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一种基于5
_□王再跃汪建安苑婷婷杨阳合肥联宝科技有限公司
【摘要】随着5G网络的逐渐商用，许多电子通信产品需要支持5G通信。本文主要是针对窄边框笔记本和小型化的台式机产品设 计了一款小型化的Sub6G全频段天线，天线的尺寸为45*10*0.4m m。通过CST仿真软件对天线进行仿真后进行实物雕刻测试，其性能验证可以满足此类电子产品的需求。 【关键词]5G Sub6G小型化天线
引言：
国际电信联盟（International Telecommunication Union,
I T U)自2012起就开始了5G的愿景、技术趋势以及应用需求等研究并在2015年发布了IM T-2020计划1
1]，因此近几年运营商、设备商以及相关科研人员也都致力于5G网络的标准制定、网络部署、技术优化等相关工作，这也使得5G 技术迅猛发展。目前5G网络已经开始商用，覆盖面积也越来越广，这也要求越来越多的电子通信产品需要支持5G的 功能，然而任何一款5G产品的通信都离不开天线的支持，天线是实现无线数据收发的关键组件之一。根据3G PP规 定，5G网络的频段可划分为F R1和F"R2，其中F R1是指410MHz-7125MHz, FR2 是指24.25GHz-52.6GH z【21。目前在手机、电脑等常用的电子设备中的5G模组所支持的频段一般是6G H z以下（通常称为Suh6G )和24GHz-40G H z的毫米波频段，如高通公司的5G X55芯片[3]。此外，现阶段手机、电脑等电子设备中的毫米波天线多以模块集成的形式为主，具有集成度高、可设计性低的特点，因此本文重点在于探讨灵活性高、可设计性强的Suh6G天线。
随着科技的发展，电子产品要求的功能越来越多，而 尺寸在不断的轻薄化和小型化，且很多产品都是全金属的环境，对天线来说其净空区域就越来越有限，这就要求天线本身进行小型化设计。因此小型化天线也是天线领域近年来研究的重点和热点，其中文献《应用于4G通信的LTE 笔记本内置天线的设计》|41，提出的小型化天线设计尺寸为76*13*0.4mm。文献《小型化与宽频化笔记本内置天线设计》【5]中，提出了一款LTE/WWAN天线设计，尺寸为14*70*0.8mm，而在文献《小型化内置多频段LT E天线的研究与设计》161中提出了一款更小的多频段LTE天线设计方案，尺寸仅为50*15*lm m。本文在众多优化设计的基础上，针对有更宽频段要求的SuhG设计了一款尺寸为45*10*0.4m m的 小型化天线。
一、小型化天线设计
面对5G sub6G频段范围从617M H z到6G H z的覆盖要求，本文所设计的天线就需要在小型化的基础上进行多频段覆盖，同时也满足低频段从617M Hz到960M H z以及高频段3.3G H z到6G H z的宽带要求。对于手机和笔记本产品中常用的P IF A天线来说，小型化天线设计的关键技术有小型化技术、多频段技术以及宽带技术[5-8]。其中，小型化技术有曲流技术、加载技术、采用高介电材料基板等。多频段和宽带之间通常是相通的，对应的技术主要有在辐射单元或者地板开槽线、多枝节技术、可重构技术以及增加阻抗匹配网络等。
基于以上关键技术，本文提出了一种覆盖S U b6G全频段的天线，可以支持的频段范围有：617-698\1出、704- 960MGHz,1710-2690MHz,3300-5000MHz,5150-5925MHz，其尺寸为45mm*10mm*0.4mm。天线的结构图如图1所示，天线采用常用的FR-4材料作为基板，厚度为0.4mm，接地板的尺寸为300mm*200mm，天线各枝节尺寸如表1所示。
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接地平面
图1天线结构图
参数尺寸参数尺寸
W110mm LI45mm
W2 3.2mm L218mm
W33mm L333mm
W45mm L4 1.2mm
W51mm L5 1.5mm陶瓷运输
W6 2.5mm W7 1.5mm
表1天线参数
此Sub6G天线包括了辐射反馈枝节、接地枝节、寄生枝 节以及负载匹配部分。其中，PIFA天线主体长枝节部分用于谐振出低频617MHz-960MHz的电磁波，P IF A的短枝节部分采用了曲流技术一方面用于低频段的阻抗匹配，另一方面在曲流缝隙处又可以耦合形成5.15GHZ附近的谐振频率。L2 和W2形成了一个寄生的Loop天线，相对于传统单频点的单枝节寄生天线而言，该天线利用Loop天线的倍频作用谐振出不同的频点。该Loop天线本身谐振点在4.4G H z附近，其与上方的P IF A天线长枝节之间产生耦合作用，耦合谐振在900M H z附近，同时经过二倍频又形成丨.7G H z频段的电磁波。L5和W7形成的枝节是PIFA天线主体上加载的一个短枝节，谐振频点在4.2G H z附近。最后，由于天线整体性能偏感性，而实际需要天线匹配在50欧姆，所以在C1区域 加载了集总元件2.5PF的电容，使得容性和感性综合达到匹
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图5 5.15G H z 电流分布
