一种LoRa微带天线的小型化设计

李东霞，丁永红，尤文斌

(1. 中北大学 信息与通信工程学院，山西 太原 030051；2. 中北大学 电子测试技术重点实验室，山西 太原 030051； 3. 中北大学 电气与控制工程学院，山西 太原 030051)

0 引 言

随着现代信息科学的快速发展，智能可穿戴设备在物联网发展过程中逐渐崭露头角，用户需求越来越强烈[1]. 对于其使用的不同无线通信协议，如Bluetooth，Zigbee，WiFi，UWB，LoRa等，对比后发现LoRa具有接收灵敏度高、功耗低、抗干扰能力强、传输距离远等特点. 表 1 为几种无线技术的性能对比，根据对比可知：LoRa技术目前更适用于智能可穿戴设备，二者结合可以更加有效地实现远距离数据传输. 近几年，针对智能可穿戴设备体积越来越小的要求，也要求天线的结构外形更小、更轻便、辐射性更好，此外，还要覆盖LoRa通信技术的工作频段. 在国内，LoRa 可用的免费频段为470 MHz～510 MHz； 欧洲的工作频段为433 MHz，868 MHz； 美国的工作频段为915 MHz[2-3]. 天线是一个可以和自由空间进行能量耦合的器件，在确定好工作频率之后，电磁波的自由空间波长也随之确定[4]，那么，天线尺寸的大小会直接影响其各项性能指标，因此，天线的增益、效率、带宽等性能指标与天线尺寸互相矛盾[5]. 如何在天线尺寸结构小型化的基础上使其各项重要参数都达到标准，这是设计过程中的显著问题. 所以，如何设计出结构尺寸小、频率低、辐射性能良好的天线是值得研究的课题，国内外学者基于这些问题做了一些研究.

表 1 无线技术比较Tab.1 Wireless technology comparison

Liu Qingshuang等设计了一款导电织物贴片天线，这种天线是将新型柔性材料作为介质基板的可穿戴天线，顶层是导电织物，底层是1 mm厚的尼龙织物，两种材料都具有较高的柔韧性，因此容易和衣物共形，但是，人体会对天线的辐射产生一定的影响，进而影响天线的参数指标，而且导电织物材料的研制比较复杂[6]. Ziolkowski R W设计了一个尺寸结构大小仅为10 mm×10 mm×1.7 mm的电小天线，通过在天线的近场区域加载异向介质来激励天线产生谐振，但是带宽极窄，相对带宽仅为 0.002 7%[7]. Trinh L H等利用天线补丁提出了用于LoRa可穿戴设备的简易水平全向天线，尺寸为42.5 mm×45 mm×5.5 mm，虽然尺寸结构变小，但是增益很低，仅为 0.4 dBi[8]. 武亚鹏等提出了一种433 MHz微型化的印刷天线，该天线的面积是半径为14 mm的半圆，有效增益低至-19 dB，S11<-10 dB的有效带宽为 2 MHz. 因此，该天线虽然在尺寸上满足小型化的要求，但增益特性远不能满足无线通信设备对通信距离的要求[9]. 美国SILICON LABS公司设计了一款434 MHz印刷天线来用于通信模块，有效通信距离超过了400 m，但天线占用的面积为50 mm×40 mm，占整个通信设备空间的一半以上，不利于实现小型化[10].

针对以上问题，本文设计了一种适用于LoRa可穿戴设备的天线，该天线可以实现小型化，还具有增益高、全向性良好的特点. 同时，本文利用ANSYS HFSS软件进行模型设计和参数优化，对天线的各参数与频率的关系进行了深入研究.

1 天线的设计

1.1 天线的结构设计

现有的LoRa天线类型如表 2 所示，可以看出：与印刷天线相比，这些天线都覆盖了LoRa的可用频段，均为全向天线，不锈钢吸盘天线的增益最高，弹簧天线的增益最低，但是这些天线的尺寸普遍偏大，不符合用可穿戴设备小型化的要求. 因此，本文选用印刷天线结构，采用玻璃纤维环氧树脂覆铜板(FR-4)的材质作为介质基板，这种材料结构简单，容易制作且具有良好的物理特性，在天线设计中被广泛应用. 选择天线的工作频率为470 MHz，介电常数εr=4.6，厚度h=1.6 mm，介电损耗角正切tanδ=0.02，通常天线宽度与介质基板厚度的比值大于1[11]，这里先拟取天线的宽度W1=1.8 mm.

