优化5G网络及物联网的天线设计（二）

优化移动设备的天线设计

移动设备的天线必须足够小、足够轻，以便能放入手机设备中分配给它的有限空间。平面倒F 天线(PIFA) 体积小、功率强大，而且效率很高，所以非常适合用于无线通信。这些天线可以帮助蜂窝设备、WiFi 及Bluetooth® 技术实现多频段覆盖，因此也非常适合IoT 兼容对象与设备。

本教程中模拟的移动设备是一个4G 设备，其中包括一个安装在PTFE 块上的含FR4 印刷电路板的PIFA、ABS 外壳，以及包含复合硅衬底的玻璃。天线本身包含涂覆一层高导电薄铜层的PFTE 块、介于完美电导体(PEC) 底面和馈带之间的集总端口、以及短接至底面并与馈带相邻、用于实现阻抗匹配的另一个导电带。它还包括了一个阻抗匹配狭隙，用于将天线匹配至50 Ω 的参考阻抗。

移动设备中平面倒F 天线的模型几何

PEC 边界具有较低的下行频率范围，因此在仿真中被用于模拟天线。由于铜层具有很高的电导率，所以可忽略金属损耗。将PIFA 作为一个由完美匹配层(PML) 包覆的球形域进行模拟，PML 层负责吸收所有向外的辐射。集总端口的参考阻抗为50 Ω，用于激励PIFA 和计算输入阻抗。

借助仿真，我们可以计算PIFA 的场分布图。结果显示了模型上方远离馈带的另一端的金属表面的场。这些测量实际上类似于四分之一波长单极子天线阵模型中的测量，PIFA 正是它的一种衍生设计。

PIFA 上部电场分布的结果图

仿真还计算了极坐标格式的远场辐射模式。方位角的辐射模式不再是全向模式，因为我们已经最小化了天线，它目前仅位于底面的一个小角落中。

观察S 参数发现电压驻波比(VSWR) 小于2:1，说明天线的输入阻抗与参考阻抗非常匹配，这也是网络分析员和其他常见测试系统中要进行的例行测量。

计算给定AWS 下行频率范围内的S 参数

除了二维远场计算之外，您还能查看辐射模式的三维仿真，其中会显示最大辐射及空值。

PIFA 的三维远场辐射模式

为了满足5G 应用，在上面这个介绍性的模型基础之上，我们还需要进行更多的研究工作。如果需要处理更高的数据速率，工作频率应该增加至毫米范围，以便支持更宽的带宽。这将在发射端和接收端之间造成更高的路径损耗，因此天线应该能提供更高的增益来覆盖更远的距离。

但是从方位角来看，这将极大地降低覆盖范围，因为辐射模式会非常锐利。因此，需要相控阵天线来将辐射束引向所需方向，以便突破高增益天线中的角相关限制。

通过优化移动设备天线的设计与性能，当然也包括我们上面提到的那些方面，我们也许能先于预期开发出一个理想的物联网，也许很快就能享受这一新技术带来的各种便利。