HFSS仿真设计·5G微带天线（Ka波段）及优化方案调研

Ka波段矩形微带仿真

本次课程设计为Ka波段的矩形微带天线，中心频率取为28GHz（26.5GHz~29.5GHz）。

参数计算

选取相对介电常数4.4的FR4Epoxy，中心频率取28GHz，设介质基片厚度为0.5mm。可以计算得到矩形贴片的宽度：

W=3.26mm
有效介电常数=4.26
δL=0.023mm
L=1.5482mm
L1=0.3372mm

模型设计

仿真模型设计

初始仿真数据观测

• S11系数观察
  我们可以认为当S11参数小于10dB的范围为天线带宽，则观察可以看到，此设计下的天线工作频率为26GHz至27.6GHz，不符合设计需求的26.5GHz至29.5GHz，需要进行下一步优化。
  
• Gain Plot
  
  由图中数据得到，此天线在0°时增益为6.2382dB<28.5dB，远小于技术指标，需要进一步优化。
• 轴向交叉极化比（0°）
  由图中数据可以观测出，此天线的轴向交叉极化比约为0，需要优化。
  
• 有源驻波比
  
  可以看到，该天线在一定频率下满足有源驻波<3dB的条件，其他条件需要进行下一步优化。

优化设计

• 改变馈电位置L1=0.4977mm
• 针对工作频率进行参数优化，将L、W、L1作为优化参数进行优化，其优化结果如图：
  观测得到几组比较好的参数使工作频率在27.7GHz至29.49GHz、27.19GHz至29.01GHz、26GHz至27,90GHz，其带宽都比较窄，都未能达到比较理想的工作条件，在这里我们选择27.19GHz至29.01GHz这一组的参数进行下一步优化。

另一个模型的结果

通过分析，发现原始的模型在该工作频率下难以达到预期的效果，我们选择对另外一个模型的工作参数进行优化，得到的优化结果如下，因为保密问题在此不放模型图片。

• S11参数观察工作频率
• 增益
• 轴向极化比远低于目标的-20dB
  
• 有源驻波小于3
  

优化方案调研

• 工作频率
  在3GPP协议中，5G的总体频谱资源分为两个区域FR1和FR2，即两个频率表范围。FR1（也叫Sub6G，即低于6G）的频率范围是450MHz到6GHz，他的优点在于频率低，其绕射能力强，覆盖效果好，是当前5G的主要频谱，因为其低于3GHz的部分包括了现有在用的2G、3G、4G的频谱，有利于建网初期5G网络的快速部署；FR2是高频波段（24GHz至52GHz），即我们常说的毫米波，其优势在于带宽大，频谱干净，干扰少。
  我们本次设计的目标天线工作频率在26.5GHz至29.5GHz，属于FR2区域，将在未来被应用于一些高速场景。
• 设置双极化±45°的原因
  移动终端使用的环境比较复杂，如发射出的垂直或水平极化电磁波传播经过多次反射、折射、绕射传播后，到达接收端已经发生变化，用正负45度双极化天线可以减小极化损失，准确接收电磁波。双极化的实现方式有：
  • 用传统的共线阵实现垂直极化，用介质加载的缝隙柱来实现水平极化。
  • 通过圆盘天线和线天线的组合实现了双极化
  • 通过改进的单极子天线得到垂直极化，用平面环天线得到水平极化，最终得到了垂直/水平双极化全向天线
• Gain（dBi）@0°
  通过自习阅读相关文章，我们发现可以通过调整寄生贴片和辐射贴片之间的位置来改善天线的增益。
• 轴向交叉极化比
• 有源驻波
  改变天线馈点位置，使天线负载匹配。
• 异极化隔离度
  天线发射的信号与另一个天线所接收的信号功率的比值。

阅读文献

[1]束咸荣,董玉良,王华.天线的交叉极化比[J].中国电子科学研究院学报,2010,5(04):344-346.
[2]全梦. ±45°双极化全向天线研究[D].电子科技大学,2014.
[3]闫晓峰, 王平. 降低宽带有源阵列天线系统驻波比的方法研究[J]. 科技传播, 2014(24).