李東霞，丁永紅，尤文斌

(1. 中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051；2. 中北大學(xué) 電子測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051； 3. 中北大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，山西 太原 030051)

0 引 言

隨著現(xiàn)代信息科學(xué)的快速發(fā)展，智能可穿戴設(shè)備在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中逐漸嶄露頭角，用戶需求越來越強(qiáng)烈[1]. 對于其使用的不同無線通信協(xié)議，如Bluetooth，Zigbee，WiFi，UWB，LoRa等，對比后發(fā)現(xiàn)LoRa具有接收靈敏度高、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn). 表 1 為幾種無線技術(shù)的性能對比，根據(jù)對比可知：LoRa技術(shù)目前更適用于智能可穿戴設(shè)備，二者結(jié)合可以更加有效地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸. 近幾年，針對智能可穿戴設(shè)備體積越來越小的要求，也要求天線的結(jié)構(gòu)外形更小、更輕便、輻射性更好，此外，還要覆蓋LoRa通信技術(shù)的工作頻段. 在國內(nèi)，LoRa 可用的免費(fèi)頻段為470 MHz～510 MHz； 歐洲的工作頻段為433 MHz，868 MHz； 美國的工作頻段為915 MHz[2-3]. 天線是一個可以和自由空間進(jìn)行能量耦合的器件，在確定好工作頻率之后，電磁波的自由空間波長也隨之確定[4]，那么，天線尺寸的大小會直接影響其各項(xiàng)性能指標(biāo)，因此，天線的增益、效率、帶寬等性能指標(biāo)與天線尺寸互相矛盾[5]. 如何在天線尺寸結(jié)構(gòu)小型化的基礎(chǔ)上使其各項(xiàng)重要參數(shù)都達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，這是設(shè)計(jì)過程中的顯著問題. 所以，如何設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)尺寸小、頻率低、輻射性能良好的天線是值得研究的課題，國內(nèi)外學(xué)者基于這些問題做了一些研究.

表 1 無線技術(shù)比較Tab.1 Wireless technology comparison

Liu Qingshuang等設(shè)計(jì)了一款導(dǎo)電織物貼片天線，這種天線是將新型柔性材料作為介質(zhì)基板的可穿戴天線，頂層是導(dǎo)電織物，底層是1 mm厚的尼龍織物，兩種材料都具有較高的柔韌性，因此容易和衣物共形，但是，人體會對天線的輻射產(chǎn)生一定的影響，進(jìn)而影響天線的參數(shù)指標(biāo)，而且導(dǎo)電織物材料的研制比較復(fù)雜[6]. Ziolkowski R W設(shè)計(jì)了一個尺寸結(jié)構(gòu)大小僅為10 mm×10 mm×1.7 mm的電小天線，通過在天線的近場區(qū)域加載異向介質(zhì)來激勵天線產(chǎn)生諧振，但是帶寬極窄，相對帶寬僅為 0.002 7%[7]. Trinh L H等利用天線補(bǔ)丁提出了用于LoRa可穿戴設(shè)備的簡易水平全向天線，尺寸為42.5 mm×45 mm×5.5 mm，雖然尺寸結(jié)構(gòu)變小，但是增益很低，僅為 0.4 dBi[8]. 武亞鵬等提出了一種433 MHz微型化的印刷天線，該天線的面積是半徑為14 mm的半圓，有效增益低至-19 dB，S11<-10 dB的有效帶寬為 2 MHz. 因此，該天線雖然在尺寸上滿足小型化的要求，但增益特性遠(yuǎn)不能滿足無線通信設(shè)備對通信距離的要求[9]. 美國SILICON LABS公司設(shè)計(jì)了一款434 MHz印刷天線來用于通信模塊，有效通信距離超過了400 m，但天線占用的面積為50 mm×40 mm，占整個通信設(shè)備空間的一半以上，不利于實(shí)現(xiàn)小型化[10].

