用于车载终端通信的双频段全向单极子天线_左昌余.pdf

用于车载终端通信的双频段全向单极子天线左昌余1,2，朱奎2，廖同庆2，周刚1，赵读俊1（1.安徽庆宇光电科技有限公司，安徽 合肥 230061；2.安徽大学 集成电路学院，安徽 合肥 230601）摘要：为满足露天矿山车载终端通信的需求，本文设计了一款能满足4G/5G通信的双频全向单极子天线。首先，基于共面波导馈电结构，设计了全向印刷矩形单极子单频天线；其次，在馈线左侧加载一个接地矩形辐射枝节以实现双频谐振，并在馈线右侧加载接地矩形辐射枝节以拓宽天线带宽；最后，在矩形单极子天线中心开十字型槽并对接地板做渐变处理，使天线在较宽频带内有良好的阻抗匹配。仿真和实测结果表明，该款天线具备双频段全向的辐射特性，完全满足设计要求。关键词：4G/5G通信；单极子天线；共面波导；双频段；全向；车载终端通信中图分类号：TN821+.3文献标志码：A文章编号：1007-4260（2023）01-0048-05Dual-Band Omnidirectional MonopoleAntenna for Vehicle-MountedTerminal CommunicationZUO Changyu1,2,ZHU Kui2,LIAO Tongqing2,ZHOU Gang1,ZHAO Dujun1(1.Anhui Qingyu Photoelectric Technology Co.Ltd,Hefei 230061,China;2.School of Integrated Circuits,Anhui University,Hefei 230601,China)Abstract:Aiming at the demand of open-pit mine vehicle-mounted terminal communication,an omnidirectional mono-pole antenna which can meet 4G/5G communication at the same time is designed in this paper.Firstly,an omnidirectionalprinted monopole single frequency antenna is designed based on coplanar waveguide feeding.Secondly,dual-frequency reso-nance is realized by loading a grounded rectangular radiating stub on the left side of the feeder.Thirdly,antenna bandwidth iswidened by loading a grounded rectangular radiating stub on the right side of the feeder.Finally,a cross-shaped slot is openedin the center of the rectangular monopole antenna and gradient processing is done at the grounding plate to make the antennahas a good impedance matching in a wider frequency band.Simulation and measurement results show that this antenna has du-al-band and omnidirectional radiation characteristics,which meets the design requirements completely.Key words:4G/5Gcommunication;monopoleantenna;coplanarwaveguide;dual-band;omnidirectional;vehicle-mountedterminal随着无线通信技术的飞速发展，作为通信关键器件的天线已成为研究热点，其多频段、全向性、宽带等特性是目前的主要研究内容。共面波导（Coplanar waveguide，CPW）馈电的单极子天线因其尺寸小、结构简单、价格低廉而作为一种全向天线被广泛应用于无线通信系统。如Johnson等将CPW信号带改为两个不同的单极子天线，构造了2.4 GHz和5.2 GHz的双频全向天线1。Kissi等采用CPW馈电及两个不同单极子天线组合，设计了一款2.45 GHz和5.8 GHz的双频全向天线2。