1.1研究背景

信息时代的迅猛发展，即将带领人类迈入5G时代，相比4G时代20Mbps以上的信息传输速率而言，其信息传输速率在理论上是4G信号的数十乃至数百倍^[1]。而包括移动通信在内，各种通信收发设备，都离不开各式各样的收发天线。天线按结构可分为线天线、面天线两大类；像对称振子天线、单极子天线、笼型天线、八木天线就属于线天线，喇叭天线、反射面天线就属于面天线形式^[2-3]。而手机中常用的PIFA天线、Monopole天线、变形单极子天线等是从线天线演化而来的，各有其特点和用途。若按工作波长分类，天线又可分为长波天线、中波天线、短波天线和微波天线等，这里的微波为300MHz~3000GHz频段范围^[4]。随着5G的即将到来，手机天线的优化设计工作也在逐步开展，比如，有学者对MIMO缝隙天线进行研究，使它适用于无线局域网；有学者对双极化、双频段的微带天线进行研究，以实现特殊功能等^[5-6]。如何实现天线的小型化和多频带、如何选择天线材料结构、如何降低生产成本、采用什么样的馈电技术、如何将天线与馈线电路系统匹配等都是研究天线的重要方面^[7]。微带天线在这一领域，有其体积小、剖面低、造价成本低、易于实现圆极化等特点，无论是通信基站，还是手机终端，微带天线在无限通信领域都有着相当的优势和前景^[8]。在未来，5G相比4G而言，将具有更快的传输速度、更大的信息容量、更强的稳定性等优点，这为将来的虚拟现实技术、增强现实技术、物联网技术等许多智能化、高水准的极致技术的实现和发展提供了根本保障。最终，世界将走向“万物互联”、“虚实难分”的信息天地，5G网络也将成为真正意义上的融合网络，联结小至仪器仪表、电子标签，大至电塔电台、飞船卫星等一切纳入电子网络的设备设施；而天线也必将在5G领域起到至关重要的作用。

早在2015年，国际电信联盟就已经将5G技术命名为IMT-2020标准,而我国国内的工业和信息化部将最新下发的第五代移动通信的使用频段标准，规定为3300~3600MHz和4800~5000MHz,但传统蜂窝频段是无法在未来满足更高通信要求的。目前业内讨论的主流频段包括：10GHz、28GHz、32GHz、43GHz等^[9]。这是因为在这些频段及其周围频率范围内，具有相对平坦的带宽范围，具有衰减较小、传输性能相对稳定等特点，且附近有着丰富的频段资源，综合性能相对6GHz及以下频段而言要更有优势，但实现起来技术难度大。

1.2国内外研究现状

全球各国都在争相发展5G新技术及其产品，许多研究机构和商业机构都已深入开展了5G通信技术的研究。在5G的系统上，欧盟于2012年9月，启动了以5G物理层为对象的“5G NOW”研究课题；同年11月，启动“METIS”研发项目，其中包括了阿尔卡特、华为、爱立信、西门子等大型企业在内的项目组成员；2015年9月，5G创新研发中心5GIC机构，于英国的萨里大学正式成立，核心成员包括英国电信、三星、华为等；目前，国内三大通信运营商，各自有了5G小范围试验网建设。然而5G建网成本较高，只有非常大规模的企业才可能在这片领域最先发展起来^[9]，因此5G时代离我们确实还有一段距离。

在如今的5G领域，天线的设计存在着许多技术难题，例如MIMO、载波聚合、波束赋形等技术的应用，便是5G天线设计时需要攻克的难点之一。从上世纪90年代的单极子、偶极子以及鞭型手机天线，到如今的PIFA天线、自适应阵列、多频段内置天线等，天线总是不断地与所需频段进行新一轮的契合。目前，3GPP指定的5G NR支持的频段列表，大致可分为6GHz以下频段和毫米波波段这两大频率范围，而这两大频段由于本身的巨大频率差，导致在手机天线设计上会产生不同的影响。如今美国、韩国已经为5G划分出毫米波的频谱；而国内三大运营商也在5G低频频段上完成划分，但对于毫米波频段划分目前还在征求意见阶段。基于当前5G频段的使用还在厘米级范围，因此为更好达到5G通信要求的性能，可以在结构变化不大的情况下，增加天线数量，如MIMO技术的应用。而毫米波的实现难度大，在极短波长的电磁辐射下，衰减会变得明显，需要一定的技术去解决。总而言之，手机天线正朝着微型化、超宽带、强方向的目标发展，这也是未来5G天线的实现要求。

目前的5G关键技术已初步形成，如新型多天线技术、新型多址技术、超密集组网技术等，这都使得5G的发展和普及将指日可待^[9]。相应配合5G频段的天线及其参数的分析研究，也无疑成为了5G技术发展过程中意义重大的方面,如辐射方向图、电压驻波比、天线增益等参数均是衡量天线性能的重要方面^[10]。

1.3手机天线种类和所选类型

手机天线种类繁多，分为内置和外置，目前应用较多的是内置型。因为内置天线体积小、容易被保护，且经过反射层、保护层技术的处理，可以大大降低对人体的伤害。内置天线包括陶瓷天线、倒“L”型天线、微带贴片天线、PIFA天线和Monopole天线等类型，其中主流天线是PIFA天线和Monopole天线。

PIFA天线又叫平面倒F型天线，是由其最初的形状而得名。该类天线具有低SAR值、低剖面、易阻抗匹配等优点而被广泛应用。之所以具有较低的SAR值，是因为它的结构上由接地平面充当了反射面后同时起到金属屏蔽的效果。另外该类天线所具有的短接金属片结构，将辐射片与接地面相连，起到了调节阻抗和降低工作频率的作用。Monopole天线又叫单极子天线，由偶极子根据金属镜像反射原理而设计所得，利于天线尺寸的减小，且辐射部分可以与接地部分设计在同一平面，极大减小天线厚度，但这也导致了其SAR值相对较高，因此在设计时需要对其辐射方向及其布局进行严格控制。

而微带天线基于其体积小、重量轻、低成本和易于分析设计等特点,且其辐射方向性也较强，被优先考虑为本次优化设计的天线类型。即在微带天线的基础上采用倒“L”型结构，对其进行2G/4G/5G网络多频段设计。

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究基本内容和目标

本论文计划设计一套同时工作于2G/4G/5G多频段的微波微带天线，使其既满足于5G工作频段，又能向下兼容2G/4G网络频段，要求拥有良好的传输特性。一般来说，具有一定结构的辐射天线有其自身特定的谐振频率，而微带天线的基本尺寸和形状即可计算出其对应的工作波长、带宽范围等，甚至可以通过一定手段为天线叠加多个工作频段。目前有开槽、加载、耦合馈电、多贴片技术等方法可以实现微带贴片天线的多频功能^[11]。本次设计计划先选用平面倒“L”型天线实现双频功能，再在已有的基本结构上，采用辐射贴片表面设计“U”型槽的方法实现其余所需工作频段的叠加^[12-13]。馈电方式选用微带线馈电技术，其有着结构简单、方便制作的优点，但馈线本身产生的辐射会影响天线的辐射方向图和工作带宽，因此馈线宽度有待设计考量，不宜过宽或过窄。