針對以上問題，本文設(shè)計(jì)了一種適用于LoRa可穿戴設(shè)備的天線，該天線可以實(shí)現(xiàn)小型化，還具有增益高、全向性良好的特點(diǎn). 同時，本文利用ANSYS HFSS軟件進(jìn)行模型設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化，對天線的各參數(shù)與頻率的關(guān)系進(jìn)行了深入研究.

1 天線的設(shè)計(jì)

1.1 天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的LoRa天線類型如表 2 所示，可以看出：與印刷天線相比，這些天線都覆蓋了LoRa的可用頻段，均為全向天線，不銹鋼吸盤天線的增益最高，彈簧天線的增益最低，但是這些天線的尺寸普遍偏大，不符合用可穿戴設(shè)備小型化的要求. 因此，本文選用印刷天線結(jié)構(gòu)，采用玻璃纖維環(huán)氧樹脂覆銅板(FR-4)的材質(zhì)作為介質(zhì)基板，這種材料結(jié)構(gòu)簡單，容易制作且具有良好的物理特性，在天線設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用. 選擇天線的工作頻率為470 MHz，介電常數(shù)εr=4.6，厚度h=1.6 mm，介電損耗角正切tanδ=0.02，通常天線寬度與介質(zhì)基板厚度的比值大于1[11]，這里先擬取天線的寬度W1=1.8 mm.

表 2 幾種LoRa天線對比Tab.2 Comparison of several LoRa antennas

設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，采用曲流技術(shù)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)倒L型天線的走線形式，得到一種新型的天線. 曲流技術(shù)常用于減小天線尺寸，主要是通過改變天線的有效長度，使電流流動路徑變長，天線的有效長度增加，所占面積減小，從而達(dá)到小型化的目的. 天線的輻射單元采用微帶饋電的饋電方式，這種饋電方法操作簡單，可以更好地實(shí)現(xiàn)阻抗匹配.

圖 1 天線結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Antenna structure diagram

1.2 天線的參數(shù)計(jì)算

通過電磁學(xué)的相關(guān)理論知識可知，當(dāng)信號在介電常數(shù)為εr的介質(zhì)中傳輸時，其介質(zhì)波長λ為[12]

(1)

式中：c為光在真空中的傳播速度，取值3×108m/s；f為中心頻率，取值470 MHz.

介質(zhì)基板的有效介電常數(shù)εeff為

為驗(yàn)證本重量控制系統(tǒng)的綜合性能，將系統(tǒng)集成到經(jīng)過改造的卷煙機(jī)機(jī)組中進(jìn)行安裝與調(diào)試，經(jīng)過一段時間運(yùn)行，控制效果良好。通過在現(xiàn)場取樣進(jìn)行測量，各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)

式中：h為介質(zhì)基板的厚度；w為天線的線寬.

天線的理論長度Lεr為

(3)

根據(jù)以上分析，初步計(jì)算本文設(shè)計(jì)的天線的初始長度為180 mm. 各參數(shù)值如表 3 所示.

表 3 天線的各參數(shù)值Tab.3 Parameter values of the antenna

2 天線的仿真與優(yōu)化

2.1 天線參數(shù)的優(yōu)化

使用HFSS 15.0軟件對初步建立的模型進(jìn)行仿真，得到的天線的S參數(shù)如圖 2 所示：在中心頻率為426 MHz點(diǎn)處的回波損耗S11為-27.37 dB，沒有達(dá)到中心頻率為470 MHz的設(shè)計(jì)要求，所以還需要對天線的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化.

1) 天線寬度W1對天線諧振頻率的影響

保持天線的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不發(fā)生變化，利用Ansoft HFSS 15.0軟件里的參數(shù)掃描功能對天線的S參數(shù)進(jìn)行掃描分析. 添加天線的線寬W1為掃描變量，掃描范圍為1.6 mm～1.8 mm，間隔為0.1 mm. 根據(jù)圖 3 可知：隨著天線線寬W1的增加，天線的諧振頻率隨之增加，回波損耗依次減小.

