WiFi/5G雙頻段列車車內通信天線設計

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鄧文強  柳溢航  肖  波  吳彥良

(西南交通大學，成都  610054）

摘要：針對列車車內組網通信提出一種新型小型化2.4/3.4 GHz的WiFi/5G雙頻段微帶貼片天線。天線由雙圓環輻射貼片、接地板及FR4介質基板構成。詳細討論兩圓環半徑和寬度對阻抗特性的影響，並對其進行輻射特性和增益特性的分析。該天線的諧振中心頻率為2.4/3.4 GHz，回波損耗均小於-10 dB，具有雙頻帶特性，且天線的實測結果與仿真結果非常相似。該天線在無線通信中具有非常重要的應用價值。

關鍵詞：微帶貼片天線；小型化；雙頻段；WiFi；5G

中圖分類號：U285.2

文獻標識碼：A

文章編號：1673-4440(2019)01-0022-05

10.3969/j.issn.1673-4440.2019.01.006

A Design of WiFi/5G Dual Band Antenna for Railway Vehicle Internal Communication

Deng Wenqiang, Liu Yihang, Xiao Bo, Wu Yanliang

（Southwest Jiaotong University, Chengdu 610054, China）

Abstract:A new type of 2.4/3.4 GHz WiFi/5G dual band microstrip patch antenna  is proposed for railway vehicle internal communication. The antenna is composed of double ring radiation patch, ground plate and FR4 medium substrate. The influence of two ring radius and width on the impedance characteristics are discussed in detail, and the analysis of the radiation and gain characteristics then have been carried out. The resonant frequency of the antenna is 2.4/3.4 GHz, the return loss is less than -10 dB, and the antenna has dual band characteristics. The measured results and the simulation results of the antenna are very similar. The antenna is very valuable in wireless communications.

Keywords:microstrip patch antenna; miniaturization; dual band; WiFi; 5G

基金項目：國家自然科學基金高鐵聯合基金（NSFCU1734209）;中國鐵路總公司科技研究開發計劃課題（2017X013-A）

1 概述

我國鐵路行業快速發展，尤其是復興號高速列車的運營速度已達到350 km/h，這也促使鐵路領域無線通信技術的進步，本文聚焦於高速列車車廂內部的無線通信天線設計。2017年11月10日，工業和信息化部正式發布《工業和信息化部關於第五代移動通信系統使用3 300～3 600 MHz和4 800～5 000 MHz頻段相關事宜的通知》（工信部無[2017]276號），規劃3 300～3 600 MHz和4 800～5 000 MHz頻段作為第五代移動通信系統（5G）的工作頻段，其中，3 300～3 400 MHz頻段原則上限室內使用。因此，2.4 GHz的WiFi頻段和3.4 GHz的5G室內通信頻段將會成為室內及車內高速無線通信技術的首選頻段，具有高傳輸速率、傳輸距離遠、布置靈活等特點。實現WiFi/5G雙頻段組網就需要設計相應的天線，微帶貼片天線結構簡單，成本低，易於集成，便於獲得線極化和圓極化[1]。在雙頻段天線的設計中，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[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[9]中再次使用圓環結構實現雙頻段天線，但其低頻段帶寬過窄。通過文獻的查閱，可以看出圓環型結構是有效實現雙頻段特性的結構。而覆蓋2.4/3.4 GHz兩個常用頻段的雙頻段貼片天線並不多見。因此，本文提出一種新型的應用於WiFi/5G雙頻段微帶天線的設計方法，並通過加工、測試可以看出，實測結果和利用軟體的仿真結果非常相似，天線具有雙頻帶的特性。

2　天線結構

2.1　天線形狀選擇

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

2.2　天線尺寸計算

假設介質的相對介電常數為，對於工作在頻率為f的微帶天線，波導波長為：

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

採用FR4板材，其相對介電常數為4.4，損耗角正切為0.02，厚度為1.6 mm，所要設計天線頻段的中心頻率為2.4 GHz和3.4 GHz，將計算參數代入公式（1）和（2），則計算出兩個全波長環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，後者只有5.8%的誤差，這說明，採用此計算公式和設計方法能很快計算出天線的初始尺寸，節約大量仿真優化的時間，使雙頻段天線設計變得簡單、快速。