表 2 几种LoRa天线对比Tab.2 Comparison of several LoRa antennas

设计的天线结构如图 1 所示，采用曲流技术来代替传统倒L型天线的走线形式，得到一种新型的天线. 曲流技术常用于减小天线尺寸，主要是通过改变天线的有效长度，使电流流动路径变长，天线的有效长度增加，所占面积减小，从而达到小型化的目的. 天线的辐射单元采用微带馈电的馈电方式，这种馈电方法操作简单，可以更好地实现阻抗匹配.

图 1 天线结构示意图Fig.1 Antenna structure diagram

1.2 天线的参数计算

通过电磁学的相关理论知识可知，当信号在介电常数为εr的介质中传输时，其介质波长λ为[12]

(1)

式中：c为光在真空中的传播速度，取值3×108m/s；f为中心频率，取值470 MHz.

介质基板的有效介电常数εeff为

为验证本重量控制系统的综合性能，将系统集成到经过改造的卷烟机机组中进行安装与调试，经过一段时间运行，控制效果良好。通过在现场取样进行测量，各项指标均能满足设计要求。

(2)

式中：h为介质基板的厚度；w为天线的线宽.

天线的理论长度Lεr为

(3)

根据以上分析，初步计算本文设计的天线的初始长度为180 mm. 各参数值如表 3 所示.

表 3 天线的各参数值Tab.3 Parameter values of the antenna

2 天线的仿真与优化

2.1 天线参数的优化

使用HFSS 15.0软件对初步建立的模型进行仿真，得到的天线的S参数如图 2 所示：在中心频率为426 MHz点处的回波损耗S11为-27.37 dB，没有达到中心频率为470 MHz的设计要求，所以还需要对天线的相关参数进行优化.

1) 天线宽度W1对天线谐振频率的影响

保持天线的其他结构参数不发生变化，利用Ansoft HFSS 15.0软件里的参数扫描功能对天线的S参数进行扫描分析. 添加天线的线宽W1为扫描变量，扫描范围为1.6 mm～1.8 mm，间隔为0.1 mm. 根据图 3 可知：随着天线线宽W1的增加，天线的谐振频率随之增加，回波损耗依次减小.

图 2 天线的回波损耗S11Fig.2 Antenna return loss S11

图 3 不同W1的回波损耗S11Fig.3 The return loss S11 of different W1

2)L2对天线谐振频率的影响

保持天线的其他结构参数不发生变化，利用Ansoft HFSS 15.0软件里的参数扫描功能对天线的S参数进行扫描分析. 添加参数L2为扫描变量，扫描范围为14.5 mm～15.5 mm，间隔为0.5 mm. 根据图 4 可知：随着参数L2的增加，天线的谐振频率随之减小，回波损耗依次减小.

3)L4对天线谐振频率的影响

保持天线的其他结构参数不发生变化，利用Ansoft HFSS 15.0软件里的参数扫描功能对天线的S参数进行扫描分析. 添加参数L4为扫描变量，扫描范围为17 mm～19mm，间隔为1 mm. 根据图 5 可知：随着参数L4的增加，天线的谐振频率随之增大，回波损耗依次增大.

图 4 不同L2的回波损耗S11Fig.4 The return loss S11 of different L2

图 5 不同L4的回波损耗S11Fig.5 The return loss S11 of different L4

通过改变参数L3和参数L5，仿真得到的谐振频率和回波损耗几乎没有改变，所以可以忽略. 通过对各参数的分析得出优化后的天线结构尺寸, 如表 4 所示.

表 4 天线优化后的各参数值Tab.4 Parameter values after antenna optimization

2.2 天线的阻抗匹配

天线的输入阻抗是反映天线电路特性的主要参数之一. 天线作为发射或接收电磁波的设备，阻抗匹配的好坏直接影响其效率，甚至决定着天线能否被使用. 所以，匹配网络的设计在天线的应用中显得非常重要，天线阻抗匹配的优劣直接影响整个通信系统的好坏[13].

本文通过加载无源集总元件来改善天线的阻抗性能.
图 6 为天线的各个参数优化后得到的Smith圆图.
图中天线的输入阻抗为(0.01-j0.24)Ω，与标准50 Ω有较大的偏差.

