一種手持終端的470 MHz頻段IoT天線設(shè)計(jì)

孫 南，聞志國(guó)，姜 帆，李 延，王玉凈，鄒 建，宋 亞

(1.北京智芯微電子科技有限公司 國(guó)家電網(wǎng)公司重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 電力芯片設(shè)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)室，北京 100192；2.北京智芯微電子科技有限公司 北京市電力高可靠性集成電路設(shè)計(jì)工程技術(shù)研究中心，北京 100192)

0 引言

無(wú)線通信是物聯(lián)網(wǎng)(IoT)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵基礎(chǔ)之一[1]，天線作為無(wú)線通信能量轉(zhuǎn)換的器件，在無(wú)線通信過(guò)程中起到重要的作用[2]。近幾年IoT終端技術(shù)越來(lái)越成熟，尤其是手持終端，在IoT通信中的作用越來(lái)越突出，在物流、巡檢、購(gòu)物、通信等鄰域得到越來(lái)越多的應(yīng)用[2-5]?；谑殖纸K端的功能日益豐富，無(wú)線連接也越來(lái)越多，相對(duì)的電磁環(huán)境也變得復(fù)雜[6]，這就要求各無(wú)線功能具有高質(zhì)量通信，然而天線是決定通信質(zhì)量的關(guān)鍵部件之一[7-8]。由于其應(yīng)用場(chǎng)景和功能不同，天線結(jié)構(gòu)也各有不同，但其共同特點(diǎn)是尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊[9-11]。近年來(lái)針對(duì)手持終端的IoT天線研究越來(lái)越多[12]，這類天線常見(jiàn)的是異性金屬天線、FPC（Flexible Printed Circuit）天線、微帶天線等。

本文設(shè)計(jì)了一種新型手持終端通信天線，主要目的是提升470 MHz頻段IoT通信質(zhì)量。由于現(xiàn)有該頻段天線的尺寸大、效率低、增益小、易受干擾等特點(diǎn)，或多或少影響手持終端通信[13]?；谝陨蠁?wèn)題，本文設(shè)計(jì)的天線是以FPC軟材質(zhì)為集成平臺(tái)，采用傳輸線與天線為一體化設(shè)計(jì)，最大限度地利用手持終端有限的空間，同時(shí)提升天線有效的性能。在有效減小天線尺寸的前提下，通過(guò)增加耦合枝，更好地將能量耦合至輻射單元，可有效改善帶寬[14]、提升天線性能。FPC柔性軟材質(zhì)天線生產(chǎn)周期短、體積小、重量輕、柔性好，便于集成在移動(dòng)手持終端設(shè)備中[15]。

1 天線結(jié)構(gòu)

很多IoT天線都會(huì)采用MIFA結(jié)構(gòu)，例如文獻(xiàn)[16]中設(shè)計(jì)的是一種433 MHz的MIFA_PCB天線，此天線只是單一地靠一條1/4有效導(dǎo)波長(zhǎng)枝節(jié)來(lái)輻射電磁波，匹配端嵌入L型電路來(lái)使天線輸入阻抗達(dá)到50 Ω。雖然在433 MHz頻點(diǎn)的S11非常完美，但是S11在-10 dB以下的有效帶寬只有5 MHz左右，帶寬是非常有限的，所以此思路用到 470 MHz～510 MHz的 IoT天線上帶寬是無(wú)法滿足預(yù)期要求的。

