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一款多频带、宽带宽的5G毫米波移动通信手机天线的分析与设计

作者：T. Thomas，K. Veeraswamy，G. Charishma

译者：电信科1201班 贺显惠 0121214420132

摘要

能够支持宽频带是手机天线设计研究中至关重要的一项标准。现如今，多数支持多工作频段的无线网络都将和5G移动通信进行对接，所以，由此看来，使手机天线支持宽频带、多频段是一项必须的设计指标。本文介绍了一款工作于28 GHz的手机天线，它的设计旨在使其能够应用于未来的5G移动通信。本文所述的天线，有三个不同的谐振频段，分别是0.7-0.9 GHz, 1.5-2.5 GHz, 以及超宽频带10-40 GHz，相应的在28 GHz、2.2 GHz和1.5 GHz处，分别获得了8.7 dBi、5.8 dBi和5.2 dBi的增益，表现出此天线应用于未来5G手机通信的可行性，尽管测试结果如此，但是更高的增益更是我们需要的。另外，如何在高频率处仍可保持可接受的天线尺寸，也是本文的工作重点。

关键词 5G，手机天线，感应元件，毫米波，宽带。

1. 介绍

随着无线通信技术的飞速发展，在过去的几年当中，无论何时何地我们都能够连接到无线网络，这似乎已逐步成为现实，当然，随之而来的是惊人的手机流量。移动数据流量来自广泛的智能终端，以及大量的密集型多媒体社交应用，比如视频流、云端信息服务等等，其中，云端服务在2018年之前预计会以61%的复合年增长率不断增长，并且，预计云端服务的能力将在2020年前后超过目前的第四代通信（4G）和长期推演技术（LTE）。

尽管5G技术的标准现在仍在不断发展，但目前的研究已经显露出了一些共同的特征。天线性能的富集化主要可以通过网络加密的方法来得以实现，比如蜂窝通信（即类似一个个的小蜂窝组合那样），设备到设备通信（D2D），增加频谱的使用率（例如：增加载波聚合、频谱分配、使用6 GHz以上的频谱等等），以及运用先进的无线通信技术，诸如像大型多入多出技术（MIMO）、新波形和虚拟零延迟无线接入技术等等。各种类型的通信器件已经发展占有了网络连接和数据传输当中的一大部分。

在需求大规模传播的情况下，手机移动通信网络和超可靠通信的结合急需严谨可行的技术作为新颖的解决方案。网络虚拟化技术，尤其是C-RAN（Cloud RAN，用于未来移动网络基础结构的一种新型蜂窝网络架构）形式的网络传播也将在5G通信当中扮演着不容忽视的角色。其适用方案及情境、频谱分配之间存在的巨大矛盾，使得最大的灵活性、可扩展性、可重构性成为了整个5G通信系统中至关重要的评价标准。

然而，在几百兆赫兹到几吉赫兹范围内，相关可用的狭窄频带大部分已经被大量授权或者未授权的网络所占据，包括2G/3G/LTE/LTE-A（LTE-Advanced长期推演技术升级版）以及Wi-Fi网络等。尽管，动态频谱分配的方案可以增强闲置频带的利用能力，但是，为了开发出5G通信用的足够的新频带，其唯一的最彻底的解决方案应当是探索毫米波波段的闲置超高频频谱空间，如30-300 GHz范围。如此，在这段较空闲的频段，5G通信终端便可以同时接入这些不同的无线通信技术所支持的网络。而且，这些5G无线通信终端应该有能力合并不同技术下的数据流。对于整个通信网络来说，在用户的移动性前提下，它还应该能够稳定的支持和管理用户的数据。总而言之，5G终端将会以精确服务为目标，在不同的网络接入供应中做出最终的选择，这一讨论给人们带来了智能网络手机能够自动选择最佳连接网络的总体印象。

一种将5G网络设计的更加富有逻辑性的途径，就是建立首尾相连智能网络的自我组织网络，它是一种基于自我组织网络的引擎，所以它可以探索和感知周围的应用环境，同时能够侦测出网络的实时状态和网络资源的真实数量，以便随时随地根据需要进行网络切换，由此技术，用户将会实现无缝无限制的链接。这种无论何时何地的无缝无限的链接，为我们展现了一种从未预料到过的新视野，不但可以带来一种全新的服务级别，甚至能够改变我们社会的生活方式。因此，5G通信系统的设计不会单单只瞄准某一项应用，而是会结合所有的智能应用。

