一种手持终端的470 MHz频段IoT天线设计

孙 南，闻志国，姜 帆，李 延，王玉净，邹 建，宋 亚

(1.北京智芯微电子科技有限公司 国家电网公司重点实验室 电力芯片设计分析实验室，北京 100192；2.北京智芯微电子科技有限公司 北京市电力高可靠性集成电路设计工程技术研究中心，北京 100192)

0 引言

无线通信是物联网(IoT)技术实现的关键基础之一[1]，天线作为无线通信能量转换的器件，在无线通信过程中起到重要的作用[2]。近几年IoT终端技术越来越成熟，尤其是手持终端，在IoT通信中的作用越来越突出，在物流、巡检、购物、通信等邻域得到越来越多的应用[2-5]。基于手持终端的功能日益丰富，无线连接也越来越多，相对的电磁环境也变得复杂[6]，这就要求各无线功能具有高质量通信，然而天线是决定通信质量的关键部件之一[7-8]。由于其应用场景和功能不同，天线结构也各有不同，但其共同特点是尺寸小、结构紧凑[9-11]。近年来针对手持终端的IoT天线研究越来越多[12]，这类天线常见的是异性金属天线、FPC（Flexible Printed Circuit）天线、微带天线等。

本文设计了一种新型手持终端通信天线，主要目的是提升470 MHz频段IoT通信质量。由于现有该频段天线的尺寸大、效率低、增益小、易受干扰等特点，或多或少影响手持终端通信[13]。基于以上问题，本文设计的天线是以FPC软材质为集成平台，采用传输线与天线为一体化设计，最大限度地利用手持终端有限的空间，同时提升天线有效的性能。在有效减小天线尺寸的前提下，通过增加耦合枝，更好地将能量耦合至辐射单元，可有效改善带宽[14]、提升天线性能。FPC柔性软材质天线生产周期短、体积小、重量轻、柔性好，便于集成在移动手持终端设备中[15]。

1 天线结构

很多IoT天线都会采用MIFA结构，例如文献[16]中设计的是一种433 MHz的MIFA_PCB天线，此天线只是单一地靠一条1/4有效导波长枝节来辐射电磁波，匹配端嵌入L型电路来使天线输入阻抗达到50 Ω。虽然在433 MHz频点的S11非常完美，但是S11在-10 dB以下的有效带宽只有5 MHz左右，带宽是非常有限的，所以此思路用到 470 MHz～510 MHz的 IoT天线上带宽是无法满足预期要求的。

本次设计的天线外形结构如图1所示，采用耦合式设计，天线工作频率为 470 MHz～510 MHz，选用传输线与天线一体化设计，这样可以有效利用手持终端空间，改善天线端口性能，降低天线传输损耗，提升天线效率[17-18]。天线辐射振子结构如图2所示，印制在柔性FPC基板上，相对介电常数εr=3.1，介质损耗 2.8×10-3。天线整体包含辐射振子和FPC传输线。天线振子主要由3枝长度各异、功能不同的振子组成：中等长度的一枝为馈电振子，弯折线结构，总长度为 110 mm，主要负责将射频信号引入天线当中；最短的一枝长度为65 mm，紧邻馈电振子作为射频能量传输的中介，可以更好地将射频能量耦合至第三枝辐射振子上；最长的一枝也即辐射振子，也是弯折线结构，总长度为270 mm，是射频能量对外辐射的主要窗口。3枝振子的折线结构之间保持0.4 mm的紧密布局，有利于降低天线外形尺寸，保证能量的有效耦合传递。其中天线各枝节具体尺寸：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 设计原理

本天线设计思想是基于偶极子Dipole天线来展开的。偶极子结构特点：两根直导线，且两根导线的直径和长度相等，导线的长度为1/4波长，导线的直径和天线中间的两根导线间距都远小于天线的工作波长[19]，在设计中可以忽略不计。所以对于本次设计的天线取490 MHz为工作中心频点，它所对应的1/4自由空间波长约为150 mm，再考虑到天线的载体是FPC，也就是铜箔附刻在 PI基材上(εr=3.1)，所以天线实际的工作的 1/4波长应该介于85 mm和150 mm之间。考虑到天线的频段较低，辐射波长较长，天线pattern的走线宽度用0.4 mm来实现，走线变细的情况下可以让电流的有效路径变长，从而在有限的空间内实现低频最大化[20]。在设计过程中添加耦合枝，此耦合枝可以和馈电振子进行很好的耦合，从而提高天线工作带宽和辐射效率。天线实际走线的长度会大于理论算出的值，因为走线进行了多次弯曲，存在电流抵消效应，使电流的有效路径变短，从而使得天线的物理长度增长，这些在实际调试和仿真中都已经得到了验证。