本次設(shè)計(jì)的天線外形結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用耦合式設(shè)計(jì)，天線工作頻率為 470 MHz～510 MHz，選用傳輸線與天線一體化設(shè)計(jì)，這樣可以有效利用手持終端空間，改善天線端口性能，降低天線傳輸損耗，提升天線效率[17-18]。天線輻射振子結(jié)構(gòu)如圖2所示，印制在柔性FPC基板上，相對(duì)介電常數(shù)εr=3.1，介質(zhì)損耗 2.8×10-3。天線整體包含輻射振子和FPC傳輸線。天線振子主要由3枝長(zhǎng)度各異、功能不同的振子組成：中等長(zhǎng)度的一枝為饋電振子，彎折線結(jié)構(gòu)，總長(zhǎng)度為 110 mm，主要負(fù)責(zé)將射頻信號(hào)引入天線當(dāng)中；最短的一枝長(zhǎng)度為65 mm，緊鄰饋電振子作為射頻能量傳輸?shù)闹薪椋梢愿玫貙⑸漕l能量耦合至第三枝輻射振子上；最長(zhǎng)的一枝也即輻射振子，也是彎折線結(jié)構(gòu)，總長(zhǎng)度為270 mm，是射頻能量對(duì)外輻射的主要窗口。3枝振子的折線結(jié)構(gòu)之間保持0.4 mm的緊密布局，有利于降低天線外形尺寸，保證能量的有效耦合傳遞。其中天線各枝節(jié)具體尺寸：L1=56.42 mm、L2=58.16 mm、L3=8.73 mm、L4=68.66 mm、L5=47.69 mm、L6=40.33 mm、L7=8.18 mm、L8=2.44 mm、W1=2.0 mm、W2=0.4 mm、W3=0.6 mm、W4=3.56 mm、W5=0.4 mm、W6=0.4 mm、W7=2.54 mm。

2 設(shè)計(jì)原理

本天線設(shè)計(jì)思想是基于偶極子Dipole天線來(lái)展開(kāi)的。偶極子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：兩根直導(dǎo)線，且兩根導(dǎo)線的直徑和長(zhǎng)度相等，導(dǎo)線的長(zhǎng)度為1/4波長(zhǎng)，導(dǎo)線的直徑和天線中間的兩根導(dǎo)線間距都遠(yuǎn)小于天線的工作波長(zhǎng)[19]，在設(shè)計(jì)中可以忽略不計(jì)。所以對(duì)于本次設(shè)計(jì)的天線取490 MHz為工作中心頻點(diǎn)，它所對(duì)應(yīng)的1/4自由空間波長(zhǎng)約為150 mm，再考慮到天線的載體是FPC，也就是銅箔附刻在 PI基材上(εr=3.1)，所以天線實(shí)際的工作的 1/4波長(zhǎng)應(yīng)該介于85 mm和150 mm之間?？紤]到天線的頻段較低，輻射波長(zhǎng)較長(zhǎng)，天線pattern的走線寬度用0.4 mm來(lái)實(shí)現(xiàn)，走線變細(xì)的情況下可以讓電流的有效路徑變長(zhǎng)，從而在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)低頻最大化[20]。在設(shè)計(jì)過(guò)程中添加耦合枝，此耦合枝可以和饋電振子進(jìn)行很好的耦合，從而提高天線工作帶寬和輻射效率。天線實(shí)際走線的長(zhǎng)度會(huì)大于理論算出的值，因?yàn)樽呔€進(jìn)行了多次彎曲，存在電流抵消效應(yīng)，使電流的有效路徑變短，從而使得天線的物理長(zhǎng)度增長(zhǎng)，這些在實(shí)際調(diào)試和仿真中都已經(jīng)得到了驗(yàn)證。

3 結(jié)果分析

通過(guò)HFSS對(duì)天線輻射體建模仿真，仿真結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖

圖2 輻射振子結(jié)構(gòu)

圖3 HFSS下輻射體建模示意圖

天線端口回波損耗是衡量天線性能參數(shù)的重要指標(biāo)之一，采用HFSS運(yùn)行已經(jīng)優(yōu)化了結(jié)構(gòu)的天線模型，分析仿真結(jié)果。選取天線掃描頻率范圍0～1 GHz，回波損耗S11的仿真結(jié)果如圖4所示，仿真電壓駐波比如圖5所示。

添加耦合枝的天線如圖4(b)所示，在工作頻段470 MHz～510 MHz的回波損耗 S11＜-10 dB；未加耦合枝的天線如圖 4(a)所示，在工作頻段470 MHz～510 MHz的回波損耗 S11＜-1.37 dB；添加耦合枝的天線，諧振點(diǎn)490 MHz處的回波損耗為-12 dB左右。添加耦合枝的天線如圖5(b)所示，在470 MHz～510 MHz的電壓駐波比均小于2；未添加耦合枝的天線在470 MHz～510 MHz的電壓駐波比惡化較為明顯。從上面仿真結(jié)果來(lái)看，不加耦合枝節(jié)天線的回波損耗和電壓駐波比相較于增加耦合枝節(jié)明顯惡化很多，這樣驗(yàn)證了本次設(shè)計(jì)中通過(guò)增加耦合枝節(jié)可以拓展帶寬、改善端口特性和提高增益。

