矿用多频段微带天线设计

张志文， 徐艳红， 周梦丽， 王安义

（西安科技大学 通信与信息工程学院，陕西 西安 710054）

0 引言

第五代移动通信技术（5G）具有可靠性高、传输速率高、时延小、容量大等优点，促进了煤矿智能化的快速发展[1-2]。然而，随着5G技术在煤矿的应用，多系统之间的信号干扰愈发密集[3]，严重影响数据、语音和图像通信的质量，煤矿井下多系统共存问题日益突显。多频段微带天线可较好地解决多系统之间的干扰问题，因此，得到了国内外众多研究人员的广泛关注。

实现微带天线多频段工作的方法主要有以下几种：① 陷波技术。超宽带（Ultra Wide Band，UWB）技术覆盖了所有需要的工作频点[4]，但无法避免多个通信系统及各工作频点之间的干扰，文献[5-6]针对UWB天线采用陷波技术，实现了多个通信系统和各工作频点之间的有效隔离。② 贴片开槽或加载缺陷地技术。文献[7]通过在微带天线的辐射贴片上开U形槽，达到天线在多个频点工作的目的；文献[8]在接地板上蚀刻L形缺陷地结构，使天线具有双频工作特性。③ 多层堆叠贴片技术。通过堆叠多个大小不同的贴片产生多个工作频段[9-10]。④ 加载超材料结构。在天线上加载谐振环或互补谐振环[11-13],使天线具有多频工作特性。⑤ 在平面单极子天线上加载不同形状的枝节。通过将2个枝节弯曲成半环形倒L[14]、加载弧形和L形枝节[15]、采用三叉戟式天线[16]、弯延天线枝节[17]等方式，满足天线多频段工作需求。

平面单极子天线具有制作简单、成本低、质量轻、结构灵活且易于集成等优势。因此，本文在平面单极子天线的基础上，设计了一种可同时工作于WiMAX/WiFi/ 4G/5G NR频段的矿用多频段微带天线。该天线在单极子天线的基础上加载2个L形枝节，使天线能够在3个频段工作，即天线能兼容煤矿井下商用5G NR频谱（2.51～2.67，3.40～3.60，4.80～4.90 GHz），WiFi频段（2.40～2.48 GHz），微波存取全球互通WiMAX频段（2.50～2.69 GHz）；在金属地板加载倒L形枝节，增加1个低频谐振点，展宽低频处的带宽，使天线能够满足中国移动/联通/电信4G全频段（1.88～2.66 GHz）通信的要求。

1 矿用多频段微带天线设计

矿用多频段微带天线由辐射枝节、金属地板、介质基板、微带线组成，如图1所示，其中L1-L10为各段天线的长度，W1为微带线的宽度，W2为辐射枝节的宽度，Ws为地板枝节的宽度。天线印制在FR4（相对介电常数εr为 4.4，损耗正切角为0.02°）介质基板上，介质基板大小为G×G×H。介质基板的下表面印制有金属地板，宽度设为G1。天线使用50 Ω微带线馈电。

图1 矿用多频段微带天线结构Fig. 1 The structure of mine multi-band microstrip antenna

天线设计过程如图2所示，对应的阻抗匹配曲线（S11曲线）如图3所示。通常情况下，尺寸约为λ/4（λ为波长）的单极子天线具有较好的辐射特性，且其输入阻抗接近50 Ω，易于馈线匹配。因此，一般设计单极子天线的尺寸为λ/4。波长计算公式为

图2 天线设计过程Fig. 2 Design procedures of the antenna

图3 天线1-天线4的S11曲线Fig. 3 S11 curves of Ant.1-4

式中：c为真空中的光速；fr为天线工作频率。

当fr=2.5 GHz时，λ/4=30 mm。因为波的传输既要经过自由空间，也要经过介质，所以天线实际波长应介于介质的导波长和自由空间中的波长之间。介质的导波长为

