杜宜霖 李子恒 庄华伟

摘要：基于对IMT新频段的研究，本文提出了一种中心频率位于6.7GHz，可工作于6.4GHz-7.1GHz的宽频带微带缝隙天线，该天线既拥有传统微带天线的易于制造，重量轻、剖面低、成本低的特点，又具有现代移动通信所要求的高增益、宽频带特点。文中给出了具体的设计步骤，设计尺寸以及回波损耗系数等参数，并分析了各个参数对天线性能的影响，同时对设计天线进行了仿真和实测，两者结果吻合较好。

关键词：微带天线;缝隙天线;IMT;天线设计

一、引言

目前我国频谱资源稀缺，位于中低频段的应用十分密集，而高频段的应用则有待开发。在去年的IMT（International Mobile Telecommunications）“5G+工业互联网”高峰论坛上，工信部提出将6 GHz-7 GHz频段纳入5G毫米波的考虑范围。虽然目前毫米波的应用仍然面临着诸多挑战，例如没有大容量的刚性需求、传输损耗大，吞吐量不稳定等，但WRC-19大会仍决定将6 GHz（6425-7125 MHz）频段新增为IMT使用标注列入WRC-23议题，所以该频段天线的研究对现在和未来通信设备工作有着重要意义。

微带天线是一种谐振天线，其最突出的特点就是工作频带窄，相对带宽一般约为2%-5%，而较窄的频带使其在实际应用中受到了很大程度的限制，应用场景也十分有限。为了增加微带天线的频带宽度，常用的方法就是降低谐振电路的品质因数Q值，目前主流的方法就是增加介质基板厚度、降低介质基板的介电常数值或者增加寄生贴片等方法。本文所选取的方法是将利用缝隙产生两个谐振点，并使两个谐振点工作在相近的频率，从而达到拓宽工作带宽，进一步通过优化天线结构，以达到扩大其应用场景的目的。

二、天线结构设计

该天线是在介质基板上由一个带有X型缝隙的辐射单元和馈电线组成的矩形微带天线。介质基板的厚度为ts，辐射单元和馈线的厚度为tm。贴片天线的辐射波瓣较宽，但是天线的频带带宽近似与介质基板的厚度ts成正比。为了提升天线的性能，我们在天线中央刻蚀缝隙来优化天线性能。若是在无限大的平面上建立一个长度为λ/2的缝隙，取o为缝隙中心并定义x与y轴为平面轴，z轴为铅垂轴，θ为z轴指向y轴的角度，φ为x轴指向y轴的角度。则水平缝隙在水平面方向处处辐射垂直极化波，且电场只有一个分量Eφ。

（1）

Eφ是一个常量，但在有限尺寸的辐射单元上，其两侧表面的电流会因为在xz平面上等幅反向而相互抵消，所以辐射单元所在平面的所有方向上的辐射都为零。根据公式可以得计算出沿φ方向的远场点的相对场强为：

（2）

（3）

为了在6GHz-7GHZ频段实现高带宽的性能，设计思路是在矩形微带天线中央开了一个对称结构的“X”形缝隙，两个缝隙分别呈+45°和-45°，如下图所示：

本文提出的天线是矩形窄缝隙微带天线的改进版，在介质基板的面积不变的情况下使用“X”形缝隙所获得的实际耦合面积比普通的矩形缝隙更大;同时采用单端边缘馈电方式。

采用CST仿真可以看到天线的表面电流分布图。由图2可以看出，天线在加装缝隙之前电流集中分布在+x方向，导致电流激发的磁场集中在该方向，不符合本天线设计的应用场景。

通過加装补充缝隙来完善天线的方向性，首先在“X”缝隙的-x方向端的加装半圆形补充缝隙，可以看出电流分布有一定改善。后续采用对称结构完善该天线，在“X”形缝隙的四个端都加装半圆形缝隙天线。加装补充缝隙后如图3所示。

由图2（右）可以看出加装补充缝隙后“X”型天线的四个端都有强电流分布，说明在6.7 GHz时该天线的谐振由这四个端的强电流激发。

由图4可以看出，改装后的天线有两个谐振点，分别为6.746 GHz和6.915 GHz，在这两个谐振点的回波损耗约为-30dB左右，优于改装前的天线。同时加装半圆形补充缝隙时该天线获得了9.7%的频带带宽。

在天线具体尺寸方面微带天线的长设定为patch_l，宽设定为patch_w;缝隙宽度和长度分别用gap_x1、gap_y1、gap_x2、gap_y2来定义，半圆形的补充缝隙半径为R。介质基板采用Rogers RT5880材料制作，介电常数为2.2，厚度为1.8mm，馈线与贴片天线直接相连。通过计算和优化得到：

