鄧文強(qiáng) 柳溢航 肖 波 吳彥良

(西南交通大學(xué)，成都 610054)

1 概述

我國鐵路行業(yè)快速發(fā)展，尤其是復(fù)興號高速列車的運營速度已達(dá)到350 km/h，這也促使鐵路領(lǐng)域無線通信技術(shù)的進(jìn)步，本文聚焦于高速列車車廂內(nèi)部的無線通信天線設(shè)計。2017年11月10日，工業(yè)和信息化部正式發(fā)布《工業(yè)和信息化部關(guān)于第五代移動通信系統(tǒng)使用3 300～3 600 MHz和4 800～5 000 MHz頻段相關(guān)事宜的通知》（工信部無[2017]276號），規(guī)劃3 300～3 600 MHz和4 800～5 000 MHz頻段作為第五代移動通信系統(tǒng)（5G）的工作頻段，其中，3 300～3 400 MHz頻段原則上限室內(nèi)使用。因此，2.4 GHz的WiFi頻段和3.4 GHz的5G室內(nèi)通信頻段將會成為室內(nèi)及車內(nèi)高速無線通信技術(shù)的首選頻段，具有高傳輸速率、傳輸距離遠(yuǎn)、布置靈活等特點。實現(xiàn)WiFi/5G雙頻段組網(wǎng)就需要設(shè)計相應(yīng)的天線，微帶貼片天線結(jié)構(gòu)簡單，成本低，易于集成，便于獲得線極化和圓極化[1]。在雙頻段天線的設(shè)計中，微帶縫隙天線或蝶形天線[2-7]被廣泛使用，但是其諧振頻率一般較低，無法覆蓋WiFi/5G兩個常用移動通信頻段。而作為貼片天線，文獻(xiàn)[8]中提出的一種新型印刷天線諧振頻率較低，且高低頻率差值較小。文獻(xiàn)[9]中再次使用圓環(huán)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)雙頻段天線，但其低頻段帶寬過窄。通過文獻(xiàn)的查閱，可以看出圓環(huán)型結(jié)構(gòu)是有效實現(xiàn)雙頻段特性的結(jié)構(gòu)。而覆蓋2.4/3.4 GHz兩個常用頻段的雙頻段貼片天線并不多見。因此，本文提出一種新型的應(yīng)用于WiFi/5G雙頻段微帶天線的設(shè)計方法，并通過加工、測試可以看出，實測結(jié)果和利用軟件的仿真結(jié)果非常相似，天線具有雙頻帶的特性。

2 天線結(jié)構(gòu)

2.1 天線形狀選擇

貼片天線的形狀多種多樣，但通過文獻(xiàn)的查閱，本文設(shè)計了新型雙圓環(huán)天線，它能有效、快速地實現(xiàn)天線雙頻段特性，并且具有較好的天線性能。

2.2 天線尺寸計算

假設(shè)介質(zhì)的相對介電常數(shù)為rε，對于工作在頻率為f的微帶天線，波導(dǎo)波長為：

公式（1）中，c為光速。設(shè)計的新型雙頻段天線，采用兩個全波長環(huán)形天線，則全波長環(huán)形天線的半徑r為：

采用FR4板材，其相對介電常數(shù)為4.4，損耗角正切為0.02，厚度為1.6 mm，所要設(shè)計天線頻段的中心頻率為2.4 GHz和3.4 GHz，將計算參數(shù)代入公式（1）和（2），則計算出兩個全波長環(huán)形天線的半徑分別為12 mm和8.5 mm。這與仿真加工出來的天線半徑r1+w1/2=8.4 mm和r2+w2/2=12.7 mm非常吻合，前者只有1.2%的誤差，后者只有5.8%的誤差，這說明，采用此計算公式和設(shè)計方法能很快計算出天線的初始尺寸，節(jié)約大量仿真優(yōu)化的時間，使雙頻段天線設(shè)計變得簡單、快速。

3 天線設(shè)計

3.1 天線模型

因為設(shè)計初期計算使用的公式都為理論公式，所以在后續(xù)設(shè)計過程中為了實現(xiàn)更好的天線性能，可以通過對天線模型進(jìn)行調(diào)整。

天線的基本構(gòu)造如圖1所示。天線尺寸為40×40×1.6 mm。介質(zhì)板的上層為貼片福射單元，通過兩個同圓心的圓環(huán)加兩個矩形貼片而構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)的設(shè)計可以用來增加天線的阻抗匹配。天線的具體尺寸參數(shù)包括：W、L分別為天線的x方向長度和y方向長度；r1、r2分別為兩圓環(huán)貼片的內(nèi)徑、w1、w2分別為兩圓環(huán)的寬度；W1為連接兩圓環(huán)矩形的寬度；L1為矩形的長度。首先使用遺傳算法計算出天線尺寸，部分天線結(jié)構(gòu)尺寸如下：L=40 mm，W=40 mm，h=1.6 mm，L1=11.7 mm，W1=1.6 mm。

