WiFi/5G双频段列车车内通信天线设计

2019-03-04邓文强柳溢航吴彦良

铁路通信信号工程技术 2019年1期

邓文强柳溢航肖波吴彦良

(西南交通大学，成都 610054)

1 概述

我国铁路行业快速发展，尤其是复兴号高速列车的运营速度已达到350 km/h，这也促使铁路领域无线通信技术的进步，本文聚焦于高速列车车厢内部的无线通信天线设计。2017年11月10日，工业和信息化部正式发布《工业和信息化部关于第五代移动通信系统使用3 300～3 600 MHz和4 800～5 000 MHz频段相关事宜的通知》（工信部无[2017]276号），规划3 300～3 600 MHz和4 800～5 000 MHz频段作为第五代移动通信系统（5G）的工作频段，其中，3 300～3 400 MHz频段原则上限室内使用。因此，2.4 GHz的WiFi频段和3.4 GHz的5G室内通信频段将会成为室内及车内高速无线通信技术的首选频段，具有高传输速率、传输距离远、布置灵活等特点。实现WiFi/5G双频段组网就需要设计相应的天线，微带贴片天线结构简单，成本低，易于集成，便于获得线极化和圆极化[1]。在双频段天线的设计中，微带缝隙天线或蝶形天线[2-7]被广泛使用，但是其谐振频率一般较低，无法覆盖WiFi/5G两个常用移动通信频段。而作为贴片天线，文献[8]中提出的一种新型印刷天线谐振频率较低，且高低频率差值较小。文献[9]中再次使用圆环结构实现双频段天线，但其低频段带宽过窄。通过文献的查阅，可以看出圆环型结构是有效实现双频段特性的结构。而覆盖2.4/3.4 GHz两个常用频段的双频段贴片天线并不多见。因此，本文提出一种新型的应用于WiFi/5G双频段微带天线的设计方法，并通过加工、测试可以看出，实测结果和利用软件的仿真结果非常相似，天线具有双频带的特性。

2 天线结构

2.1 天线形状选择

贴片天线的形状多种多样，但通过文献的查阅，本文设计了新型双圆环天线，它能有效、快速地实现天线双频段特性，并且具有较好的天线性能。

2.2 天线尺寸计算

假设介质的相对介电常数为rε，对于工作在频率为f的微带天线，波导波长为：

公式（1）中，c为光速。设计的新型双频段天线，采用两个全波长环形天线，则全波长环形天线的半径r为：

采用FR4板材，其相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02，厚度为1.6 mm，所要设计天线频段的中心频率为2.4 GHz和3.4 GHz，将计算参数代入公式（1）和（2），则计算出两个全波长环形天线的半径分别为12 mm和8.5 mm。这与仿真加工出来的天线半径r1+w1/2=8.4 mm和r2+w2/2=12.7 mm非常吻合，前者只有1.2%的误差，后者只有5.8%的误差，这说明，采用此计算公式和设计方法能很快计算出天线的初始尺寸，节约大量仿真优化的时间，使双频段天线设计变得简单、快速。

3 天线设计

3.1 天线模型

因为设计初期计算使用的公式都为理论公式，所以在后续设计过程中为了实现更好的天线性能，可以通过对天线模型进行调整。

天线的基本构造如图1所示。天线尺寸为40×40×1.6 mm。介质板的上层为贴片福射单元，通过两个同圆心的圆环加两个矩形贴片而构成，其结构的设计可以用来增加天线的阻抗匹配。天线的具体尺寸参数包括：W、L分别为天线的x方向长度和y方向长度；r1、r2分别为两圆环贴片的内径、w1、w2分别为两圆环的宽度；W1为连接两圆环矩形的宽度；L1为矩形的长度。首先使用遗传算法计算出天线尺寸，部分天线结构尺寸如下：L=40 mm，W=40 mm，h=1.6 mm，L1=11.7 mm，W1=1.6 mm。