3 结果分析

通过HFSS对天线辐射体建模仿真，仿真结构如图3所示。

图1 天线结构图

图2 辐射振子结构

图3 HFSS下辐射体建模示意图

天线端口回波损耗是衡量天线性能参数的重要指标之一，采用HFSS运行已经优化了结构的天线模型，分析仿真结果。选取天线扫描频率范围0～1 GHz，回波损耗S11的仿真结果如图4所示，仿真电压驻波比如图5所示。

添加耦合枝的天线如图4(b)所示，在工作频段470 MHz～510 MHz的回波损耗 S11＜-10 dB；未加耦合枝的天线如图 4(a)所示，在工作频段470 MHz～510 MHz的回波损耗 S11＜-1.37 dB；添加耦合枝的天线，谐振点490 MHz处的回波损耗为-12 dB左右。添加耦合枝的天线如图5(b)所示，在470 MHz～510 MHz的电压驻波比均小于2；未添加耦合枝的天线在470 MHz～510 MHz的电压驻波比恶化较为明显。从上面仿真结果来看，不加耦合枝节天线的回波损耗和电压驻波比相较于增加耦合枝节明显恶化很多，这样验证了本次设计中通过增加耦合枝节可以拓展带宽、改善端口特性和提高增益。

采用矢量网络分析仪E5071C测试成样品天线端口驻波比(VSWR)反射如图6所示。

由图6可知，样品天线在工作频段470 MHz～510 MHz范围内，端口反射驻波比均VSWR＜2.5(垂直方向坐标为驻波比VSWR)，有效带宽范围内符合预期设计。

天线增益也是衡量天线性能的重要指标，天线在H面和E面各方向上的增益大小是主要判定依据。E面和H面综合增益构成天线辐射场，场型是判定天线方向性能的重要依据，辐射仿真结果如图7所示。

图4 天线端口回波损耗

图5 天线端口VSWR仿真图

图6 天线端口驻波比

从图 7(a)可知，天线在 490 MHz频点下 Gain值为0.27 dBi，且辐射场型图较好，H面为 360°全覆盖，符合预期要求，具体2D方向图如图8所示。

为了验证仿真结果的可靠性，将FPC天线装入样机送到天线暗室进行实际测试，测试结果如图9所示。

图7 490 MHz下增益和方向仿真图

图8 天线在490 MHz下的2D方向图

为了与仿真结果做对比，实测中同样取490 MHz频的2D方向图来做对比。由图9(b)、(c)可知，仿真结果和实测结果在YZ和XZ面2D方向图有一定的差异，这是由于FPC天线装入样机里面周围环境发生了变化使得辐射场型也会相应地发生一些变化，但是在Gain值上没多大差异，Peak Gain都能达到 0 dBi左右，H面还是比较好的全向圆，能达到预期要求。所以综合来看，仿真的结果具有一定的可靠性，无论从天线的电性特征(VSWR&return loss)还是从空间辐射特性(Gain&方向场型图)来看，基本上都能对得上，仿真和实际调试完美地结合，从而完成本次IoT天线的设计。

最终应用天线实物如图10所示。实物天线为异性结构天线，基于主流手持终端外形和尺寸的制约，天线需要避开公网和摄像头等功能模块，故采用中心避让和传输线一体化设计的思路，充分利用有限空间，实现天线性能最佳化。

4 结论

本文通过研究并析，设计了一种470 MHz～510 MHz用于手持终端的IoT天线，经过模拟仿真、优化设计，在天线结构中增加耦合枝可以改善端口特性，提升天线增益，增加天线带宽。将传输线与天线一体化设计，可以有效利用手持终端内部有限的空间，同时可以改善天线端口特性。提出的新手持终端IoT天线设计可以有效地利用空间，获得较好的天线增益，而且可以获得较好的全向性。通过最终仿真和实物测试，在设计中融合了传统的外置型螺旋天线和单极子蛇形印刷天线性能，满足预期指标，具有一定的实用价值。

图9 天线在490 MHz下的暗室测试方向图

图10 天线实物图