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摘要：为了使小型无线通信节点能够迅速组建起稳定可靠的无线通信网络，设计开发功耗低、体积小、传输距离远的小型物联网无线通信节点已经成为国内外研究的热点问题。本文针对小型无线通信节点的实际需求以及节点自身结构的限制，反复的实验对比验证，提出了一种对称式贴片矩阵微带天线的结构，该种天线能够满足各种小型无线通信节点对通信质量的要求。
关键词：微带天线；贴片组阵；物联网；无线通信节点
引言
现在最主流的物联网络，即基于蜂窝的窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-Iot），NB-Iot网络相比于ZigBee、蓝牙等短距离通信，其具备覆盖范围广，可移动及大接入数等特点，能够带来更加丰富的应用场景。
基于上述特性，物联网通信模块也肯定将会被应用于许多特殊的场景，这些场景下会要求无线通信模块具有更高的信号覆盖范围和通信可靠性，能够实现对于移动网络的实时接入或者各通信节点间的组网，加之对于模块尺寸和结构的限制，设计开发能够满足这些特殊场景下的无线通信需求的天线也成为了当前研究的重点。
微带贴片天线是一种新型的内嵌式天线，具有重量轻、体积小、成本低并且能够与载体共形等特点而得到广泛应用。本文针对物联网无线通信节点使用场景的实际需求以及节点自身结构上的特点，通过反复试验对比验证，开发出了一种对称式贴片矩阵微带天线的结构，经过实际测试，该种天线能够满足无线通信节点建立稳定可靠、覆盖范围广的通信连接以及高质量数据传输的需要。
1 天线设计
1.1天线的选择
目前，天线的种类有很多种，根据应用的场景，可以分为外置天线和内置天线。外置天线虽然信号强、传输质量高，但是天线体积大，而内置天线体积小，可以直接集成在电路板上，大大节省了设备的空间，但是传输质量较外置天线而言有所欠缺。而大部分物联网模块体积小，不适合采用外置天线，故内置天线成为物联网模块的首选。
内置天线也有很多种类，其中最主要，应用最广泛的是内置微带天线。内置微带天线主要分为三种，微带缝隙天线、微带行波天线以及微带贴片天线。这其中微带贴片天线的效率较高，信号稳定，得到了广泛的应用。其最主要用于移动通信系统、全球定位系统等领域，非常适合应用于物联网模块，故最终选择了微带贴片天线为最佳天线方案。
1.2 微带贴片天线原理
微带贴片天线的结构是将导体薄片贴印在带有导体面接地板的介质基片上，然后置于导电板上面，并且放置间隔要远小于波长的间隔，利用微带传输线来进行馈电，使导体贴片与接地板之间产生出高频电磁场，最终这些电磁场通过贴片四周与接地板之间的缝隙向外部辐射。
微带贴片天带的贴片形状可以是任意的，常用的有圆形和矩形，也可以通过组合的方式对辐射强度进行最大限度的提升。
1.3 天线馈电方式选择
微带贴片天线的馈电方式分为多种，包括同轴线馈电、微带线馈电、共面波导馈电等。
（1）同轴线馈电方式又被称为底馈，其特点是馈线被设计在接地板的下方，并且可以将贴片范围内的任意一个位置作为馈电点，达到阻抗匹配的目的。这种馈电方式的优点是馈线的位置不会影响天线的辐射，辐射强度不会受到干扰，但是缺点是这种设计方式会将感抗电阻引入到电路当中，进而导致天线的频带宽度变窄，而且使用该种馈电方式设计出来的天线结构非常复杂，对制造工艺的要求非常高，不容易集成。
（2）微带线馈电方式又被称为边馈，这种方式是将馈电线与贴片直接相连，这种设计方式的优点是结构简单，易于结构的形成，但是缺点是馈电点的位置不确定，既可以沿着贴片边缘移动，也可以通过缝隙深入到贴片内部，导致在天线的准确性和方向性方面的效果大打折扣。
（3）共面波导馈电方式，在这种设计方式下，贴片、接地板、导体带分别位于介质基片的两侧，并且可以采用器件的串联和并联的方式，达到增强辐射强度的目的，使用该种方式设计的电路灵活性很大，并且在天线的准确性和方向性方面效果也比较好。故本文设计的微带贴片天线采用共面波导馈电方式，并在此馈电方式的基础上设计出最佳的天线结构。
1.4 天线结构设计