在近期Theodore Rappaport等学者的研究中，他们设计了一种工作于38 GHz的波束扫描自适应系统，其中带有枝叶和其他结构的障碍物，通过测量其传播特性和到达角，成功的证实了毫米波蜂窝通信网络用于自由空间的适用性。就电磁场方面而言，更高频带的使用需要面对电磁辐射暴露评估的一些新挑战。在通常手机通信所使用的一些频率范围中，基础的电磁辐射衡量标准即是比吸收率（SAR）。在3GHz（IEEE标准）、6 GHz（FCC标准）、10 GHz（ICNIRP标准）以上，这个暴露评估标准的限制就由比吸收率（测量单位为W/kg）变成了自由空间功率密度（PD，测量单位为W/m）。

2015年，西班牙维戈大学的四位学者David Aacute;lvarez Outerelo、Ana Vaacute;zquez Alejos、Manuel Garciacute;a Saacute;nchez和Mariacute;a Vera Isasa经过CST软件的仿真测试和对实物天线的反复测量，得出了影响5G通信毫米波手机天线设计的几项重要因素。他们的研究主要建立在工作于28 GHz和60 GHz的两款单一贴片结构的天线上，他们指出了和基本微带结构设计相关的主要问题，同时作者提出了结构方面的限制条件和设计时如何避免产生问题的方法。天线实物制作使用型号为乐普科Protomat H100的电子铣削系统，由于立铣刀可以刻出细小的狭缝，因此这里很适合使用0.15mm的射频立铣刀来刻蚀铜介质板，介质基板选用罗杰RT/duroid RO5880基板，其相对介电常数为2.22，厚度为0.381 mm。通过DAK设置系统测量得出相对介电常数的实际值，理论值经过CST软件优化得到，最终确定28 GHz和60 GHz贴片天线的设计中采用的相对介电常数为2.25。经过软件仿真和实物测量，尽管存在结构公差和限制，比如沿着介质基板存在介电常数的偏差，作者仍然得到了仿真和实测之间良好的一致性。

在天线实物加工制作的过程中他们指出，应当注意以下几点：为了更接近真实结果，仿真中必须包含终端启动连接器；过度焊接会产生频移，并可能造成阻抗不匹配；仿真时铣削的深度必须被包含在内，否则在60 GHz处会发生300 MHz的频点偏移；基于机械制造的方法，有必要采用嵌入式馈电；为了保证贴片尺寸的合理性，应当采用较低的相对介电常数；沿着介质基板相对介电常数的非均匀性会给反射系数的失配造成较大的影响。

最后他们的研究工作总结出介电常数选用不当、过度焊接以及制作不精确这三个重要因素都会给5G通信微带天线带来不可忽视的影响。其一，相对介电常数会部分的决定基本贴片的几何尺寸；其二，由于焊接会造成噪声，因此馈电线的过度焊接会带来与理论值的巨大差别；其三，机械制造过程的不精确和误差，同样会使最后实测结果发生偏差。

1. 本文所提出的设计方案

40mm

20mm

120mm

辐射微带

铜制金属接地板

1. 正面结构尺寸 (b)反面结构尺寸

图1 本文天线模型的正面（a）与反面（b）结构

本文所设计的手机天线结构和系统板如图1所示。介质材料使用FR-4基板，相对介电常数为4.6，损耗角正切为0.001。背面接地板使用铜制材料，仿真中所用尺寸为40times;120 mm²。辐射微带和金属接地板的距离，会对辐射特性会产生很大的影响。本设计方案中，最小的间距为8 mm。辐射微带的整体尺寸选择为所需工作频率对应介质波长的四分之一。辐射微带的尺寸细节如图2所示。天线的谐振频点可以通过选择合理的介质波长而在特定的频率基础上得以改善。除了使用如容性匹配、感性匹配等阻抗匹配元件以外，串行或者并行结合的方法，都会增强这些谐振频率的带宽，从而，微带贴片天线的固有的窄带缺陷可以在一定程度上得以克服。

