一種手持終端的470 MHz頻段IoT天線設計

孫 南，聞志國，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 國家電網公司重點實驗室 電力芯片設計分析實驗室，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計工程技術研究中心，北京 100192)

0 引言

無線通信是物聯網(IoT)技術實現的關鍵基礎之一[1]，天線作為無線通信能量轉換的器件，在無線通信過程中起到重要的作用[2]。近幾年IoT終端技術越來越成熟，尤其是手持終端，在IoT通信中的作用越來越突出，在物流、巡檢、購物、通信等鄰域得到越來越多的應用[2-5]。基于手持終端的功能日益豐富，無線連接也越來越多，相對的電磁環境也變得復雜[6]，這就要求各無線功能具有高質量通信，然而天線是決定通信質量的關鍵部件之一[7-8]。由于其應用場景和功能不同，天線結構也各有不同，但其共同特點是尺寸小、結構緊湊[9-11]。近年來針對手持終端的IoT天線研究越來越多[12]，這類天線常見的是異性金屬天線、FPC（Flexible Printed Circuit）天線、微帶天線等。

本文設計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通信質量。由于現有該頻段天線的尺寸大、效率低、增益小、易受干擾等特點，或多或少影響手持終端通信[13]。基于以上問題，本文設計的天線是以FPC軟材質為集成平臺，采用傳輸線與天線為一體化設計，最大限度地利用手持終端有限的空間，同時提升天線有效的性能。在有效減小天線尺寸的前提下，通過增加耦合枝，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柔性軟材質天線生產周期短、體積小、重量輕、柔性好，便于集成在移動手持終端設備中[15]。

1 天線結構

很多IoT天線都會采用MIFA結構，例如文獻[16]中設計的是一種433 MHz的MIFA_PCB天線，此天線只是單一地靠一條1/4有效導波長枝節來輻射電磁波，匹配端嵌入L型電路來使天線輸入阻抗達到50 Ω。雖然在433 MHz頻點的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天線上帶寬是無法滿足預期要求的。

本次設計的天線外形結構如圖1所示，采用耦合式設計，天線工作頻率為 470 MHz～510 MHz，選用傳輸線與天線一體化設計，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]。天線輻射振子結構如圖2所示，印制在柔性FPC基板上，相對介電常數εr=3.1，介質損耗 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枝長度各異、功能不同的振子組成：中等長度的一枝為饋電振子，彎折線結構，總長度為 110 mm，主要負責將射頻信號引入天線當中；最短的一枝長度為65 mm，緊鄰饋電振子作為射頻能量傳輸的中介，可以更好地將射頻能量耦合至第三枝輻射振子上；最長的一枝也即輻射振子，也是彎折線結構，總長度為270 mm，是射頻能量對外輻射的主要窗口。3枝振子的折線結構之間保持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 設計原理

本天線設計思想是基于偶極子Dipole天線來展開的。偶極子結構特點：兩根直導線，且兩根導線的直徑和長度相等，導線的長度為1/4波長，導線的直徑和天線中間的兩根導線間距都遠小于天線的工作波長[19]，在設計中可以忽略不計。所以對于本次設計的天線取490 MHz為工作中心頻點，它所對應的1/4自由空間波長約為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)，所以天線實際的工作的 1/4波長應該介于85 mm和150 mm之間。考慮到天線的頻段較低，輻射波長較長，天線pattern的走線寬度用0.4 mm來實現，走線變細的情況下可以讓電流的有效路徑變長，從而在有限的空間內實現低頻最大化[20]。在設計過程中添加耦合枝，此耦合枝可以和饋電振子進行很好的耦合，從而提高天線工作帶寬和輻射效率。天線實際走線的長度會大于理論算出的值，因為走線進行了多次彎曲，存在電流抵消效應，使電流的有效路徑變短，從而使得天線的物理長度增長，這些在實際調試和仿真中都已經得到了驗證。

3 結果分析

通過HFSS對天線輻射體建模仿真，仿真結構如圖3所示。

圖1 天線結構圖

圖2 輻射振子結構

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的重要指標之一，采用HFSS運行已經優化了結構的天線模型，分析仿真結果。選取天線掃描頻率范圍0～1 GHz，回波損耗S11的仿真結果如圖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。從上面仿真結果來看，不加耦合枝節天線的回波損耗和電壓駐波比相較于增加耦合枝節明顯惡化很多，這樣驗證了本次設計中通過增加耦合枝節可以拓展帶寬、改善端口特性和提高增益。

采用矢量網絡分析儀E5071C測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，端口反射駐波比均VSWR＜2.5(垂直方向坐標為駐波比VSWR)，有效帶寬范圍內符合預期設計。

天線增益也是衡量天線性能的重要指標，天線在H面和E面各方向上的增益大小是主要判定依據。E面和H面綜合增益構成天線輻射場，場型是判定天線方向性能的重要依據，輻射仿真結果如圖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頻點下 Gain值為0.27 dBi，且輻射場型圖較好，H面為 360°全覆蓋，符合預期要求，具體2D方向圖如圖8所示。

為了驗證仿真結果的可靠性，將FPC天線裝入樣機送到天線暗室進行實際測試，測試結果如圖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

為了與仿真結果做對比，實測中同樣取490 MHz頻的2D方向圖來做對比。由圖9(b)、(c)可知，仿真結果和實測結果在YZ和XZ面2D方向圖有一定的差異，這是由于FPC天線裝入樣機里面周圍環境發生了變化使得輻射場型也會相應地發生一些變化，但是在Gain值上沒多大差異，Peak Gain都能達到 0 dBi左右，H面還是比較好的全向圓，能達到預期要求。所以綜合來看，仿真的結果具有一定的可靠性，無論從天線的電性特征(VSWR&return loss)還是從空間輻射特性(Gain&方向場型圖)來看，基本上都能對得上，仿真和實際調試完美地結合，從而完成本次IoT天線的設計。

最終應用天線實物如圖10所示。實物天線為異性結構天線，基于主流手持終端外形和尺寸的制約，天線需要避開公網和攝像頭等功能模塊，故采用中心避讓和傳輸線一體化設計的思路，充分利用有限空間，實現天線性能最佳化。

4 結論

本文通過研究并析，設計了一種470 MHz～510 MHz用于手持終端的IoT天線，經過模擬仿真、優化設計，在天線結構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計，可以有效利用手持終端內部有限的空間，同時可以改善天線端口特性。提出的新手持終端IoT天線設計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。通過最終仿真和實物測試，在設計中融合了傳統的外置型螺旋天線和單極子蛇形印刷天線性能，滿足預期指標，具有一定的實用價值。

圖9 天線在490 MHz下的暗室測試方向圖

圖10 天線實物圖