Dayo等结合领结型槽和馈电收稿日期：2022-01-04基金项目：安徽省重点研究与开发计划（202104g01020005）作者简介：左昌余（1982），男，安徽六安人，安徽庆宇光电科技有限公司工程师，研究方向为信息与通信。E-mail：2023年2月第29卷第1期安庆师范大学学报（自然科学版）Journal ofAnqing Normal University（Natural Science Edition）Feb.2023Vol.29 No.1DOI：10.13757/34-1328/n.2023.01.009第1期线槽结构，实现了一种CPW馈电三频段全向天线3。Lu等通过三叉戟微带馈线和改进的接地平面结构，实现了一款具有三频段全向辐射特性天线4。Raheja等在椭圆型辐射贴片上开未封闭环形槽和U型槽，实现了良好的双频段宽带全向特性5。Tanaka等利用J型结构和曲流技术以实现了小型化双频全向天线设计6。Guannan等设计了两对折叠型结构的单极子双频MIMO天线，并实现了2.4 GHz和5.5 GHz的双频谐振及全向特性7。Zhong等利用一对方形分裂谐振环和开环正六边形结构，设计出了基于CPW的多陷波超宽带（UWB）全向天线8。Deng等通过在矩形贴片上开环形槽的方式，设计了一种双频全向单极子天线9。Khan等提出一种五边形接地平面与阶梯状辐射贴片相结合的结构，设计了一种基于CPW馈电双频双极化全向缝隙天线10。上述天线虽然具备了双频全向性，但其存在带宽较窄、阻抗匹配性能较低、全向辐射特性不够等问题，无法满足露天矿山4G/5G通信的需求。针对露天矿山车载终端通信系统存在的不足，本文设计了一款基于共面波导馈电的双频段全向单极子天线。该天线能够同时覆盖4G的（2.322.37）GHz，以及5G的（2.5152.675）GHz和（4.84.9）GHz频段，且其全向辐射特性良好，可以保证数据的快速传输，从而满足车载终端与基站之间的通信要求。1天线设计1.1天线结构分析本文所设计的天线结构如图1所示。天线印刷在厚度为1 mm的FR4介质基板上，其相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02，尺寸为14 mm 57 mm，天线整体结构主要包括矩形贴片和接地平面两部分。其中，第一部分采用CPW馈电的矩形单极子天线，在矩形贴片上做倒角切割和中心开十字型缝隙处理，可以有效扩展天线带宽，并提高阻抗匹配性能11；第二部分包括CPW的接地平面和两个不对称的接地矩形枝节，且后者用来在高频段产生两个相近的谐振点以扩展天线带宽12。天线采用CPW馈电方式，且接地平面和矩形贴片在基板同一侧，既降低了加工难度，又提高了产品成功率。采用HFSS15.0软件对天线的结构及尺寸进行仿真与优化，其结构尺寸相关参数见表1。表1天线结构参数参数abW1W2W3W4H1尺寸/mm14.057.01.01.02.751.82.0参数Z1Z2S1S2L1b1H2尺寸/mm9.07.88.07.02.09.04.5图1天线结构设计abW1W3W2S1L1S2Z2H2H1Z1W4b21.2天线设计思路为了清楚地理解本文天线的设计思路，图2给出了该天线的主要设计过程。图3为图2中参考天线所对应的S11曲线13。如图2所示，天线1为最初的矩形单极子天线结构，采用CPW馈电方式。天线1仿真结果表明，其只在1.85 GHz附近产生单个谐振点，且回波损耗小于-10 dB的带宽并不满足需求。为实现双频谐振，在天线1馈线的左侧添加一个小型接地矩形枝节并对矩形贴片做切角处理，结构如天线2所示。仿真结果显示，天线2的回波损耗小于-10 dB的带宽为（5.56.0）GHz，仍未到达所需覆盖的频段。随后，在天线2馈线的右侧再次引入小型接地矩形枝节，目的是为了与左侧矩形枝节引起的谐振频点相互靠近从而拓展天线带宽。仿真结果显示，天线3在4.7 GHz产生了谐振点且拓展了带宽，但其阻抗匹配性能及中心频率点所在位置并不理想。基于此，在天线3的基础上对接地平面做了切角处理并在矩形辐射贴片中心开十字型缝隙（天线4），仿真结果显示，天线4整体的阻抗匹配性能得到改善且高频左昌余，朱奎，廖同庆，等：用于车载终端通信的双频段全向单极子天线 49安庆师范大学学报（自然科学版）2023年段谐振频点向右偏移，完全满足设计需求。2参数分析天线结构的参数变化都会对其性能带来一定影响14。为了了解本文天线结构参数变化对其性能的影响，下面对一些重要的天线参数进行分析。2.1左侧接地矩形枝节Z1对S11的影响保持其他参数不变，将Z1长度依次增加或减少0.4 mm，得到回波损耗S11随频率的关系变化曲线，如图4所示15。随着Z1的增加，天线在低频段的带宽变宽，阻抗匹配增强，但是当Z1增加到9.4 mm时，天线的谐振点减少且带宽变窄。