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，山西 太原 030024）

0 引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，柔性可穿戴電子設備由于其具備機械靈活性好，質(zhì)量輕，可共形等優(yōu)點，已經(jīng)逐步應用到通信，醫(yī)療及消費電子等領(lǐng)域[1]，如GPS，F(xiàn)lexible Display，Sports Bracelet，Glass。作為可穿戴設備中傳輸數(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[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[4]利用共面波導饋電技術(shù)，以聚酰亞胺為天線基板，設計了一種2.45GHz柔性微帶天線。文獻[5]報道了將制備出的碳納米管/納米銀的可拉伸電極開路，設計出隨拉伸能機械調(diào)頻的柔性偶極子天線。

近年來，愈演愈烈的5G移動通信方式正逐步應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，重點解決無處不在的用戶體驗及各種應用場景的需求[7]。高頻段指高于6GHz的頻段，是5G容量的重要補充，滿足未來的高速應用[8]。目前，很多國家的5G試點采用3.5GHz頻段，具備成熟的產(chǎn)業(yè)鏈。因此，研發(fā)特定應用下，滿足要求的5G天線具有一定的應用價值。

基于以上所述，本文提出了一種能應用在可穿戴設備上的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，通過理論分析計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對微帶天線的初始設計參數(shù)進行優(yōu)化，最終設計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備上，具備一定的應用價值。

1 天線設計

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)基板的厚度遠小于工作波長，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，被廣泛應用在個人無線通信系統(tǒng)中[9]。由于PDMS材料具備良好的機械和電氣性能，且無毒，不易燃，具備可彎曲性能，因此本文設計的天線以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，最為常見的是同軸饋電和微帶線饋電。同軸饋電又稱為背饋，是將同軸內(nèi)導體穿過介質(zhì)基板與輻射貼片相連進行饋電。微帶饋電也稱為側(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，需要加上一段1/4波長阻抗轉(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，這樣能有效的進行能量傳輸[10]，如圖2所示。

圖2 1/4波長阻抗轉(zhuǎn)換器

2 仿真及優(yōu)化

在進行一系列參數(shù)計算后，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用來表示天線回波損耗，即天線入射功率與反射功率的比，用來衡量天線的匹配程度?；夭〒p耗越大表示反射回來的電磁波能量越小，匹配越好，在數(shù)值上，S11等于回波損耗的負值，所以S11越小匹配越好。工程上，一般用S11＜-10dB所對應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，同時還出現(xiàn)另外一個高頻諧振頻點5.63GHz，S11=-13dB，其頻帶范圍為5.44～5.84GHz。

由此可知，仿真結(jié)果基本滿足了設計要求。但是，天線在高頻點的回波損耗較大，因此嘗試對矩形輻射貼片進行改進，分別在長寬邊上進行切角處理，然后再建模仿真，如圖5所示，同時對該天線進行優(yōu)化得到的最終參數(shù)如表1所示。

圖5 進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

對優(yōu)化后的切角天線模型進行仿真，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略微增加，同時高、低頻諧振點的回波損耗都達到了-30dB以下且高頻點頻帶寬度有所增加。這說明通過切角及尺寸的優(yōu)化處理，改善了天線的阻抗匹配，表明信號大部分都能通過天線轉(zhuǎn)換成電磁波向空間輻射出去，此天線性能滿足要求，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分布圖，由圖可知，低頻諧振點的電場主要集中在切角和1/4波長轉(zhuǎn)換器部分，而高頻諧振點的電場主要集中在輻射貼片的中心和1/4波長轉(zhuǎn)換器部分。這說明切角和1/4波長轉(zhuǎn)換器共同影響了天線的高低頻諧振點，只有通過它們兩者之間合理的優(yōu)化才能達到設計要求。天線的3D方輻射向圖如圖8所示，在低頻諧振點3.5GHz時，天線的最大增益在Z軸正上方，能達到4dB左右；在高頻諧振點5.68GHz時最大增益能達到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，這是由于所設計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，所以當集成在可穿戴電子設備上，對人體的輻射很小。

圖7 不同頻率下天線電場強度分布圖（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

當今科技的進步推動了可穿戴電子設備的發(fā)展，并使其逐步融入到日常工作與生活中。同時，隨著5G通信方式的普及，天線作為無線傳輸?shù)年P(guān)鍵器件正朝著高頻化，小型化的方向發(fā)展?；诖吮尘埃疚脑O計了一款能應用在可穿戴電子設備上的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，經(jīng)過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5G頻段，最大回波損耗-38dB，具備良好的輻射能力。