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Antenna Structure Chart

3.2 仿真分析

由于天線雙頻段輻射是基于天線的內(nèi)外兩個圓環(huán)均作為輻射元工作，所以，兩圓環(huán)內(nèi)徑是影響天線性能的主要參數(shù)，在HFSS軟件中對這些參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的分析和仿真，以得到最優(yōu)化的天線性能。

在優(yōu)化過程中，保持其他參數(shù)不變。分別對參數(shù)r1、r2進(jìn)行掃描分析，分析結(jié)果如圖2、3所示。

圖2 內(nèi)圓環(huán)半徑r1對天線回波損耗的影響Fig.2 Influence of inner ring radius r1 on antenna return loss

圖3 外圓環(huán)半徑r2對天線回波損耗的影響Fig.3 Influence of outer ring radius r2 on antenna return Loss

從圖2中可以看出，天線高頻段對內(nèi)圓環(huán)半徑r1較敏感，隨著r1增大，高頻段頻點逐漸向較低頻率移動，S11參數(shù)增大，高頻帶帶寬沒有明顯變化，當(dāng)r1=7.5 mm時，天線具有最好的諧振效果，當(dāng)r1=6.5 mm時，中心頻率最靠近要求的2.4 GHz/3.4 GHz。與此同時，隨著r1的變化，低頻帶帶寬及頻點均無明顯變化，回波損耗隨r1增大而增大，天線低頻段性能變差，這是由于在2.4 GHz時，饋線提供能量主要耦合到外圓環(huán)上，此時內(nèi)外圓環(huán)距離增大，使得外圓環(huán)耦合增強(qiáng)。

在確定r1后對r2進(jìn)行分析，從圖3中可以看出r2對低頻段影響較大，隨著r2的增大，低頻段中心諧振頻率不斷向低頻率移動，帶寬減小，但天線回波損耗也不斷減小，天線在低頻段的性能變好。r2的變化對天線高頻段的頻帶與頻點影響較小,在r2=11 mm左右時，天線在高頻段性能最佳。

經(jīng)過一系列的優(yōu)化，最終得到各參數(shù)值分別為r1=7.3 mm，r2=11.7 mm，w1=2.2 mm，w2=2 mm。

經(jīng)過優(yōu)化后天線的回波損耗隨頻率變化的曲線，如圖4所示，天線的諧振中心頻率為2.4 GHz/3.4 GHz，并且在諧振中心頻率處的S11參數(shù)均小于-10 dB，滿足雙頻帶的要求。

圖4 天線的回波損耗隨頻率變化圖Fig.4 The Variation diagram of antenna return loss varies with frequency

圖5、6分別表示在2.4 GHz/3.44 GHz頻率下的E_Plane輻射方向。從圖5、6中可以看出，天線向上方向輻射最大，為單向輻射天線，具有較大的3 dB波束寬度，能夠滿足雙頻段天線的通信要求。

圖5 3.44 GHz輻射方向圖Fig.5 3.44 GHz radiation direction diagram

4 實測結(jié)果

天線實際加工成品及實測環(huán)境，如圖7所示。

圖6 2.4 GHz輻射方向圖Fig.6 2.4 GHz radiation direction diagram

圖7 天線實物及實測環(huán)境Fig.7 Antenna Physical object and actual test environment

天線仿真與實測的對比分析，如圖8所示，從圖8中可以看出，天線的實測結(jié)果與仿真結(jié)果相比，高低頻段的諧振中心頻率均減小，低頻段的回波損耗相差不大，而實測值中高頻段的回波損耗比仿真值大。造成這種現(xiàn)象主要是因為在天線的加工過程中焊接不精細(xì)，加工參數(shù)與仿真參數(shù)存在誤差，F(xiàn)R4介質(zhì)基板厚度誤差及相對介電常數(shù)存在誤差等。

圖8 天線仿真與實測的對比分析圖Fig.8 Comparison and analysis diagram of antenna simulation and actual test

5 結(jié)束語

本文給出的天線結(jié)構(gòu)中，兩個圓環(huán)分別作為兩個輻射元工作，并利用中間連接的矩形貼片進(jìn)行能量耦合，以達(dá)到雙頻帶的特性。本文著重分析了兩同心圓環(huán)內(nèi)徑對天線性能的影響。經(jīng)過仿真優(yōu)化并加工實測，得到一種新型的應(yīng)用于高速列車車內(nèi)無線通信的WiFi/5G雙頻帶天線。本文提出的新型雙圓環(huán)天線，能簡單、快速、有效地實現(xiàn)指定的雙頻段天線的初始結(jié)構(gòu)尺寸，為天線設(shè)計節(jié)約大量的時間，并且具有較好的天線性能。該天線構(gòu)造簡單，性能好，成本較低，可以在無線通信領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

6 致謝

本文受到中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃課題（2017X013-A）、國家自然科學(xué)基金高鐵聯(lián)合基金（NSFC U1734209）、株洲中車時代電氣股份有限公司科技項目DQ2015-017-《車載天線關(guān)鍵技術(shù)研究與實現(xiàn)》的支持。