匝雯垂圃文章编号:1671—4598【z010)03一0703一03兰竺竺量茎望燮篓;中图分类号:TN929.5文献标识码:A』!:小型化多频带微带天线的设计史马敏,郭陈江(西北工业大学电子信息学院,陕西西安710129)摘要:第三代移动通信对天线的小型化和多频带提出了越来越高的要求,提出了一种双U型槽和弧形边联合加载的平面倒。L”天线,采用微带馈电;从烽窝移动通信、全球定位系统和蓝牙通讯对天线的要求出发,设计了两个四频天线:一个覆盖GsM/D(玲/PcS/lSM频段,另一个覆盖GSM/GPS/PCs/lsM频段I应用ANsoFT公司的HFsslo.o三维仿真软件,对天线进行设计和优化,最终得到了两个基本符合频段带宽及方向图要求的四频天线,这对微带天线的小型化和多频带技术具有一定的指导意义。关藿词:小型化;四频天线;微带天线Desi2nofMiniaturizationandMulti—bandShiMamin,GuoCheniiang(SchoolofMicrostripAntennaElectmnicsandInformation,Northweste订lP01ytechnicalUniversity,Xi’ana710129,China)andAbstnn:ThirdGenerationMobilecommunicationshaschallengednarlottotheantennaforitsminiaturizationamulti—band.Apla—useinverted—Lantennaisproposed,loadedwithintwoU—shapedslotsandcircular—sides,andfedbysinglemicrostrip.Fortheofan—tennasCelIularMobileCommunication,GlobalPositioningSystemandBluetoothCommunication,thepaperdesignstwofour—bandeveryan—tennas,oneincludesbandsofGSM/DCS/PCS/ISM,andtheotherincludesGSM/GPS/PCS/ISM.Betterparametersofpatterncanfourband8contributesandradiationbeachievedantenna’usingstheoptimiziflgfunctionof∞ftwareHFSSlO.andmulti—band.antennaOofANSOFTcompany.Thisdesignresearchesofthemicrostripminiaturization1【eywords:miniaturization;four—band}microstripO引言随着无线通信系统的发展,终端小型化和系统容量的要求GSM900(890~960MHz)、GPS(1480~1630MHz)、DCSl800(17lO~1880MHz)、PCSl900(1880~1990MHz)及越来越强烈,所以,天线的小型化和多频带研究也就成为天线研究的重要方面。微带天线体积小、重量轻、剖面低、易于与移动终端机身共形,并且由于具有单向辐射,可大大减小对人体头部方向的辐射,以及和PCB技术相结合能大大地降低生产成本。因此,它在无线通信天线领域得到了很好的应用。近年来,关于微带天线小型化和多频技术的研究方法很多,其中。小型化手段主要包括:(1)天线加载;(2)采用高介电常数介质层,(3)表面开槽;(4)附加有源网络。多频技术有:(1)模式正交;(2)多贴片;(3)天线加载或开槽。许多文献对微带天线的小型化和多频技术(主要是双频段)进行了综合研究,但对于三频甚至更多频段的研究不是很多。有人提出圆11.1ISM(2400~2484MHz)。通过调节弧形边的宽度,不仅实现了所需频段,还展宽了部分频带。双U型槽加载的弧形边平面倒“L”天线原理U型槽加载矩形微带天线原理在微带天线贴片表面开不同形式的槽或细缝时,原有电流绕槽边曲折流过,即电流路径变长,这相当于在天线的等效电路中引入级联电感,使谐振频率降低,从而减小天线尺寸;同时,又能引进新的谐振频率,且对方向图影响不大。开槽天线结构简单且加工方便,适当的开槽。能兼顾一定的小型化和多频带要求。其中。U型槽加载已成为微带天线性能优化的重要手段之一,近年来,许多文献都对其进行了分析和研究[“]。其分析简单,谐振时,电流沿整个U型槽流动,整个槽长对应于谐振频率的二分之一波长,谐振频率计算公式[‘](槽长L,宽Ⅳ)为:边平面倒。r双频天线[1],将非辐射边改为圆边,通过调节圆边弧度的大小来实现一定范围内的谐振频率比;还有提出了短路片和双U型槽加载的倒“P天线[z],实现了三频。但其频带过窄,且不能方便地控制谐振间的耦合。本文兼顾小型化和多频段,设计了两个双U型槽和弧形边联合加载的四频平面倒“L”天线,天线一工作在GsM/DCS/PCS/ISM频段上;天线二工作在GSM/GPS/PCS/ISM频段上。各频段具体规定:,≈霸主罱万进行估算,然后进行优化,直到满足目标要求。n’由上式可知,实际设计天线时,可根据目标频率先对槽的参数收稿日期:2009一07—18I修回日期:Z009一09一03.作者简介:史马敏(】983一),女,陕西人,工学硕士,主要从事平面单极子天线、微带天线小型化和多频带等的研究。