一種應(yīng)用在可穿戴電子設(shè)備的5G柔性天線的設(shè)計(jì)

丁大業(yè)，范婷★，宮卓宏

（1.山西省地震局，山西 太原 030021 2.太原科技大學(xué)，山西 太原 030024）

0 引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，柔性可穿戴電子設(shè)備由于其具備機(jī)械靈活性好，質(zhì)量輕，可共形等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐步應(yīng)用到通信，醫(yī)療及消費(fèi)電子等領(lǐng)域[1]，如GPS，F(xiàn)lexible Display，Sports Bracelet，Glass。作為可穿戴設(shè)備中傳輸數(shù)據(jù)的關(guān)鍵器件之一的柔性天線性能的好壞顯得尤為重要[2]，并引起廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)[3]提出了一種可雙頻工作，以液晶聚合物為基板的圓極化柔性天線。文獻(xiàn)[4]利用共面波導(dǎo)饋電技術(shù)，以聚酰亞胺為天線基板，設(shè)計(jì)了一種2.45GHz柔性微帶天線。文獻(xiàn)[5]報(bào)道了將制備出的碳納米管/納米銀的可拉伸電極開(kāi)路，設(shè)計(jì)出隨拉伸能機(jī)械調(diào)頻的柔性偶極子天線。

近年來(lái)，愈演愈烈的5G移動(dòng)通信方式正逐步應(yīng)用到生活的方方面面[6]。5G頻段劃分為低頻段和高頻段，其中低頻段Sub-6G即6GHz以下的頻段由于其良好的繞射能力及好的覆蓋效果，是5G的主要頻段，重點(diǎn)解決無(wú)處不在的用戶(hù)體驗(yàn)及各種應(yīng)用場(chǎng)景的需求[7]。高頻段指高于6GHz的頻段，是5G容量的重要補(bǔ)充，滿(mǎn)足未來(lái)的高速應(yīng)用[8]。目前，很多國(guó)家的5G試點(diǎn)采用3.5GHz頻段，具備成熟的產(chǎn)業(yè)鏈。因此，研發(fā)特定應(yīng)用下，滿(mǎn)足要求的5G天線具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

基于以上所述，本文提出了一種能應(yīng)用在可穿戴設(shè)備上的5G柔性微帶天線，以PDMS材料作為柔性介質(zhì)基板，采用中心側(cè)饋的微帶貼片作為輻射單元，通過(guò)理論分析計(jì)算出微帶天線的初始參數(shù)，并利用三維電磁仿真軟件Ansoft HFSS對(duì)微帶天線的初始設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終設(shè)計(jì)出的微帶天線尺寸較小，并可工作在3.39～3.59GHz和5.46～6GHz兩個(gè)5G頻段，具備較高的輻射效率。該微帶天線體積小，質(zhì)量輕，可彎曲，能集成在可穿戴電子設(shè)備上，具備一定的應(yīng)用價(jià)值。

1 天線設(shè)計(jì)

微帶天線是由介質(zhì)基板，接地板及輻射貼片組成，其中介質(zhì)基板的厚度遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)，在其兩側(cè)敷以1μm的金屬銅層分別構(gòu)成輻射貼片及接地板。微帶天線具有輕質(zhì)量，小體積，低剖面，易共形等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在個(gè)人無(wú)線通信系統(tǒng)中[9]。由于PDMS材料具備良好的機(jī)械和電氣性能，且無(wú)毒，不易燃，具備可彎曲性能，因此本文設(shè)計(jì)的天線以PDMS材料為柔性介質(zhì)基板，如圖1所示。

圖1 柔性微帶天線的結(jié)構(gòu)

微帶天線的饋電方式有有多種，最為常見(jiàn)的是同軸饋電和微帶線饋電。同軸饋電又稱(chēng)為背饋，是將同軸內(nèi)導(dǎo)體穿過(guò)介質(zhì)基板與輻射貼片相連進(jìn)行饋電。微帶饋電也稱(chēng)為側(cè)饋，按照饋電位置的不同分為中心饋電和偏心饋電，這種饋電方式將微帶線與輻射貼片連在一起并處于同一平面上，方便后期天線制造。通常，使用微帶線側(cè)饋時(shí)，需要加上一段1/4波長(zhǎng)阻抗轉(zhuǎn)換器，使得微帶天線的輸入阻抗與微波器件通用的50Ω饋線匹配，這樣能有效的進(jìn)行能量傳輸[10]，如圖2所示。

圖2 1/4波長(zhǎng)阻抗轉(zhuǎn)換器

2 仿真及優(yōu)化

在進(jìn)行一系列參數(shù)計(jì)算后，我們就可為這些參數(shù)定義不同的變量，方便模型優(yōu)化及后續(xù)的性能分析。HFSS建立的微帶天線仿真模型如圖3所示，其回波損耗仿真性能結(jié)果如圖4所示。

