双频宽带毫米波天线的设计

王利红

（山西大同大学物理与电子科学学院，山西大同037009）

目前5G无线通信系统已经得到了广泛的关注，其特点之一是将研究的频段转向了容易获得且带宽更宽的毫米波频段，主要是28GHz、37GHz、39 GHz和64～71 GHz四个高频段[1-6]。文献[3-4]给出了两种具有良好陷波特性的超宽带天线，通过在辐射贴片和接地板上开一定结构的缝隙以形成陷波结构，天线带宽较宽，陷波特性较好。文献[7]中的天线通过加载多组H型结构以增加天线增益，但其尺寸相对较大。

本文利用缺陷地技术，在辐射贴片上刻蚀半圆环形型缝隙，设计了一款工作在28 GHz和39 GHz的双频宽带毫米波天线，并采用电磁仿真软件HFSS对其性能进行了仿真分析。同时，在不增加整体尺寸的基础上，分别在天线贴片和地面加载了结构相同的两组长方形金属条，对天线辐射出的电磁波起到汇聚的作用，从而提高了天线的增益。

1 天线结构设计

双频宽带毫米波天线结构的设计过程如图1所示，天线都采用了厚度0.6 mm，长5 mm，宽5 mm，介电常数为4.4的FR-4介质基板，都利用50μΩ带线进行馈电。

图1 双频毫米波天线的结构示意图

图2为各天线的S参数仿真结果。由图可见，通过在Ant_1的辐射贴片上刻蚀半圆环形缝隙得到Ant_2，以改变其电流的流动方向，使天线的工作频段由超宽带29.5～51 GHz变为三频段26～29.5 GHz、34～39 GHz和 42～53 GHz，谐振频率为 28 GHz、35 GHz和48 GHz。为了得到谐振频率37 GHz和39 GHz，并改善高频段的阻抗匹配，在Ant_2的地面加入了三角形和长方形结构的缺陷地（Ant_4），最终实现了谐振点为28 GHz、37 GHz和39 GHz的工作频段26～29 GHz和35～51 GHz。

图2 各天线的S参数仿真结果

2 天线性能分析

2.1 天线的电流分布

图3是在28 GHz和39 GHz时Ant_4仿真所得到的电流密度分布图。由电流分布可知天线的谐振频率主要受辐射贴片上半圆环缝隙的尺寸所影响。Ant_4辐射贴片的结构尺寸如图4。

图3 天线的电流密度分布

图4 Ant_4的辐射贴片

2.2 天线的S参数分析

为了分析辐射贴片上半圆环缝隙的尺寸对谐振频率的影响。图5给出了不同w2和l2时天线的S参数仿真结果，由图可见,w2和l2的值越大，谐振频率越小。当w2从0.8 mm增加到1.1 mm时，高频段谐振频率从41 GHz减小到了38 GHz，低频段谐振频率从30 GHz减小到了26.5 GHz；l2主要影响低频段的谐振频率，当l2从1.8 mm增加到2.4 mm时，低频段谐振频率从30 GHz减小到了27 GHz。当w2=1 mm，l2=2.2 mm时，谐振频率分别为28 GHz和39 GHz。

图5 半圆环缝隙对天线S参数的影响

通过仿真优化，所得Ant_4的尺寸为：w=5 mm，l=5 mm，l1=3.6 mm，l2=2.2 mm，l3=2.8 mm，l4=2.2 mm，l5=1.2mm，l6=3mm，w1=1.75mm，w2=1mm，w3=0.5 mm，w4=0.9 mm，w5=0.4 mm，w6=1.7 mm，a1=0.5 mm，a2=0.6 mm。

2.3 天线的辐射方向图

天线的辐射方向图如图6和图7所示。由图可见，天线在两个谐振点的辐射特性基本相似，方向性比较稳定，H平面主极化方向几乎实现了全向性，E平面主极化方向呈“8”字形，H平面的交叉极化比E平面交叉极化好。

图6 28GHz处仿真的天线辐射方向图

图7 39GHz处仿真的天线辐射方向图

3 天线增益的改善

在不增加整体尺寸的基础上，分别在天线贴片上和地面加载了结构相同的两组长方形金属条，对天线辐射出的电磁波起到汇聚的作用，从而提高天线的增益，结构示意图如图8所示，其中每一个金属条长l4为0.65 mm，宽为0.1 mm，两组长方形金属条结构间的距离d为0.1 mm。

图8 加载长方形金属条结构的天线示意图

由图9可知，加载了周期结构的长方形金属条后天线的工作频段几乎没有变化。图10为天线增益图，由图可以看出，天线辐射贴片加上长方形金属条后，低频段增益由0.24 dBi增加到了0.79 dBi，高频段增益由0.3 dBi增加到了0.44 dBi；当天线辐射贴片和地面都加上长方形金属条后，低频段增益增加了1.27 dBi，高频段增益增加了0.24 dBi。

图9 RMS 结构对天线S 参数的影响

图10 RMS结构对天线S参数的影响

4 结语

本文设计了一款工作在28 GHz和39 GHz的毫米波双频宽带天线，通过在辐射贴片上刻蚀半圆环形缝隙得到了所需谐振点，利用缺陷地技术改善了频带内的阻抗匹配。所设计天线的工作频段为26～29 GHz和35～51 GHz，且在工作频段内具有较好的辐射特性，同时，在不增加整体尺寸的基础上，分别在天线贴片和地面加载了结构相同的两组长方形金属条，对天线辐射出的电磁波起到了汇聚的作用，提高了天线的增益。

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