而在高频段，随着Z1的增加，天线的阻抗匹配性能变差。经综合考虑，Z1取值为9.0 mm。2.2右侧接地矩形枝节Z2对S11的影响以Z2作为扫描参数，将其尺寸依次增加或减小0.4 mm，可以获得Z2在取不同长度下回波损耗S11随频率的变化关系曲线，如图5所示16。随着Z2的增加，天线在低频段第二个谐振点的阻抗匹配性能提高，且S11值逐渐变小，但当Z2大于7.8 mm时，天线在低频段的谐振点减少且带宽变窄。同时，天线在高频段的阻抗匹配性能逐渐下降，且S11值变小，天线小于-10 dB的带宽变窄，说明随着Z2的增加并不会使天线整体性能得到改善。经综合考虑，Z2的尺寸为7.8 mm。2.3十字缝隙的宽度W1对S11的影响将缝隙宽度W1作为分析对象，依次对其增加或减小0.5 mm，得到回波损耗S11随频率的关系变化曲线，如图6所示。结果表明W1尺寸增加对天线的高频段并未产生显著影响。其中，当W1大于1.0 mm时，低频段的谐振频点减少且所覆盖的频段范围也变窄。基于此，W1的取值为1.0 mm。Frequency/GHz23456W1=0.5mmW1=1.0mmW1=1.5mmS11/dB0-5-10-15-20-25-30-35-40图6W1的变化对S11的影响Frequency/GHz23456Z1=8.6mmZ1=9.0mmZ1=9.4mmS11/dB0-10-20-30-40-50图4Z1的变化对S11的影响Frequency/GHz23456Z2=7.4mmZ2=7.8mmZ2=8.2mmS11/dB0-5-10-15-20-25-30-35图5Z2的变化对S11的影响3仿真和实测为了验证仿真结果，本文制作了天线并进行了测试。图7是加工制作的天线实物，其辐射贴片表面做了沉金工艺处理。天线仿真与测试的S11曲线如图8所示。可知，在低频段，天线小于-10 dB的带宽为（2.12.7）GHz，能够覆盖4G频段的（2.322.37）GHz以及5G的（2.5152.675）GHz。在高频段，天线小于-10 dB的带宽为（4.525）GHz，能够覆盖5G频段的（4.84.9）GHz。测试和仿真结果在趋势上基本吻合，其中，低频谐振点发生了偏移且带宽变窄，同时天线在高频段所覆盖的带宽比仿真结果要差，但图2天线设计过程（a）天线1（b）天线2（c）天线3（d）天线4图3设计过程中参考天线所对应的S11Frequency/GHz23456天线-1天线-2天线-3天线-4S11/dB0-10-20-30-40 50第1期结果都满足设计需求。仿真与测量结果之间存在的细微差异可能是由于加工过程误差、馈电同轴线的损耗以及测试误差等所引起。与此同时，在微波暗室里对天线的远场辐射方向图进行测试，图9为其远场测试场景图，其中，部分1为发射端喇叭天线，部分2为接收端待测天线。（a）（b）图7天线实物。（a）天线正面；（b）天线背面图8天线仿真与实测的S11曲线Frequency/GHz2345仿真测试S11/dB0-10-20-30-40图9微波暗室远场测试场景为验证所设计天线在工作频率内具有较好的全向辐射特性，本文选取了三个谐振频点进行天线性能测试，分别为2.32 GHz、2.62 GHz和4.90 GHz，并绘制了对应的仿真和测试归一化辐射方向图。图10分别给出了天线在不同谐振频点上的XOZ面、XOY面的仿真与实测的远场归一化辐射方向情况。可知，测试结果和仿真结果一致。除4.90 GHz频点外，其余频点的XOZ面均显示为准8字形，但存在着一些失真；而4.90 GHz频点的测试结果和仿真有一定差异，可能是由于测试时同轴馈线的摆放位置对天线产生了干扰。与此同时，所有频点的XOY平面都呈现准圆形。上述结果说明，该天线在工作频带上展现出了较好的全向辐射特性，符合设计要求。SimulatedMeasured03303002702402101801501209060300-20-40-60-40-200dB（a）2.32 GHz（XOZ面）SimulatedMeasured03303002702402101801501209060300-20-40-60-40-200dB（b）2.32 GHz（XOY面）SimulatedMeasured03303002702402101801501209060300-20-40-60-40-200dB（c）2.62 GHz（XOZ面）SimulatedMeasured03303002702402101801501209060300-20-40-60-40-200dB（d）2.62 GHz（XOY面）SimulatedMeasured03303002702402101801501209060300-20-40-60-40-200dB（e）4.9 GHz（XOZ面）SimulatedMeasured03303002702402101801501209060300-20-40-60-40-200dB（f）4.9 GHz（XOY面）图10仿真与测试的天线辐射方向情况此外，本文将近年来已发布的部分同类型单极子天线做了综合比较，结果如表2所示。