圖3 HFSS天線模型

圖4 天線回波損耗S11仿真結(jié)果

通常，反射系數(shù)S11用來(lái)表示天線回波損耗，即天線入射功率與反射功率的比，用來(lái)衡量天線的匹配程度?；夭〒p耗越大表示反射回來(lái)的電磁波能量越小，匹配越好，在數(shù)值上，S11等于回波損耗的負(fù)值，所以S11越小匹配越好。工程上，一般用S11＜-10dB所對(duì)應(yīng)的頻帶寬度為天線的帶寬。由圖5可知，天線可工作在5G頻段，中心頻率為3.5GHz，S11=-34，其頻帶范圍為3.39～3.59GHz，同時(shí)還出現(xiàn)另外一個(gè)高頻諧振頻點(diǎn)5.63GHz，S11=-13dB，其頻帶范圍為5.44～5.84GHz。

由此可知，仿真結(jié)果基本滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求。但是，天線在高頻點(diǎn)的回波損耗較大，因此嘗試對(duì)矩形輻射貼片進(jìn)行改進(jìn)，分別在長(zhǎng)寬邊上進(jìn)行切角處理，然后再建模仿真，如圖5所示，同時(shí)對(duì)該天線進(jìn)行優(yōu)化得到的最終參數(shù)如表1所示。

圖5 進(jìn)行切角處理的天線模型

表1 優(yōu)化后的天線尺寸參數(shù)

3 結(jié)果分析

對(duì)優(yōu)化后的切角天線模型進(jìn)行仿真，采用合適的尺寸參數(shù)，得到的天線回波損耗如圖6所示。結(jié)果顯示，天線的低頻諧振點(diǎn)為3.5GHz，頻帶寬度范圍是3.39～3.59GHz，回波損耗S11=-30dB，高頻諧振點(diǎn)為5.68GHz，頻帶寬度范圍是5.46～6GHz，回波損耗S11=-38dB。由此可知，該天線的高頻諧振點(diǎn)略微增加，同時(shí)高、低頻諧振點(diǎn)的回波損耗都達(dá)到了-30dB以下且高頻點(diǎn)頻帶寬度有所增加。這說(shuō)明通過(guò)切角及尺寸的優(yōu)化處理，改善了天線的阻抗匹配，表明信號(hào)大部分都能通過(guò)天線轉(zhuǎn)換成電磁波向空間輻射出去，此天線性能滿(mǎn)足要求，能正常工作在5G雙頻段。

圖6 切角處理后的天線回波損耗S11

圖7（a）、（b）分別為不同諧振頻率下天線貼片表面電場(chǎng)分布圖，由圖可知，低頻諧振點(diǎn)的電場(chǎng)主要集中在切角和1/4波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器部分，而高頻諧振點(diǎn)的電場(chǎng)主要集中在輻射貼片的中心和1/4波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器部分。這說(shuō)明切角和1/4波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器共同影響了天線的高低頻諧振點(diǎn)，只有通過(guò)它們兩者之間合理的優(yōu)化才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。天線的3D方輻射向圖如圖8所示，在低頻諧振點(diǎn)3.5GHz時(shí)，天線的最大增益在Z軸正上方，能達(dá)到4dB左右；在高頻諧振點(diǎn)5.68GHz時(shí)最大增益能達(dá)到5dB左右，其最大增益方向偏離Z軸一定的角度。結(jié)果顯示，該微帶天線的輻射面基本能覆蓋上半空間，輻射性能良好，下半空間的增益較低，這是由于所設(shè)計(jì)的天線背面是金屬接地板。由此可知，該天線是沿著輻射貼片的上表面輻射的，所以當(dāng)集成在可穿戴電子設(shè)備上，對(duì)人體的輻射很小。

圖7 不同頻率下天線電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖（a）3.5GHz（b）5.68GHz

圖8 不同頻率天線的三維方向圖（a）3.5GHz（b）5.68GHz

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)今科技的進(jìn)步推動(dòng)了可穿戴電子設(shè)備的發(fā)展，并使其逐步融入到日常工作與生活中。同時(shí)，隨著5G通信方式的普及，天線作為無(wú)線傳輸?shù)年P(guān)鍵器件正朝著高頻化，小型化的方向發(fā)展。基于此背景，本文設(shè)計(jì)了一款能應(yīng)用在可穿戴電子設(shè)備上的5G柔性微帶天線，該天線以PDMS材料作為介質(zhì)基板，采用微帶線中心側(cè)饋方式饋電，具備輕質(zhì)量，小體積，可彎曲，方便加工的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)HFSS仿真優(yōu)化，結(jié)果顯示該天線工作頻段可覆蓋3.39～3.59GHz和5.46～6GHz兩個(gè)5G頻段，最大回波損耗-38dB，具備良好的輻射能力。