采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E5071C測(cè)試成樣品天線端口駐波比(VSWR)反射如圖6所示。

由圖6可知，樣品天線在工作頻段470 MHz～510 MHz范圍內(nèi)，端口反射駐波比均VSWR＜2.5(垂直方向坐標(biāo)為駐波比VSWR)，有效帶寬范圍內(nèi)符合預(yù)期設(shè)計(jì)。

天線增益也是衡量天線性能的重要指標(biāo)，天線在H面和E面各方向上的增益大小是主要判定依據(jù)。E面和H面綜合增益構(gòu)成天線輻射場(chǎng)，場(chǎng)型是判定天線方向性能的重要依據(jù)，輻射仿真結(jié)果如圖7所示。

圖4 天線端口回波損耗

圖5 天線端口VSWR仿真圖

圖6 天線端口駐波比

從圖 7(a)可知，天線在 490 MHz頻點(diǎn)下 Gain值為0.27 dBi，且輻射場(chǎng)型圖較好，H面為 360°全覆蓋，符合預(yù)期要求，具體2D方向圖如圖8所示。

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的可靠性，將FPC天線裝入樣機(jī)送到天線暗室進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

圖7 490 MHz下增益和方向仿真圖

圖8 天線在490 MHz下的2D方向圖

為了與仿真結(jié)果做對(duì)比，實(shí)測(cè)中同樣取490 MHz頻的2D方向圖來(lái)做對(duì)比。由圖9(b)、(c)可知，仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果在YZ和XZ面2D方向圖有一定的差異，這是由于FPC天線裝入樣機(jī)里面周圍環(huán)境發(fā)生了變化使得輻射場(chǎng)型也會(huì)相應(yīng)地發(fā)生一些變化，但是在Gain值上沒(méi)多大差異，Peak Gain都能達(dá)到 0 dBi左右，H面還是比較好的全向圓，能達(dá)到預(yù)期要求。所以綜合來(lái)看，仿真的結(jié)果具有一定的可靠性，無(wú)論從天線的電性特征(VSWR&return loss)還是從空間輻射特性(Gain&方向場(chǎng)型圖)來(lái)看，基本上都能對(duì)得上，仿真和實(shí)際調(diào)試完美地結(jié)合，從而完成本次IoT天線的設(shè)計(jì)。

最終應(yīng)用天線實(shí)物如圖10所示。實(shí)物天線為異性結(jié)構(gòu)天線，基于主流手持終端外形和尺寸的制約，天線需要避開(kāi)公網(wǎng)和攝像頭等功能模塊，故采用中心避讓和傳輸線一體化設(shè)計(jì)的思路，充分利用有限空間，實(shí)現(xiàn)天線性能最佳化。

4 結(jié)論

本文通過(guò)研究并析，設(shè)計(jì)了一種470 MHz～510 MHz用于手持終端的IoT天線，經(jīng)過(guò)模擬仿真、優(yōu)化設(shè)計(jì)，在天線結(jié)構(gòu)中增加耦合枝可以改善端口特性，提升天線增益，增加天線帶寬。將傳輸線與天線一體化設(shè)計(jì)，可以有效利用手持終端內(nèi)部有限的空間，同時(shí)可以改善天線端口特性。提出的新手持終端IoT天線設(shè)計(jì)可以有效地利用空間，獲得較好的天線增益，而且可以獲得較好的全向性。通過(guò)最終仿真和實(shí)物測(cè)試，在設(shè)計(jì)中融合了傳統(tǒng)的外置型螺旋天線和單極子蛇形印刷天線性能，滿足預(yù)期指標(biāo)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

圖9 天線在490 MHz下的暗室測(cè)試方向圖

圖10 天線實(shí)物圖