通过比较发现，本文所设计的天线在尺寸、带宽、相对带宽等方面具有明显优势，是一款比较适用于车载终端通信的天线。左昌余，朱奎，廖同庆，等：用于车载终端通信的双频段全向单极子天线 51安庆师范大学学报（自然科学版）2023年4结论本文提出了一款用于露天矿山车载终端通信的双频段全向单极子天线。经优化设计、加工和测试，该天线的带宽能够有效覆盖（2.12.7）GHz 和（4.525.00）GHz频段，完全满足了露天矿山车载终端通信的要求。参考文献：1 JOHNSON K S,MENON S K.Compact CPW fed dual band Omni directional antenna with modified signal stripC.2018 Second Interna-tional Conference onAdvances in Electronics,Computers and Communications(ICAECC),2018:1-4.2 KISSIC,SARESTONIEMIM,SOMKKIM.DualbandCPW-feddoublemonopoleantennafor2.4/5.8GHzISMbandmedicalapplicationsC.2019 International Symposium onAdvanced Electrical and Communication Technologies(ISAECT),2019:1-6.3 DAYO ZA,CAO Q,SOOTHAR P,et al.Acompact coplanar waveguide feed bow-tie slot antenna forWIMAX,C and X band applicationsC.2019 IEEE International Conference on Computational Electromagnetics(ICCEM),2019:1-3.4 LU C,ZHENG H,WANG M.A coplanar waveguide fed tri-band antenna based on circular ring structureC.2018 Cross Strait Quad-Re-gional Radio Science and Wireless Technology Conference(CSQRWC),2018:1-3.5 RAHEJA D K,KANAUJIA B K.A CPW fed elliptical SWB antenna with dual band eliminationC.2019 6th International Conference onSignal Processing and Integrated Networks(SPIN),2019:1014-1017.6 TANAKA S,NOGUCHI K.A dual-band J-type meander antenna for 5G applicationsC.2020 International Symposium on Antennas andPropagation(ISAP),2021:475-476.7 GUANNAN C,PINGAN L,SHENG L,et al.A novel dual-band MIMO antenna for WLAN applicationsC.IET International Radar Con-ference(IETIRC 2020),2020:691-694.8 ZHONG X Y,YANG K.A novel multi-notch UWB antenna based on CPW-feedC.2019 3rd International Conference on Electronic Infor-mation Technology and 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57 114.4 36 0.512 19 0.50876 86 1.6带宽/GHz2.12.7,4.5252.332.752.42.54,5.725.941.312.78相对带宽/%25,10165.7,3.7871.88参考文献本文天线171819 52