丁大业，范婷★，宫卓宏

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

0 引言

随着电子技术的发展，柔性可穿戴电子设备由于其具备机械灵活性好，质量轻，可共形等优点，已经逐步应用到通信，医疗及消费电子等领域[1]，如GPS，Flexible Display，Sports Bracelet，Glass。作为可穿戴设备中传输数据的关键器件之一的柔性天线性能的好坏显得尤为重要[2]，并引起广泛关注。文献[3]提出了一种可双频工作，以液晶聚合物为基板的圆极化柔性天线。文献[4]利用共面波导馈电技术，以聚酰亚胺为天线基板，设计了一种2.45GHz柔性微带天线。文献[5]报道了将制备出的碳纳米管/纳米银的可拉伸电极开路，设计出随拉伸能机械调频的柔性偶极子天线。

近年来，愈演愈烈的5G移动通信方式正逐步应用到生活的方方面面[6]。5G频段划分为低频段和高频段，其中低频段Sub-6G即6GHz以下的频段由于其良好的绕射能力及好的覆盖效果，是5G的主要频段，重点解决无处不在的用户体验及各种应用场景的需求[7]。高频段指高于6GHz的频段，是5G容量的重要补充，满足未来的高速应用[8]。目前，很多国家的5G试点采用3.5GHz频段，具备成熟的产业链。因此，研发特定应用下，满足要求的5G天线具有一定的应用价值。

基于以上所述，本文提出了一种能应用在可穿戴设备上的5G柔性微带天线，以PDMS材料作为柔性介质基板，采用中心侧馈的微带贴片作为辐射单元，通过理论分析计算出微带天线的初始参数，并利用三维电磁仿真软件Ansoft HFSS对微带天线的初始设计参数进行优化，最终设计出的微带天线尺寸较小，并可工作在3.39～3.59GHz和5.46～6GHz两个5G频段，具备较高的辐射效率。该微带天线体积小，质量轻，可弯曲，能集成在可穿戴电子设备上，具备一定的应用价值。

1 天线设计

微带天线是由介质基板，接地板及辐射贴片组成，其中介质基板的厚度远小于工作波长，在其两侧敷以1μm的金属铜层分别构成辐射贴片及接地板。微带天线具有轻质量，小体积，低剖面，易共形等优点，被广泛应用在个人无线通信系统中[9]。由于PDMS材料具备良好的机械和电气性能，且无毒，不易燃，具备可弯曲性能，因此本文设计的天线以PDMS材料为柔性介质基板，如图1所示。

图1 柔性微带天线的结构

微带天线的馈电方式有有多种，最为常见的是同轴馈电和微带线馈电。同轴馈电又称为背馈，是将同轴内导体穿过介质基板与辐射贴片相连进行馈电。微带馈电也称为侧馈，按照馈电位置的不同分为中心馈电和偏心馈电，这种馈电方式将微带线与辐射贴片连在一起并处于同一平面上，方便后期天线制造。通常，使用微带线侧馈时，需要加上一段1/4波长阻抗转换器，使得微带天线的输入阻抗与微波器件通用的50Ω馈线匹配，这样能有效的进行能量传输[10]，如图2所示。

图2 1/4波长阻抗转换器

2 仿真及优化

在进行一系列参数计算后，我们就可为这些参数定义不同的变量，方便模型优化及后续的性能分析。HFSS建立的微带天线仿真模型如图3所示，其回波损耗仿真性能结果如图4所示。

图3 HFSS天线模型

图4 天线回波损耗S11仿真结果

通常，反射系数S11用来表示天线回波损耗，即天线入射功率与反射功率的比，用来衡量天线的匹配程度。回波损耗越大表示反射回来的电磁波能量越小，匹配越好，在数值上，S11等于回波损耗的负值，所以S11越小匹配越好。工程上，一般用S11＜-10dB所对应的频带宽度为天线的带宽。由图5可知，天线可工作在5G频段，中心频率为3.5GHz，S11=-34，其频带范围为3.39～3.59GHz，同时还出现另外一个高频谐振频点5.63GHz，S11=-13dB，其频带范围为5.44～5.84GHz。

由此可知，仿真结果基本满足了设计要求。但是，天线在高频点的回波损耗较大，因此尝试对矩形辐射贴片进行改进，分别在长宽边上进行切角处理，然后再建模仿真，如图5所示，同时对该天线进行优化得到的最终参数如表1所示。

图5 进行切角处理的天线模型

表1 优化后的天线尺寸参数

3 结果分析

对优化后的切角天线模型进行仿真，采用合适的尺寸参数，得到的天线回波损耗如图6所示。结果显示，天线的低频谐振点为3.5GHz，频带宽度范围是3.39～3.59GHz，回波损耗S11=-30dB，高频谐振点为5.68GHz，频带宽度范围是5.46～6GHz，回波损耗S11=-38dB。由此可知，该天线的高频谐振点略微增加，同时高、低频谐振点的回波损耗都达到了-30dB以下且高频点频带宽度有所增加。这说明通过切角及尺寸的优化处理，改善了天线的阻抗匹配，表明信号大部分都能通过天线转换成电磁波向空间辐射出去，此天线性能满足要求，能正常工作在5G双频段。

图6 切角处理后的天线回波损耗S11

图7（a）、（b）分别为不同谐振频率下天线贴片表面电场分布图，由图可知，低频谐振点的电场主要集中在切角和1/4波长转换器部分，而高频谐振点的电场主要集中在辐射贴片的中心和1/4波长转换器部分。这说明切角和1/4波长转换器共同影响了天线的高低频谐振点，只有通过它们两者之间合理的优化才能达到设计要求。天线的3D方辐射向图如图8所示，在低频谐振点3.5GHz时，天线的最大增益在Z轴正上方，能达到4dB左右；在高频谐振点5.68GHz时最大增益能达到5dB左右，其最大增益方向偏离Z轴一定的角度。结果显示，该微带天线的辐射面基本能覆盖上半空间，辐射性能良好，下半空间的增益较低，这是由于所设计的天线背面是金属接地板。由此可知，该天线是沿着辐射贴片的上表面辐射的，所以当集成在可穿戴电子设备上，对人体的辐射很小。

图7 不同频率下天线电场强度分布图（a）3.5GHz（b）5.68GHz

图8 不同频率天线的三维方向图（a）3.5GHz（b）5.68GHz

4 结语

当今科技的进步推动了可穿戴电子设备的发展，并使其逐步融入到日常工作与生活中。同时，随着5G通信方式的普及，天线作为无线传输的关键器件正朝着高频化，小型化的方向发展。基于此背景，本文设计了一款能应用在可穿戴电子设备上的5G柔性微带天线，该天线以PDMS材料作为介质基板，采用微带线中心侧馈方式馈电，具备轻质量，小体积，可弯曲，方便加工的优点，经过HFSS仿真优化，结果显示该天线工作频段可覆盖3.39～3.59GHz和5.46～6GHz两个5G频段，最大回波损耗-38dB，具备良好的辐射能力。