5G微帶陣列天線

2021-02-25 深圳市雅諾訊科技有限公司

5G技術，欲展宏圖，頻譜先行。

關於5G頻譜的各個構件，今天就淺談下5G硬體中重要的元器件「5G微帶陣列天線」的知識。

利用介質常數為2.2，厚度為1mm，損耗角為0.0009的介質，設計一個工作在5G的4X4的天線陣列。

評分標準：

良：帶寬〈7%

優：帶寬〉7%且效率大於60%

 

1微帶輻射貼片尺寸估算

設計微帶天線的第一步是選擇合適的介質基板，假設介質的介電常數為，對於工作頻率f的矩形微帶天線，可以用下式設計出高效率輻射貼片的寬度W，即為：

式中，c是光速，輻射貼片的長度一般取為；這裡是介質內的導波波長，即為：

考慮到邊緣縮短效應後，實際上的輻射單元長度L應為：

式中，是有效介電常數，是等效輻射縫隙長度。它們可以分別用下式計算，即為：

 

2.單元的仿真

 

由所給要求以及上述公式計算得輻射貼片的長度L=19.15mm,W=23.72mm。採用非輻射邊饋電方式，模型如圖1所示：

圖1 單元模型

 

此種饋電方式，可以通過移動饋電的位置獲得阻抗匹配，設饋電點距離上寬邊的偏移量為dx,經仿真得到當dx=4mm時，阻抗匹配最好。另外，之前計算出的尺寸得到的諧振點略有偏移，經過仿真優化後貼片尺寸變為L=19mm,W=23.72mm。仿真結果圖如圖2，圖3所示。

圖2 S11參數

 

圖3 增益圖

 

從圖中可以看出諧振點為5GHz，計算的相對帶寬為2.2%，增益為5.78dB。

 

2. 2×2陣列設計

 

設計饋電網絡並組陣，模型圖如圖4所示。

圖4 2×2微帶天線陣列

 

圖 5 S11參數

由S11參數可以看到2×2陣列天線諧振點為5GHz，且此時的S11=-19dB，說明反射損耗小，匹配良好。相對帶寬約為2.8%。

 

圖 6 方向圖

 

由方向圖可以看出2×2陣列天線的增益為13.96dB,第一副瓣電平為-10.6dB，可知組陣能使天線的增益變高。

 

3. 4×4陣列天線

 

天線陣列如圖7所示：

圖7 4×4陣列天線

 

圖8 S11參數

 

圖9 方向圖

 

由S11參數圖可以看到諧振點在5GHz，反射損耗較小，帶寬約為2%。由方向圖可以看到增益約為19.96dB，第一副瓣電平為-11.79dB。

關於5G頻譜兩個域總結於下表

                                   5G頻譜分為FR1和FR2，對應低頻和高頻

那麼FR1都定義了哪些頻段呢？

看下表！

從在這張表可以看出，和LTE不同，5G頻段都是以「n」開頭的。不過，「n」後面帶的數字還是暴露了這些頻段和4G的關係。

這張表從n1到n76，去掉前面的「n」，就是4G的頻段名稱了，上下行起始位置是完全一樣的（注意，有些頻段是4G獨有的，有些是5G獨有的）。這裡再放個4G頻段表大家感受下。

4G 頻段大全

如果看得夠仔細地話，會發現雙工模式這一列裡，除了我們熟知的FDD和TDD之外，還混入了SDL和SUL這兩個奇怪的東西。它們到底是哪路神仙呢？

SDL：Supplementary Downlink，又稱為輔助下行。

SUL：Supplementary Uplink，又稱為輔助上行。

也就是說，SDL和SUL頻段只能做下行或者上行，因此不能獨立工作，僅作為輔助頻段，這些頻段的頻率較低，覆蓋性能較好，可用來彌補上下行覆蓋的不足。

至於5G的FR2頻段，就和4G沒什麼關聯了。見下表：

現在我們來說說中國的5G頻譜分配情況，大概就這麼些候選頻段。

中國5G候選頻段

眾所周知，中國有移動，聯通和電信這三家，這些頻譜到底怎麼分呢？

目前對這一切還是眾說紛紜，畢竟頻譜的劃分是一件非常關鍵的事情，對三大運營商的5G發展影響深遠。

11月27日，中國工程院院士席鄔賀銓在2018未來信息通信技術國際研討會上表示，中國的5G商用會從6GHz以下頻段開始。這一點也早已是業界共識。

同時鄔院士還透露，聯通和電信將在3.5GHz頻段各獲得100MHz的頻譜資源；中國移動有望在2.6GHz頻段獲得100-150MHz頻譜資源，另外，中國移動還有可能獲得4.9GHz頻段的100MHz頻譜資源。

基於鄔院士的說法，在加上之前的一些信息，蜉蝣君畫了如下的中國5G頻譜分配圖。

可以看出，國際上最主流的，最有可能全球率先商用的3.5GHz頻段被分給了相對弱小的聯通和電信，留下2.6GHz生態鏈推動的重擔給了移動，但移動分到了帶寬最多，也體現了相對的公平

在全球5G測試高歌猛進的同時，5G頻譜的博弈也是一個看不見的戰場。沒有足夠的優質頻譜，5G技術再厲害也展示不出來。可謂巧婦難為無米之炊

低頻的廣覆蓋，實現連續覆蓋都難，還怎麼實現萬物互聯，高可靠低時延？

沒有高頻的大帶寬，在技術上和4G相比沒有大的突破的情況下，怎麼實現閃電速度？

因此，5G把頻譜資源分成了兩個域：FR1和FR2。這裡的FR就是Frequency Range的意思。

FR1對應的頻率範圍是450MHz-6GHz，說白了就是低於6GHz的頻譜，也叫Sub6G，其實這段頻譜已經把現在的2G，3G和4G在用的頻譜全部囊括在內了。

為了能更好地支持萬物互聯和超可靠低時延這兩類物聯網應用，5G對低於1GHz的超低頻也是興趣盎然，給其賜以嘉名：Sub1G。

FR2對應的是24GHz到52GHz這樣的高頻，在這段頻譜上，電磁波的波長是毫米級別的，因此得名毫米波（嚴格來說大於30GHz才叫毫米波），又叫mmWave。

毫米波頻譜的特點是超大帶寬，一段頻譜動輒好幾個GHz的帶寬，路寬了，可以修更多車道，跑更大的車，速率也是譁譁的提升，5G每秒20G峰值速率的夢想正是構築於此。

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