天线小型化的实质就是在小尺寸的情况下覆盖较低的 频段，对于P I F A 类的天线来说，天线的走线尺寸是与波长 成正比与频率成反比的，因此频率越低天线需要的尺寸越 大，本文在P I F A 的枝节处采用了曲流技术来拓展低频的频 段，从图2的表面电流分布可以看出，P I F A 的曲流枝节在 650M H z 谐振点起了很大的作用。同样从图4也可以看出， 寄生L o o p 天线与主天线枝节之间是有耦合作用的，通过微 带线的耦合拓展了天线的带宽。
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一
般来说，耦合间距的大小
对天线的谐振频点以及性能的影响非常大，经过多次仿真， 将本方案中的耦合间距分别设置为1m m 和 1.5m m 。因此从
表面电流的仿真结果来看，天线不同频点的谐振位置与我们 的设计是相吻合的。从图6中的S 11参数示意图中可以看到 天线在低频、中频以及高频都有多个谐振点，同时天线的效 率都在-5.5d B 以上。综合来看，本天线设计也能满足笔记 本电脑以及小型台式机等电子产品的性能需求。
图6仿真S 11参数
图7
仿真天线效率
三、实测结果分析
日本寿司刀在仿真结果满足天线的设计指标的基础上进一步将设计
的天线进行雕刻加工，并在天线暗室进行无源测试，天线的
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配的效果。整个天线的设计是以P I F A 天线为主体，通过加 载集总元件、曲流技术、缝隙耦合等设计，使得天线在较小 的尺寸下可以覆盖较宽的频段。
二、仿真结果分析
天线设计调试所使用的仿真软件是达索系统的三维电 磁场仿真软件CST 。CST 工作室套装[9]是以精度、速度和精 确度为核心概念的一款用于设计、模拟和优化电磁系统的完 备工具。C ST 中有多个工作室子软件，本文中天线仿真主要 应用的是微波工作室，可以用于所有频段的电磁仿真。通过 CST
软件建立仿真模型，仿真完成后可以获得该天线的表面 电流分布，S 11参数以及天线的效率。其中不同频点的电流 分布如图2-5所示，S 11以及天线效率如图6,7所示。
图2 650M H z 表面电流分布
图3 1.7G H z 表面电流分布图4 4.2G H z 表面电流分
布
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实物图如图8所示。实物天线采用0.4m m 厚度的P C B 板， 馈线使用1.13m m 线径的同轴线，接地板为尺寸300*200mm 的铜板。图9为天线在矢量网络分析仪上测量得到的S 11参 数值，其整体趋势与仿真结果一致，但由于测量误差以及外 界设备环境影响等因素，会与仿真结果有偏差。通过实物的 测试发现，天线在高频段还存在带宽较窄的情况，而Sub 6G 要求的中高频段的带宽覆盖非常宽，从图10的天线效率可 以看到在测试多个频点的效率时会有些频点的效率在-6dB 左右，但是整体的效率都在-5d B 以上，这也与我们仿真的 结果相近。针对一些对天线尺寸要求比较高，没有足够的净 空区域的电子产品而言，本文所设计的天线是可以满足其要 求的。
图8
天线实物图
四、结束语
本文提出了一种小型化的Sub 6G Hz 全频段的天线设计， 一是采用了寄生天线技术结合Loop 天线的倍频作用使得天 线可以谐振在不同的频点，二是利用的缝隙耦合技术，仿真 优化得到最佳的耦合间距，对中频段的带宽拓展有很大的帮 助，三是在恰当的位置使用了曲流技术，使得天线的尺寸进 一
步小型化。这些技术的有效结合使得天线在45*10*0.4mm 的尺寸下既可以保证天线的效率还具有良好的稳定性。本方 案是在小型化产品的基础上研发的一款天线，但不局限于小 型化产品，任何5G 产品中需要满足Sub 6G 全频段以及小尺
寸要求的情况下，都可以使用该天线。
图9实物测试S 11参数 参考文献
[1] ITU-R.ITU Towards U IMT for 2020 and Beyond" [SJ.2015
[2] 3GPP TS 38.521-1 NR;User Equipm ent (UE) conformance specification;Radio transm ission and reception;Part 1: Range 1 Standalone(Release 16)[S].2019.
[3] www.qualcomm/products/5g.
[4] 朱贤滨，孙玉发.应用于4G 通信的LTE 笔记本内置天线的设计[J].中国科学技术大学学报，2014年4月，第4期，第44卷。 【5]张赛，小型化与宽频化笔记本内置天线设计[D ]:[硕士学位论文].安徽大学，电子与通信工程，2014年4月气路接头
谢杰亮，小型化内置多频段LTE 天线的研究与设计[D]:[硕士学位论文].华东交通大学，信息与通信工程，2015年。[7] 刘会美，手机天线的小型化与多频段设计[D]:[硕士学位论文].西安电子科技大学，电子与通信工程，2018年6月[8] 丁伟，基于宽带小型化的多频PIFA 天线研究[D]:[硕士学位论文].安徽建筑大学，节能工程与楼宇智能化，2018年4月
[9] www.3ds/zh/
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