有效介电常数

（4）

波长

（5）

辐射单元宽度满足

（6）

（7）

辐射单元的长度满足

（8）

设辐射单元的中心为[0，0]点即（）：

（9）

其中      （10）

根据频带宽度的经验公式：

频带宽度=  （11）

不难看出，频带宽度其实是介质厚度ts的线性函数。但是在实际情况中，ts厚度的增加会导致较大的表面波（类似于趋肤效应）和寄生辐射，导致天线的定向性下降。

三、CST仿真优化设计

我们利用CST对该天线进行仿真模拟，取patch_l=43.092mm、patch_w=40m、gap_x1=gap_x2=18mm、gap_y1=gap_y2=5mm。如图5为天线的S参数，我们可以很清楚地看到该天线有两个谐振点，分别位于6.75GHz和6.9GHz，两个相对紧凑的谐振点可以保证工作频带的连续性，故研究各个参数对天线谐振点变化和回波损耗系数的影响极为重要。

本文的仿真优化设计主要有缝隙顶端半圆尺R以及矩形缝隙长度gap_x，gap_y。

（一）半圆缝隙半径R对天线性能的影响

圖6为当其他参数固定时，半径R取不同的值时回波损耗的变化，可以得出回波损耗特性对于半圆补充隙的半径较为敏感。对R进行优化设计，通过计算我们得知R的范围大致在3.1mm-3.3mm的范围内，于是对此区域设置的一系列R值进行仿真，通过仿真我们可以看到在R在大于3.2mm后性能会急剧恶化，即回波损耗系数会变大且带宽降低，并且谐振点也会右移。又通过对R=3.1mm及R=3.2mm的对比我们可以发现虽然在R=3.1mm时天线的谐振点较低，即在谐振点获得了较好的回波损耗系数，但由于曲线在6.5GHz-6.7GHz时曲线下降太慢，故其造成了在天线带宽上的部分位置工作状况不佳的情况，所以综合以上情况考虑，我们选择了R=3.2mm作为半圆缝隙的半径最终取值。

从图中我们可以看出两个谐振点的回波损耗系数皆在-30dB左右，小于-10dB的带宽为6.4GHz-7.05GHz，绝对带宽为0.65GHz，由此可算出相对带宽为（0.65GHz/6.7GHz）=9.7%，相较于传统微带天线的2%-5%的相对带宽，此天线的设计达到了展宽带宽的目的。

（二）gap_x对天线性能的影响

对gap_x进行优化设计，通过计算我们得知gap_x的范围大致在3.1 mm～3.3 mm的范围内，于是对此区域设置的一系列gap_x值进行仿真。通过仿真我们可以观察到，改变gap_x的值会引起回波损耗曲线中两个谐振点的不均匀变化，并且会使谐振点发生略微的偏移。综合考虑，当gap_x=17.7mm时，两个谐振频率点的回波损耗系数均较低，且带宽也保持在一个相对较宽的程度，因此认为此时天线的性能最佳。

（三）gap_y对天线性能的影响

对gap_y设置梯度并进行仿真后，我们可以看到gap_y同样对天线的谐振频率和回波损耗系数有着明显影响，当gap_y的值偏离最佳值5mm时我们可以发现其不管是在回波损耗系数还是工作频带上都有明显恶化与偏移，且两个谐振点对应频率相互远离，使得在同一个频带不能形成两个谐振频率较近的频点，故天线的性能会急剧恶化。所以，应当让天线的两个谐振频率工作在相对较近的频点，这样才能保证天线的性能。

四、天线性能分析

（一）天线的辐射方向图

图9、图10给出了此天线在频率为6.746GHz上的归一化辐射方向图，可以看到其有两个增益峰值分别位于两侧的34°位置上且达到了为 6.64dBi。

（二）天线的回波损耗系数

通过对天线参数的精心设计和不断的优化。本次设计的宽频带微带缝隙天线的最终回波损耗系数如图5所示，可以看到其谐振点在6.75GHz和6.92GHz附近，天线的-10dB带宽达到了0.65GHz，基本满足了现代移动通信对宽带宽的要求。

五、结束语

本文提出了一种基于IMT 新频段的微带缝隙天线，并基于CST软件进行了多次仿真分析，其与传统微带天线相比性能有了很大的提升，解决了传统微带天线工作带宽偏低的问题，扩展了其应用范围。对于正在研究且即将被应用的IMT新频段，此天线也可以很好地满足各种设备的需求。另外经过理论分析验证，此天线也可以通过使用双馈形式实现双极化或者圆极化，这对其形成天线阵列后的进一步广泛应用是十分有利的，因此其双极化和圆极化特性和应用也将是一个值得研究的方向。

作者单位：杜宜霖   李子恒   庄华伟    山东建筑大学信息与电气工程学院

参  考  文  献

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