3　天線設計

3.1　天線模型

因為設計初期計算使用的公式都為理論公式，所以在後續設計過程中為了實現更好的天線性能，可以通過對天線模型進行調整。

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

3.2　仿真分析

由於天線雙頻段輻射是基於天線的內外兩個圓環均作為輻射元工作，所以，兩圓環內徑是影響天線性能的主要參數，在HFSS軟體中對這些參數進行詳細的分析和仿真，以得到最優化的天線性能。

在優化過程中，保持其他參數不變。分別對參數r1、r2進行掃描分析，分析結果如圖2、3所示。

從圖2中可以看出，天線高頻段對內圓環半徑r1較敏感，隨著r1增大，高頻段頻點逐漸向較低頻率移動，S11參數增大，高頻帶帶寬沒有明顯變化，當r1=7.5 mm時，天線具有最好的諧振效果，當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，這是由於在2.4 GHz時，饋線提供能量主要耦合到外圓環上，此時內外圓環距離增大，使得外圓環耦合增強。

在確定r1後對r2進行分析，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。

經過一系列的優化，最終得到各參數值分別為r1=7.3 mm，r2=11.7 mm，w1=2.2 mm，w2=2 mm。

經過優化後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，並且在諧振中心頻率處的S11參數均小於-10 dB，滿足雙頻帶的要求。

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。

4　實測結果

天線實際加工成品及實測環境，如圖7所示。

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，天線的實測結果與仿真結果相比，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。造成這種現象主要是因為在天線的加工過程中焊接不精細，加工參數與仿真參數存在誤差，FR4介質基板厚度誤差及相對介電常數存在誤差等。

5　結束語

本文給出的天線結構中，兩個圓環分別作為兩個輻射元工作，並利用中間連接的矩形貼片進行能量耦合，以達到雙頻帶的特性。本文著重分析了兩同心圓環內徑對天線性能的影響。經過仿真優化並加工實測，得到一種新型的應用於高速列車車內無線通信的WiFi/5G雙頻帶天線。本文提出的新型雙圓環天線，能簡單、快速、有效地實現指定的雙頻段天線的初始結構尺寸，為天線設計節約大量的時間，並且具有較好的天線性能。該天線構造簡單，性能好，成本較低，可以在無線通信領域中得到廣泛應用。

6 致謝

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

參考文獻

[1]Pozar D.M.Microstrip Antenna Aperture-Coupled to A Microstripline[J].Electronics Letters，1985，21（2）： 49-50.

[2]Chen Jinsen.Dual-Frequency Annular-Ring Slot Antennas Fed by CPW Feed and Microstrip Line Feed[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2005，53 （1）：569-571.

[3] Wang gang，Liu Juan，Xia Jing，et al.Coaxial-Fed Double-Sided Bow-Tie Antenna for GSM/CDMA and 3G/WLAN Communications[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2008，56 （8）： 2739-2742.

[4]Tiang J.J，Islam M.T，Misran N，et al.Slot Loaded Circular Microstrip Antenna with Meandered Slits[J].Journal of Electromagnetic Waves and Applications，2012， 25 （13）： 1851-1862.

[5]Ray K.P，Deepti Das Krishna.Compact Dual Band Suspended Semicircular Microstrip Antenna with Half U-Slot[J].Microwave and Optical Technology Letters，2006，48（10）：2021-2024.

[6] Chen WenShan，Wong KinLu.A Dual-Frequency Coplanar Waveguide-Fed Slot Antenna[J].Microwave and Optical Technology Letters，2000，25（3）：226-228.

[7]施小敏.重慶都市快軌無線通信系統頻段應用需求分析[J].鐵路通信信號工程技術，2018，15（4）：62-67.

Shi Xiaomin.Requirements Analysis of Frequency Band Application of Radio Communication System for Chongqing Urban Rapid Rail Transit[J].Railway Signalling & Communication Engineering，2018，15（4）： 62-67.

[8]Chen Wenshan，Huang Chiehchin，Wong Kinlu.A Novel Microstrip-Line-Fed Printed Semicircular Slot Antenna for Broadband Operation[J].Microwave and Optical Technology Letters，2000，26 （4）：237-239.

[9]Esfahlani S.H.S，Tavakoli A，Dehkhoda P.A.Compact Single-Layer Dual-Band Microstrip Antenna for satellite Applications[J].IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters，2011，10（3）：931-934. 

（收稿日期：2018-10-31）

（修回日期：2018-11-11）

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