that the antenna to have certain reference value on the design of microwave omni-directional mobile antenna.

The paper aimed at designing a miniaturization form of the millimeter wave antenna, which is based on Alford-Loop-Antenna. And some grooves with the meander technology are expected to use to improve the performance of antenna. What’s more, it’s difficult to adjust the parameters in a high frequency, so it’s better to use the scale ratio method. In this paper, at first, the author designed a well performed 2.4 GHz microwave omni-directional mobile antenna. Then, the size of the 2.4 GHz antenna is narrowed to the corresponding size of 28 GHz. In this way, not only the excellent properties of antenna be kept, but also the target of miniaturization be achieved. The reflection coefficient of proposed antenna is below -20 dB.The good practicability of the designed antenna makes it be perfectly used in the 5G mobile communication, and also comply with the development trend of communication, which embodies the meaning of the research in this paper.

Key words: 5G mobile communication; 28 GHz; Loop antenna; Omni-directional antenna; Scale ratio method

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究发展现状 3

1.3 本文主要工作及文章结构 4

第2章 环形天线理论及设计方法 5

2.1 引言 5

2.2 天线的性能参数 5

2.3 环形天线的辐射机理 8

2.3.1 环形天线概述 8

2.3.2 电小环天线 9

2.3.3 电大环天线 11

2.4 环形天线的设计方法 12

2.4.1 曲流技术 12

2.4.2 缩尺效应 13

2.5 仿真软件介绍 14

2.6 本章小结 15

第3章 Alford“双Z型”天线的分析与研究 16

3.1 引言 16

3.2 Alford“双Z型”天线的原理分析 16

3.3 Alford“双Z型”天线的对比验证 18

3.3.1 文献中Alford“双Z型”天线的仿真计算 18

3.3.2 模型参数对天线性能的影响研究 22

3.4 本章小结 29

第4章 应用于5G蜂窝通信的“双Z型”天线的再设计 30

4.1 引言 30

4.2 “双Z型”天线的分析与再设计 30

4.2.1 “双Z型”天线模型的设计 30

4.2.2 模型参数对天线性能的影响 34

4.3 基于28 GHz频段的天线模型的优化与分析 41

4.4 本章小结 44

第5章 总结与展望 45

参考文献 46

致谢 48

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

在信息时代的今天，各类智能移动终端、不同网络电商APP、众多云端在线服务正让我们享受到无线通信技术无所不在、无时不用的方便与快捷。随着移动通信技术的迅速发展，现如今各类智能移动终端对数据传输的带宽和速率的需求有增无减，人们所熟知的移动通信技术，由2G、3G再发展到当前的4G技术，无线通信已取得突破性进展，在4G通信技术为人们带来更多便利的背景下，以智能化为标志的传输更高速、性能更优良、安全性更佳的5G（第五代移动通信技术）技术应运而生，5G网络的无线传输速率将达到千兆每秒^[1]，5G网络将实现对大型物联网的支持，数百亿台低成本设备和各类传感器将被连进这张大型网络，小到家用电器大到医疗器械，近到城乡公路远到田间地头，5G网络将支持万事万物之间的互联，移动通讯领域也将迎来新的机遇和挑战。

无线频谱资源与带宽限制无疑是手机通信网络早期试运行的主要瓶颈。虽然可以通过动态分配频谱来增强闲置频谱运用的能力，但是最彻底的解决方案仍应该是开发新的超高频频谱空间。因此，5G网络瞄准了毫米波波段，可在30 GHz - 300 GHz频率范围内选择合适的工作频段，除了有着带宽极宽的特点，毫米波还具有波束窄、副瓣低、安全性高等诸多优点。由于毫米波所处频段高，干扰较少，所以传播稳定可靠。