通过上面章节的分析，本位设计的天线采用双面PCB贴片式天线结构，与普通的贴片式天线相比，其辐射的强度会大大提高，使数据传输速率更加稳定、传输距离能够达到要求，其天线结构如图1所示。将介质板上（=4.4）的两个面分别印制为图中所示的结构。
这种设计方式采用的是二元矩阵的方式，在普通贴片天线的基础上，通过结构的设计，将多个贴片单元组成一个阵列，并且在有限的空间结构内，使用并联的方式将所有的贴片单元组合起来，最终得到了一个增益较高、方向性较强的贴片天线阵列。
本文设计的天线，通过专业仿真软件设计，经过不断的对尺寸的修改和优化，得到了天线的最优尺寸，尺寸数据如下（单位mm）：W1=4.7mm，W2=4.0mm，W3=0.5mm，W4=1mm，L1=49.4mm，L2=23mm，L3=6.8mm，L4=9.1mm，L5=6.8mm。
2 实际测试结果
实驗使用主流的NB-Iot无线通信节点，具有两个天线接口，在射频屏蔽房实验室环境下进行测试，实验分别采用两组天线进行对比测试，本文设计的贴片矩阵微带天线、普通微带贴片天线，然后将各组天线依次接到无线通信节点上，通过专用软件测量天线辐射的强度，并对这两组天线的性能进行了实验数据对比。
由实验数据可以看出，本文设计的贴片天线辐射强度和随着与信号源距离增加的衰减速度都要好于普通的微带贴片天线，接近普通外置天线的效果，能够满足多种场景的需求。
3 结论
本文基于设计一款小型化、强度高、质量稳定，并且适用于物联网模块的天线的目的，经过对天线特点的分析，选择内置微带贴片天线作为本次设计的基本天线类型，并通过深入研究微带贴片天线的基本原理以及微带贴片天线的馈电方式设计出了一种贴片矩阵结构的微带天线，并且配合专业射频软件，经过不断的优化，得到了天线最佳的尺寸，通过实验数据对比可以得出，效果要好于普通内置微带贴片天线。该天线结构合理，便于物联网模块的整体电路设计，实用性强。
参考文献：
[1]史文彬，车仁信. 一种三频内置手机天线的设计与仿真[J]. 无线通信技术，2011（2）：49-53
[2]高红卫，焦永昌，张福顺. 一种水平极化平面印刷全向天线的设计[J]. 电子技术应用，2006（3）：126-127
[3]季英俊；程崇虎. 微带贴片天线收发去耦结构研究[J]. 电子设计工程，2018（11）：101-105
关键词：微带天线；贴片组阵；物联网；无线通信节点
引言
现在最主流的物联网络，即基于蜂窝的窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-Iot），NB-Iot网络相比于ZigBee、蓝牙等短距离通信，其具备覆盖范围广，可移动及大接入数等特点，能够带来更加丰富的应用场景。
基于上述特性，物联网通信模块也肯定将会被应用于许多特殊的场景，这些场景下会要求无线通信模块具有更高的信号覆盖范围和通信可靠性，能够实现对于移动网络的实时接入或者各通信节点间的组网，加之对于模块尺寸和结构的限制，设计开发能够满足这些特殊场景下的无线通信需求的天线也成为了当前研究的重点。
微带贴片天线是一种新型的内嵌式天线，具有重量轻、体积小、成本低并且能够与载体共形等特点而得到广泛应用。本文针对物联网无线通信节点使用场景的实际需求以及节点自身结构上的特点，通过反复试验对比验证，开发出了一种对称式贴片矩阵微带天线的结构，经过实际测试，该种天线能够满足无线通信节点建立稳定可靠、覆盖范围广的通信连接以及高质量数据传输的需要。
1 天线设计
1.1天线的选择
目前，天线的种类有很多种，根据应用的场景，可以分为外置天线和内置天线。外置天线虽然信号强、传输质量高，但是天线体积大，而内置天线体积小，可以直接集成在电路板上，大大节省了设备的空间，但是传输质量较外置天线而言有所欠缺。而大部分物联网模块体积小，不适合采用外置天线，故内置天线成为物联网模块的首选。
内置天线也有很多种类，其中最主要，应用最广泛的是内置微带天线。内置微带天线主要分为三种，微带缝隙天线、微带行波天线以及微带贴片天线。这其中微带贴片天线的效率较高，信号稳定，得到了广泛的应用。其最主要用于移动通信系统、全球定位系统等领域，非常适合应用于物联网模块，故最终选择了微带贴片天线为最佳天线方案。