图1 天线结构图Fig.1 Antenna Structure Chart

3.2 仿真分析

由于天线双频段辐射是基于天线的内外两个圆环均作为辐射元工作，所以，两圆环内径是影响天线性能的主要参数，在HFSS软件中对这些参数进行详细的分析和仿真，以得到最优化的天线性能。

在优化过程中，保持其他参数不变。分别对参数r1、r2进行扫描分析，分析结果如图2、3所示。

图2 内圆环半径r1对天线回波损耗的影响Fig.2 Influence of inner ring radius r1 on antenna return loss

图3 外圆环半径r2对天线回波损耗的影响Fig.3 Influence of outer ring radius r2 on antenna return Loss

从图2中可以看出，天线高频段对内圆环半径r1较敏感，随着r1增大，高频段频点逐渐向较低频率移动，S11参数增大，高频带带宽没有明显变化，当r1=7.5 mm时，天线具有最好的谐振效果，当r1=6.5 mm时，中心频率最靠近要求的2.4 GHz/3.4 GHz。与此同时，随着r1的变化，低频带带宽及频点均无明显变化，回波损耗随r1增大而增大，天线低频段性能变差，这是由于在2.4 GHz时，馈线提供能量主要耦合到外圆环上，此时内外圆环距离增大，使得外圆环耦合增强。

在确定r1后对r2进行分析，从图3中可以看出r2对低频段影响较大，随着r2的增大，低频段中心谐振频率不断向低频率移动，带宽减小，但天线回波损耗也不断减小，天线在低频段的性能变好。r2的变化对天线高频段的频带与频点影响较小,在r2=11 mm左右时，天线在高频段性能最佳。

经过一系列的优化，最终得到各参数值分别为r1=7.3 mm，r2=11.7 mm，w1=2.2 mm，w2=2 mm。

经过优化后天线的回波损耗随频率变化的曲线，如图4所示，天线的谐振中心频率为2.4 GHz/3.4 GHz，并且在谐振中心频率处的S11参数均小于-10 dB，满足双频带的要求。

图4 天线的回波损耗随频率变化图Fig.4 The Variation diagram of antenna return loss varies with frequency

图5、6分别表示在2.4 GHz/3.44 GHz频率下的E_Plane辐射方向。从图5、6中可以看出，天线向上方向辐射最大，为单向辐射天线，具有较大的3 dB波束宽度，能够满足双频段天线的通信要求。

图5 3.44 GHz辐射方向图Fig.5 3.44 GHz radiation direction diagram

4 实测结果

天线实际加工成品及实测环境，如图7所示。

图6 2.4 GHz辐射方向图Fig.6 2.4 GHz radiation direction diagram

图7 天线实物及实测环境Fig.7 Antenna Physical object and actual test environment

天线仿真与实测的对比分析，如图8所示，从图8中可以看出，天线的实测结果与仿真结果相比，高低频段的谐振中心频率均减小，低频段的回波损耗相差不大，而实测值中高频段的回波损耗比仿真值大。造成这种现象主要是因为在天线的加工过程中焊接不精细，加工参数与仿真参数存在误差，FR4介质基板厚度误差及相对介电常数存在误差等。

图8 天线仿真与实测的对比分析图Fig.8 Comparison and analysis diagram of antenna simulation and actual test

5 结束语

本文给出的天线结构中，两个圆环分别作为两个辐射元工作，并利用中间连接的矩形贴片进行能量耦合，以达到双频带的特性。本文着重分析了两同心圆环内径对天线性能的影响。经过仿真优化并加工实测，得到一种新型的应用于高速列车车内无线通信的WiFi/5G双频带天线。本文提出的新型双圆环天线，能简单、快速、有效地实现指定的双频段天线的初始结构尺寸，为天线设计节约大量的时间，并且具有较好的天线性能。该天线构造简单，性能好，成本较低，可以在无线通信领域中得到广泛应用。