圖 2 天線的回波損耗S11Fig.2 Antenna return loss S11

圖 3 不同W1的回波損耗S11Fig.3 The return loss S11 of different W1

2)L2對天線諧振頻率的影響

保持天線的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不發(fā)生變化，利用Ansoft HFSS 15.0軟件里的參數(shù)掃描功能對天線的S參數(shù)進(jìn)行掃描分析. 添加參數(shù)L2為掃描變量，掃描范圍為14.5 mm～15.5 mm，間隔為0.5 mm. 根據(jù)圖 4 可知：隨著參數(shù)L2的增加，天線的諧振頻率隨之減小，回波損耗依次減小.

3)L4對天線諧振頻率的影響

保持天線的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不發(fā)生變化，利用Ansoft HFSS 15.0軟件里的參數(shù)掃描功能對天線的S參數(shù)進(jìn)行掃描分析. 添加參數(shù)L4為掃描變量，掃描范圍為17 mm～19mm，間隔為1 mm. 根據(jù)圖 5 可知：隨著參數(shù)L4的增加，天線的諧振頻率隨之增大，回波損耗依次增大.

圖 4 不同L2的回波損耗S11Fig.4 The return loss S11 of different L2

圖 5 不同L4的回波損耗S11Fig.5 The return loss S11 of different L4

通過改變參數(shù)L3和參數(shù)L5，仿真得到的諧振頻率和回波損耗幾乎沒有改變，所以可以忽略. 通過對各參數(shù)的分析得出優(yōu)化后的天線結(jié)構(gòu)尺寸, 如表 4 所示.

表 4 天線優(yōu)化后的各參數(shù)值Tab.4 Parameter values after antenna optimization

2.2 天線的阻抗匹配

天線的輸入阻抗是反映天線電路特性的主要參數(shù)之一. 天線作為發(fā)射或接收電磁波的設(shè)備，阻抗匹配的好壞直接影響其效率，甚至決定著天線能否被使用. 所以，匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)在天線的應(yīng)用中顯得非常重要，天線阻抗匹配的優(yōu)劣直接影響整個通信系統(tǒng)的好壞[13].

本文通過加載無源集總元件來改善天線的阻抗性能.
圖 6 為天線的各個參數(shù)優(yōu)化后得到的Smith圓圖.
圖中天線的輸入阻抗為(0.01-j0.24)Ω，與標(biāo)準(zhǔn)50 Ω有較大的偏差.

圖 6 天線Smith圓圖Fig.6 Antenna Smith circle diagram

為了可以更好地實(shí)現(xiàn)匹配50 Ω標(biāo)準(zhǔn)阻抗，使天線的諧振頻率達(dá)到設(shè)計(jì)要求. 下面采用了L型匹配網(wǎng)絡(luò)，具體如圖 7 所示.

圖 7 L型匹配網(wǎng)絡(luò)原理圖Fig.7 Schematic diagram of L-type matching network

通過Ansoft HFSS 15.0仿真軟件將圖 7 的無源集總元件加載到微帶線上. 電感在微帶線與天線的輸入端中間串聯(lián)，電容則在微帶線與接地面之間并連. 改進(jìn)后的天線模型如圖 8 所示.

圖 8 天線模型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Schematiic diagram of antenna model structure

2.3 仿真結(jié)果分析

通過以上對相關(guān)參數(shù)的分析確定優(yōu)化結(jié)果，使用Ansoft HFSS 15.0軟件對改進(jìn)后的天線模型進(jìn)行仿真，并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析.