1.2 微带贴片天线原理
微带贴片天线的结构是将导体薄片贴印在带有导体面接地板的介质基片上，然后置于导电板上面，并且放置间隔要远小于波长的间隔，利用微带传输线来进行馈电，使导体贴片与接地板之间产生出高频电磁场，最终这些电磁场通过贴片四周与接地板之间的缝隙向外部辐射。
微带贴片天带的贴片形状可以是任意的，常用的有圆形和矩形，也可以通过组合的方式对辐射强度进行最大限度的提升。
1.3 天线馈电方式选择
微带贴片天线的馈电方式分为多种，包括同轴线馈电、微带线馈电、共面波导馈电等。
（1）同轴线馈电方式又被称为底馈，其特点是馈线被设计在接地板的下方，并且可以将贴片范围内的任意一个位置作为馈电点，达到阻抗匹配的目的。这种馈电方式的优点是馈线的位置不会影响天线的辐射，辐射强度不会受到干扰，但是缺点是这种设计方式会将感抗电阻引入到电路当中，进而导致天线的频带宽度变窄，而且使用该种馈电方式设计出来的天线结构非常复杂，对制造工艺的要求非常高，不容易集成。
（2）微带线馈电方式又被称为边馈，这种方式是将馈电线与贴片直接相连，这种设计方式的优点是结构简单，易于结构的形成，但是缺点是馈电点的位置不确定，既可以沿着贴片边缘移动，也可以通过缝隙深入到贴片内部，导致在天线的准确性和方向性方面的效果大打折扣。
（3）共面波导馈电方式，在这种设计方式下，贴片、接地板、导体带分别位于介质基片的两侧，并且可以采用器件的串联和并联的方式，达到增强辐射强度的目的，使用该种方式设计的电路灵活性很大，并且在天线的准确性和方向性方面效果也比较好。故本文设计的微带贴片天线采用共面波导馈电方式，并在此馈电方式的基础上设计出最佳的天线结构。
1.4 天线结构设计
通过上面章节的分析，本位设计的天线采用双面PCB贴片式天线结构，与普通的贴片式天线相比，其辐射的强度会大大提高，使数据传输速率更加稳定、传输距离能够达到要求，其天线结构如图1所示。将介质板上（=4.4）的两个面分别印制为图中所示的结构。
这种设计方式采用的是二元矩阵的方式，在普通贴片天线的基础上，通过结构的设计，将多个贴片单元组成一个阵列，并且在有限的空间结构内，使用并联的方式将所有的贴片单元组合起来，最终得到了一个增益较高、方向性较强的贴片天线阵列。
本文设计的天线，通过专业仿真软件设计，经过不断的对尺寸的修改和优化，得到了天线的最优尺寸，尺寸数据如下（单位mm）：W1=4.7mm，W2=4.0mm，W3=0.5mm，W4=1mm，L1=49.4mm，L2=23mm，L3=6.8mm，L4=9.1mm，L5=6.8mm。
2 实际测试结果
实驗使用主流的NB-Iot无线通信节点，具有两个天线接口，在射频屏蔽房实验室环境下进行测试，实验分别采用两组天线进行对比测试，本文设计的贴片矩阵微带天线、普通微带贴片天线，然后将各组天线依次接到无线通信节点上，通过专用软件测量天线辐射的强度，并对这两组天线的性能进行了实验数据对比。
由实验数据可以看出，本文设计的贴片天线辐射强度和随着与信号源距离增加的衰减速度都要好于普通的微带贴片天线，接近普通外置天线的效果，能够满足多种场景的需求。
3 结论
本文基于设计一款小型化、强度高、质量稳定，并且适用于物联网模块的天线的目的，经过对天线特点的分析，选择内置微带贴片天线作为本次设计的基本天线类型，并通过深入研究微带贴片天线的基本原理以及微带贴片天线的馈电方式设计出了一种贴片矩阵结构的微带天线，并且配合专业射频软件，经过不断的优化，得到了天线最佳的尺寸，通过实验数据对比可以得出，效果要好于普通内置微带贴片天线。该天线结构合理，便于物联网模块的整体电路设计，实用性强。
参考文献：
[1]史文彬，车仁信. 一种三频内置手机天线的设计与仿真[J]. 无线通信技术，2011（2）：49-53
[2]高红卫，焦永昌，张福顺. 一种水平极化平面印刷全向天线的设计[J]. 电子技术应用，2006（3）：126-127
[3]季英俊；程崇虎. 微带贴片天线收发去耦结构研究[J]. 电子设计工程，2018（11）：101-105