5g微带阵列天线

5G 微带阵列天线

要求：利用介质常数为2.2，厚度为1mm ，损耗角为0.0009的介质，设计一个工作在5G 的4X4的天线阵列。 评分标准： 良：带宽〈7%

优：带宽〉7%且效率大于60%

1微带辐射贴片尺寸估算

设计微带天线的第一步是选择合适的介质基板，假设介质的介电常数为r ε，对于工作频率f 的矩形微带天线，可以用下式设计出高效率辐射贴片的宽度W ，即为：

1

21()2

r c w f ε-+=

式中，c 是光速，辐射贴片的长度一般取为/2e λ；这里e λ是介质内的导波

波长，即为：

e λ=

考虑到边缘缩短效应后，实际上的辐射单元长度L 应为：

2L L =

-∆

式中，e ε是有效介电常数，L ∆是等效辐射缝隙长度。它们可以分别用下式计算，即为：

1

211

(112)22r r e h w

εεε-+-=

++ (0.3)(/0.264)

0.412(0.258)(/0.8)

e e w h L h

w h εε++∆=-+

2.单元的仿真

由所给要求以及上述公式计算得辐射贴片的长度L=19.15mm,W=23.72mm 。采用非辐射边馈电方式，模型如图1所示：

图1 单元模型

此种馈电方式，可以通过移动馈电的位置获得阻抗匹配，设馈电点距离上宽边的偏移量为dx,经仿真得到当dx=4mm 时，阻抗匹配最好。另外，之前计算出的尺寸得到的谐振点略有偏移，经过仿真优化后贴片尺寸变为L=19mm,W=23.72mm 。仿真结果图如图2，图3所示。

3.50

4.00 4.50

5.00 5.50

6.00 6.50

Freq [GHz]

-30.00

-25.00

-20.00

-15.00

-10.00

-5.00

0.00d B (S (1,1))

HFSSDesign1

XY Plot 1

ANSOFT

m 1

m 2

m 3

Curve Info

dB(S(1,1))

Setup1 : Sw eep

Name X

Y

m 1 4.9500-10.3381

m 2 5.0600-10.1725m 3

5.0000-2

6.9508

图2 S11参数

-200.00

-150.00-100.00-50.00

0.0050.00100.00150.00200.00

Theta [deg]

-20.00

-15.00

-10.00

-5.00

0.00

5.00

10.00

d B (G a i n T o t a l )

HFSSDesign1

XY Plot 2

ANSOFT

Curve Info

dB(GainTotal)Setup1 : LastAdaptive Freq='5GHz' P hi='0deg'

dB(GainTotal)Setup1 : LastAdaptive Freq='5GHz' P hi='90deg'

图3 增益图

从图中可以看出谐振点为5GHz ，计算的相对带宽为2.2%，增益为5.78dB 。

2. 2×2阵列设计

设计馈电网络并组阵，模型图如图4所示。

图4 2×2微带天线阵列

图 5 S11参数

由S11参数可以看到2×2阵列天线谐振点为5GHz，且此时的S11=-19dB，说明反射损耗小，匹配良好。相对带宽约为2.8%。

-28.00

-16.00-4.00

8.009060

30

-30

-60

-90

-120-150

-180

150

120

HFSSDesign1

Radiation Pattern 2

ANSOFT

Curve Info

dB(GainTotal)Setup1 : LastAdaptive Freq='5GHz' P hi='0deg'

dB(GainTotal)Setup1 : LastAdaptive Freq='5GHz' P hi='90deg'

图 6 方向图

由方向图可以看出2×2阵列天线的增益为13.96dB,第一副瓣电平为-10.6dB ，可知组阵能使天线的增益变高。

3. 4×4阵列天线

天线阵列如图7所示：

图7 4×4阵列天线

图8 S11参数

图9 方向图

由S11参数图可以看到谐振点在5GHz，反射损耗较小，带宽约为2%。由方向图

可以看到增益约为19.96dB，第一副瓣电平为-11.79dB。

参考文献

[1] ITU Global Standard for International Mobile Telecommunications[S]. IMT-Advanced,Circular letter, ITU-R March 2008.

[2] N. Takehiro, N. Satoshi, B. Anass Benjebbour, et al., Trends in Small Cell Enhancements in LTE Advanced[J]. IEEE Communications Magazine. Feb.2013,vo1.51,no.2, 98-105.

[3] O. Aliu,A. Imran, M. Imran, et al., A survey of self organization in future cellular networks[J].IEEE Communications, 2011,

vo1.9,no.11,1-26

[4] T.L. Marzetta, Noncooperative cellular wireless with unlimited numbers of base station antennas [J].IEEE Trans, Wireless Communications, Nov.2010, vo1.9, no.ll, 3590-3600,.

[5] J.Zhang, C.K. Wen, S. Jin, et al., On capacity of large-scale MIlVIO multiple access channels with distributed sets of correlated

antennas[J]. Areas Commun, Feb.2013,01.31,no.2, 133一148.

[6] H. Huh, G Caire, H.C. Papadopoulos, et al., Achieving Massive MIMO spectral ei}iciency with a not-so-large number of antennas[J]. IEEE Trans. Wireless Communications,Sept.2012,vol.ll,no.9,3226-3239.

[7] J. Hoydis and M. Debbah, Green cost-ei}ective, flexible, small cell networks[C].IEEE ComSoc MMTC E-Letter Special Issue on "Multimedia over Femto Cells" ,Sep.2010,vo1.5,no.5.1-3

[8] X. Gao, F. Tufvesson, O. Edfors, et al., Measured propagation characteristics for very-large MIMO at 2.6 GHz[C]. in Proc. of the 46th Annual Asilomar Conference on Signals, Systems, and Computers, Pacific Grove, California, USA, Nov. 2012.

[9] G Caire, M. Debbah, Special Issue on Massive MIMO[J].Journal of Communications and Networks, August 2013, Vol. 15, No. 4.

[10] C. Shepard, H. Yu, N. Anand, et al., Argos: Practical Many-Antenna Base Stations[C]. in Proc. ACM Int. Conf. Mobile Computing and Networking (MobiCom), Aug. 2012.

[11]冯岩，SG研发争分夺秒[N}.国家无线电监测中心中国电子报，,2014年

2月21日第004版

[12] T. Truong, W.Robert, Jr.Heath, Effects of Channel Aging in Massive MIMO Systems[J]. Journal of communications and networks, Aug. 2013,vo1. 15, no. 4, 338-351.

[13] Kudo, R. Armour, McGeehan, et al. Channel State Information Feedback Method for Massive MIMO-OFDM[J].Journal of communications and networks.Vo1.15, No.4,August 2013

[14] Jung, K. Minchae，L. Younsun，et al. Optimum Number of Users in Zero-Forcing Based Multiuser MIMO Systems with Large Number of