1)S11參數(shù)結(jié)果

從圖 9 的仿真結(jié)果得出：天線的中心頻率為470 MHz，諧振點(diǎn)處的回波損耗為-17.3 dB，S11<10 dB的帶寬為1.3%. 由此表明，天線的阻抗匹配良好，輻射性能優(yōu)異. 天線諧振頻點(diǎn)的回波損耗及有效帶寬均已達(dá)到智能可穿戴設(shè)備對天線的性能要求.

圖 9 S11參數(shù)仿真結(jié)果Fig.9 S11 parameter simulation results

2) 駐波比結(jié)果

從圖 10 的仿真結(jié)果得出：當(dāng)工作頻率為 470 MHz時，對應(yīng)的駐波比約為1.36，天線的VSWR 小于2. 由此表明，該天線在中心頻點(diǎn)附近的反射波極小，輻射特性優(yōu)異，達(dá)到了預(yù)期的要求.

圖10 駐波比仿真結(jié)果Fig.10 Simulation results of standing wave ratio

3) 阻抗結(jié)果

從圖 11 的仿真結(jié)果得出：天線在中心頻率為470 MHz時的輸入阻抗為(40.1-j8)Ω，接近標(biāo)準(zhǔn)阻抗50 Ω，表明電容值和電感值匹配合適，天線的阻抗性能良好.

4) 方向圖結(jié)果

從圖 12 的仿真結(jié)果得出：中心頻率為470 MHz 時，天線在XOZ平面上具有雙向性； 在YOZ平面上，天線輻射是全向的. 2個平面的增益方向圖均呈現(xiàn)了全向性. 因此，中心頻點(diǎn) 470 MHz 在XOZ，YOZ平面的方向性滿足設(shè)備的要求，具有實(shí)用性[14].

圖 11 阻抗仿真結(jié)果Fig.11 Impedance simulation results

(a) XOZ面方向圖

(b) YOZ面方向圖圖 12 輻射方向圖仿真結(jié)果Fig.12 Simulation results of radiation direction diagram

5) 增益結(jié)果

從圖 13 的仿真結(jié)果得出：該天線有良好的全向性，仿真得到的最大輻射方向增益為2.96 dBi，在400 MHz低頻段頻率時，天線的效率為 28.7%，在600 MHz高頻段頻率時，天線的效率為29.4%，盡管天線增益在低頻時較低(主要受尺寸限制)，但頻段范圍內(nèi)的增益和效率仍能滿足實(shí)際應(yīng)用的要求.

圖 13 增益仿真結(jié)果Fig.13 Gain simulation results

天線增益是衡量天線性能優(yōu)良的一個重要指標(biāo)，其主要通過天線在XOZ面和YOZ面各方向上的增益值的大小來判斷.
圖 14 是天線的增益隨頻率的變化曲線. 由該變化曲線可看出，在滿足覆蓋要求的頻段的情況下，天線的增益在0.1 dBi～1.3 dBi之間變化，天線在470 MHz頻點(diǎn)取得最大增益為2.9 dBi，在400 MHz～470 MHz 頻段內(nèi)天線的增益隨頻率的增加逐漸增大，在470 MHz～550 MHz頻段內(nèi)曲線的變化平緩，有較好的增益特性.

圖 14 增益曲線Fig.14 Gain curve

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種小型的LoRa天線，利用曲流技術(shù)減小了天線的尺寸，利用HFSS軟件對其進(jìn)行仿真、優(yōu)化和分析. 仿真結(jié)果表明：該天線在工作頻率為470 MHz處的回波損耗為-17.3 dB，駐波比約為1.36，增益為2.96 dBi，占地尺寸僅為1.5 cm×2.5 cm，在XOZ面和YOZ面均具有良好的輻射特性，該天線體積小、結(jié)構(gòu)簡單、增益大、易于加工，方便與硬件電路集成，并減小與外殼的干擾，使設(shè)備的進(jìn)一步小型化成為可能，其可以應(yīng)用于LoRa可穿戴設(shè)備中，具有一定的工程應(yīng)用價值.