图2 文中辐射天线的局部尺寸细节（单位：毫米）

本文所提出的设计方案，在辐射结构中感性匹配元件为10 nH。使用感性匹配元件是为了增大所需要的谐振频率带宽。并且，感性元件的位置也会影响天线的回波损耗特性。因此，感性元件数值的大小和位置的设置，对于增加所需频点的频带宽度都是十分关键的。

支持短波长的极小缝隙天线会降低接收天线的信号强度，所以合理优化基底的介电常数和天线尺寸都是十分必要的。同时，手机天线接地板通常不准确，因为分给天线电路板的空间往往是有限的，所以接地面是另一个关键的结构，从而需要设计合适的尺寸以得到有效的后向散射特性。本设计方案中接地板的尺寸为100times;40 mm²。所设计的天线结构最适用于典型的智能手机当中，所以本设计可以完美的对接于未来的5G智能移动通信设备。

1. 仿真结果

图3 在0-40 GHz频率范围内的反射系数（回波损耗）S₁₁值的分布（单位：dB）

图4 在0-3 GHz频率范围内的反射系数（回波损耗）S₁₁值的分布（单位：dB）

图5 在10-40 GHz频率范围内的反射系数（回波损耗）S₁₁值的分布（单位：dB）

图3显示出在10-40 GHz频率范围内频率的支持能力，很明显本文所设计的天线在不同频率可以达到谐振，尤其是在0.7-0.9 GHz，1.5-2.5 GHz以及一个超高频段10-40 GHz。本设计方案中，天线可以很好的工作于毫米波波段，而毫米波频段是未来5G蜂窝通信的必要频段，因此证明了本设计应用于未来5G通信的可行性。如图4所示，天线的回波损耗强调了支持低于LTE700和GSM1900标准的频段，同时，它对于其他的相邻的支持频带而言，也是一项挑战。

对于未来的蜂窝通信系统，手机天线被要求设计在毫米波波段具有很好的操作性，特别是要合理分配9-60 GHz频带资源，因为这些频段尚未被电信供应商商用化，不过在不久的将来也会很快的被开发和使用。本文所提出的设计，恰恰针对这些尚未被使用的频段，而且是未来5G通信技术中一个可能的频段。

频率=28 GHz

主波瓣幅值=5.1 dBi

主波瓣相位=108.0 deg

[3dB]波束宽度=10.6 deg

旁瓣电平=-1.2 dB

图6 文中天线在28GHz处的极化方向图

频率=2.2 GHz

主波瓣幅值=5.3 dBi

主波瓣相位=139.0 deg

[3dB]波束宽度=49.2 deg

旁瓣电平=-2.9 dB

图7 文中天线在2.2GHz处的极化方向图

频率=1.5 GHz

主波瓣幅值=5.2 dB

主波瓣相位=151.0 deg

[3dB]波束宽度=58.7 deg

图8 文中天线在1.5GHz处的极化方向图

图6至图8显示了本文天线结构在不同频率处的极化方向图。在原理上E面和H面方向图，应该显示出全向辐射特性，所以当用户改变手持手机的姿势时，手机天线才可以接收到来自任意方向的信号，仿真结果表明，设计的天线在仿真极化方向图中都有着很好的辐射特性。在三个频率处的仿真结果相应的显示在图6至图8中，它们分别对应频率为28 GHz、2.2 GHz、1.5 GHz。

通常来讲，手机天线应当有很好的匹配性，即使是为未来5G蜂窝通信系统所设计的手机天线，本文所设计的天线也应该显示出高频率处获得较高的辐射效率，较低频率处获得较低的辐射效率，但是，本结构的仿真结果表明，辐射效率并没有预想中好，因此这是本研究中一个值得考虑的问题。本文所设计的天线结构的三维辐射方向图如图表1所示，由图表可以看出，在三个频率处所获得的增益是比较合理的：在28 GHz处为8.7 dBi，在2.2 GHz处为5.8 dBi，以及在1.5 GHz频率处为5.2 dBi，尽管如此，未来若要将此结构运用于商用，仍然期待改进结构以获得更高的增益。

图表1 文中天线模型的3D辐射图样

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