图 6 天线Smith圆图Fig.6 Antenna Smith circle diagram

为了可以更好地实现匹配50 Ω标准阻抗，使天线的谐振频率达到设计要求. 下面采用了L型匹配网络，具体如图 7 所示.

图 7 L型匹配网络原理图Fig.7 Schematic diagram of L-type matching network

通过Ansoft HFSS 15.0仿真软件将图 7 的无源集总元件加载到微带线上. 电感在微带线与天线的输入端中间串联，电容则在微带线与接地面之间并连. 改进后的天线模型如图 8 所示.

图 8 天线模型结构示意图Fig.8 Schematiic diagram of antenna model structure

2.3 仿真结果分析

通过以上对相关参数的分析确定优化结果，使用Ansoft HFSS 15.0软件对改进后的天线模型进行仿真，并对仿真结果进行分析.

1)S11参数结果

从图 9 的仿真结果得出：天线的中心频率为470 MHz，谐振点处的回波损耗为-17.3 dB，S11<10 dB的带宽为1.3%. 由此表明，天线的阻抗匹配良好，辐射性能优异. 天线谐振频点的回波损耗及有效带宽均已达到智能可穿戴设备对天线的性能要求.

图 9 S11参数仿真结果Fig.9 S11 parameter simulation results

2) 驻波比结果

从图 10 的仿真结果得出：当工作频率为 470 MHz时，对应的驻波比约为1.36，天线的VSWR 小于2. 由此表明，该天线在中心频点附近的反射波极小，辐射特性优异，达到了预期的要求.

图10 驻波比仿真结果Fig.10 Simulation results of standing wave ratio

3) 阻抗结果

从图 11 的仿真结果得出：天线在中心频率为470 MHz时的输入阻抗为(40.1-j8)Ω，接近标准阻抗50 Ω，表明电容值和电感值匹配合适，天线的阻抗性能良好.

4) 方向图结果

从图 12 的仿真结果得出：中心频率为470 MHz 时，天线在XOZ平面上具有双向性； 在YOZ平面上，天线辐射是全向的. 2个平面的增益方向图均呈现了全向性. 因此，中心频点 470 MHz 在XOZ，YOZ平面的方向性满足设备的要求，具有实用性[14].

图 11 阻抗仿真结果Fig.11 Impedance simulation results

(a) XOZ面方向图

(b) YOZ面方向图图 12 辐射方向图仿真结果Fig.12 Simulation results of radiation direction diagram

5) 增益结果

从图 13 的仿真结果得出：该天线有良好的全向性，仿真得到的最大辐射方向增益为2.96 dBi，在400 MHz低频段频率时，天线的效率为 28.7%，在600 MHz高频段频率时，天线的效率为29.4%，尽管天线增益在低频时较低(主要受尺寸限制)，但频段范围内的增益和效率仍能满足实际应用的要求.

图 13 增益仿真结果Fig.13 Gain simulation results

天线增益是衡量天线性能优良的一个重要指标，其主要通过天线在XOZ面和YOZ面各方向上的增益值的大小来判断.
图 14 是天线的增益随频率的变化曲线. 由该变化曲线可看出，在满足覆盖要求的频段的情况下，天线的增益在0.1 dBi～1.3 dBi之间变化，天线在470 MHz频点取得最大增益为2.9 dBi，在400 MHz～470 MHz 频段内天线的增益随频率的增加逐渐增大，在470 MHz～550 MHz频段内曲线的变化平缓，有较好的增益特性.

图 14 增益曲线Fig.14 Gain curve

3 结 论

本文设计了一种小型的LoRa天线，利用曲流技术减小了天线的尺寸，利用HFSS软件对其进行仿真、优化和分析. 仿真结果表明：该天线在工作频率为470 MHz处的回波损耗为-17.3 dB，驻波比约为1.36，增益为2.96 dBi，占地尺寸仅为1.5 cm×2.5 cm，在XOZ面和YOZ面均具有良好的辐射特性，该天线体积小、结构简单、增益大、易于加工，方便与硬件电路集成，并减小与外壳的干扰，使设备的进一步小型化成为可能，其可以应用于LoRa可穿戴设备中，具有一定的工程应用价值.