当fr=2.5 GHz时，λg/4≈14.3 mm。因此，L1的取值范围为14.3～30 mm。当L1=20 mm时，天线在2.5 GHz阻抗匹配较好。

同理，天线2在原枝节的右侧加载1个新的谐振枝节，引入了1个新的3.5 GHz谐振点，该谐振点对应辐射枝节长度为L2+L3+L4，其取值范围为10.2～21.4 mm。当L2+L3+L4=17.7 mm时，天线在3.5 GHz阻抗匹配较好。此外，为了避免新加载枝节对原枝节产生过强的耦合作用，可适当利用枝节的空间分布，使其耦合作用减小。当L3=3.5 mm时，由图3可看出，新加载的枝节对原枝节耦合作用很小。为避免对原有的频点造成太大干扰，在天线的左侧增加1个谐振枝节，形成天线3。从图3可看出，天线3在天线2的基础上增加了1个4.8 GHz谐振点，谐振点对应辐射枝节长度为L5+L6+L7，其取值范围为7.4～15.6 mm。当L5+L6+L7=14 mm时，天线在4.8 GHz阻抗匹配较好。由图3可见，当L6=2.5 mm时，天线间各枝节之间的耦合作用可忽略。在天线3的基础上，天线4在金属地板上增加1个倒L形枝节，枝节长度为L9+L10，在低频处产生1个新的1.9 GHz谐振点，从而展宽天线在低频处的工作带宽，使得天线能兼容商用4G全频段。同理可知，L9+L10取值范围为18.8～39.4 mm。当L9+L10=27 mm时，天线在1.9 GHz阻抗匹配较好。

矿用多频段微带天线各参数见表1。

表1 矿用多频段微带天线参数Table 1 Parameters of mine multi-band microstrip antenna mm

2 仿真与分析

借助Ansoft HFSS电磁仿真软件对所设计的天线进行性能分析，天线4的S11曲线如图4所示。可看出天线的中间、右侧和左侧枝节分别产生了2.4，3.5，4.8 GHz的谐振点，而在地板加载的倒L形枝节则提供了1.9 GHz的谐振点，从而展宽了天线在低频段处的带宽。最终，该天线可工作在3个频段，分别为1.88～2.73，3.26～3.79，4.70～5.90 GHz，能够有效覆盖煤矿井下WiMAX/WiFi/4G/5G NR全部的工作频段。

图4 天线4的S11曲线Fig. 4 S11 curve of Ant.4

天线的峰值增益如图5所示。当天线工作在1.88～2.69 GHz频段时，峰值增益为3.12～4.46 dB；工作在3.4～3.6 GHz和4.8～4.9 GHz频段时，天线的峰值增益分别为3.6～3.9 dB和4.22～4.7 dB。可见，该天线在需要的工作频段内峰值增益性能良好。

图5 天线的峰值增益Fig. 5 Peak gain of the antenna

天线各个谐振点处的电流分布情况如图6所示。当谐振点为1.9 GHz时，中间枝节与左右两侧枝节的电流几乎相同，倒L形枝节的电流幅值较大，说明在谐振点为1.9 GHz时，倒L形枝节起主导作用。当谐振点为2.4 GHz时，中间枝节的电流大于左右两侧枝节电流，此时中间枝节起主要作用。当谐振点为3.5 GHz时，右侧枝节的电流明显大于中间枝节和左侧枝节的电流，说明在该频段右侧枝节影响最大。同理，在谐振点为4.8 GHz时，左侧枝节的电流较大，说明左侧枝节在高频点处的影响最大。

图6 天线各谐振点电流分布Fig. 6 The current distribution of each resonance point of the antenna

天线的归一化方向图如图7所示。由于加载了倒L形枝节，天线的方向图在低频段出现了些许偏移。随着频率的增加，天线阻抗和馈线阻抗匹配不完全，介质基板损耗严重，方向图发生了轻微的变化，天线的E面方向图大致呈“8”字形，H面方向图呈“O”形，整体辐射性能良好。

图7 天线的归一化方向图Fig. 7 Normalized patterns of the antenna

3 结语

随着5G技术在煤矿逐渐普及，多系统共存问题日益突出。设计了一种具有低频宽带特性的三频段微带天线。在谐振点为2.4 GHz的单枝节单极子天线的基础上，在其左右两侧分别加载1个L形枝节，增加了3.5 GHz和4.8 GHz两个谐振点，从而使天线能在3个频段下工作；在金属地板上加载1个倒L形枝节，在低频段增加1个1.9 GHz谐振点，从而展宽低频段的带宽，使得天线的工作频带为1.88～2.73，3.26 ～3.79，4.70～5.90 GHz，能够有效覆盖煤矿井下WiMAX/WiFi/4G/5G NR工作频段。该天线不仅能覆盖常见的商业频段，且具有结构简单、成本低、易加工的优势，因此在无线通信系统中具有良好的应用前景。