郭陈江(1963一),男,陕西人,教授,博士,博士生导师,主要从事现代天线、射频仿真,电磁兼容、微波测量、微波通信、电子对坑及电磁目标特性等方向的研究。图1双频平面傻“r天线中华测控网chinamca.com万方数据 ・704・计算机测蜃与控制第18卷1.2双频平面倒“L竹天线原理双频平面倒“L”天线最初是由JSKuo等人提出来的[¨],其结构如图1所示。天线由辐射贴片、微带馈线、介质板和接地板构成,可看作是平面单极天线弯曲而成。辐射贴片水平部分长L,宽w,垂直部分高H,天线总长为L+H,贴片印刷在相对介电常数为e,,高为|ll的介质板上,由微带传输线进行馈电,馈线和贴片垂直部分中心相接,宽为W。,深入贴片下方长度为z,通过调节z的大小可使天线在各谐振点上同时达到良好的匹配;贴片和介质板之间一般为空气,介质板背面为接地板。对于该天线,两个工作频率基本上对应于天线的四分之一波长和二分之一波长,其中,第一个谐振频率为:.C…,1≈页F订而02’但由文献[1]的实际仿真结果表明:第一个谐振频率比理论计算值大,而第二个比理论值小。普通天线是二分之一波长天线,当以空气为介质,即e,近似等于1时,其谐振频率为:,≈音(3)●io比较式(2)和式(3)可知,倒“L”天线可使天线的有效尺寸缩减一半以上。由式(2)知改变L或H均能改变天线的谐振频率,由此,我们可以通过改变贴片的水平部分或者垂直部分来实现一定范围内的双频比。图2弧形边平面倒“r天线1.3弧形边平面倒“L”天线图2为弧形边平面倒“L”天线,即将普通平面倒“L”天线非辐射边改为弧形边,而辐射边保持不变,调节弧形边的宽度可以实现一定范围内的双频比。由于辐射边保持不变,所以,对于不同宽度的弧形边,天线的辐射电阻均相同,这样,对于不同频率比的天线,理论上只须进行一次馈线匹配调节(调节其深入贴片下方的长度),就能使其保持匹配状态。图3为天线在不同弧形边宽度下的反射系数。可见,随着弧宽的增加,第一个频率逐渐降低,而第二个频率逐渐升高,即频率比随弧宽的增加而变大。根据文献[1],此时L为35mm,w为35mm,H为10mm,W。为3mm,z为24mm,地板尺寸为210mm×145mm,介质板尺寸50mm×50mm×1.5mm,相对介电常数鲁为2.55。1.4双U型槽加载的弧形边平面倒“L”天线原理图4为双U型槽加载的弧形边平面倒“L”天线。在天线辐射贴片的水平部分开两个U型槽,开口朝向贴片垂直部分,且均关于贴片轴线对称。天线本身的四分之一波长对应频率用于实现GSM900频段,贴片水平长度L和垂直高度H可由式中华测控网chinamca.com万 方数据图3不同弧形边宽度Ⅳc下的反射系数图4双u型槽加载的弧形边平面倒“L”天线(2)进行估算,微带天线高度的选取比较关键,因为它和辐射电阻正相关,同时兼顾考虑天线结构紧凑性的要求,所以H取适当高度,本文参照文献[1]取值为10mm;GPs和IsM频段可分别由大U槽和小U槽来实现,槽的参数可由式(1)1800和PCSl900频段主要通过大U槽和弧形合到一起,基本覆盖这两个频带。调节馈线的宽度能很好的使达到良好的匹配。整个设计中,首先,确定天线总尺寸;其次,考虑大U的作用;然后,考虑弧形边宽度;最后,考虑小U槽参数,通过对各参数的优化达到目标要求。天线参数如表1所示。其中,接地板尺寸50mm×50mm,介质板尺寸50mm×50mm×1.5mm,相对介电常数睾r为2.55。表1天线参数单位:mmLwHL1Ⅳ1L2W2dZW。Wm563510401916.23225026.21.6先研究大U槽对天线整个频段的影响,然后再分别研究大U槽长L1、弧边宽度w。、小U槽长L2和馈线宽度wm对天线反射系数的影响。图5为天线未加载弧形边时,仅加载大u槽前后的反射系数。可见,加槽前,天线具有3个谐振点;加槽后,谐振点图6为天线在不同大U槽长度L1下的反射系数:由图可知,随着槽长的增加,,2和,3明显依次下降,其它谐振频率进行估算;DCS边对天线高次谐振模式的影响来实现,使其中相邻两个模式耦GPS频段达到匹配状态(同时使DCS频段消失),此外,采用偏心馈电也能大范围地调节各频段上的输入阻抗,使其能同时槽,对其进行参数估算,因为它对后面几个频段均起着关键性2天线参数及仿真结果分析增至为5个,分别计为^、,2、,3,^和,5,但各谐振并没有同时达到良好的匹配。第3期史马敏,等:小型化多频带微带天线的设计・705・变化不是很明显。图7为加载大U槽后,天线在不同弧形边宽度Ⅳc下的反射系数。可见,随着弧型边的加宽,^、厂2和^变化不大,而,4明显依次变小,从而导致,3和^对应的谐振耦合到一起。0—5口一10詈_15一∞一25L01.520Z5ii强乜图5大U槽加载前后的反射系数矸r。=17.5mm。Wm一2.72mm,L1—40mm)0_5一lO磊-15穹啪—历一30L01.5Z025i|Qh图6不同大U槽长度L1下的反射系数(Vl,。一2.72mm,W。一17.5mm)一_【∞管L0l-5Z0Z5t}错∞图7不同弧形边宽度wc下的反射系数(W。一2.72mm.L1—40mm)图8为加载大U槽和弧形边后,天线在不同小U槽长度L2下的反射系数.可见,随着槽长的增加,^、^、厂3和^略有减小;同时,在^和,5之间又增加了新的谐振频率,记为^,且随着槽长的增加,,u明显变小。图9为天线在不同馈线宽度Wm下的反射系数(为便于分析,图中只标出了,2和,3频段,该参数对其他频段影响很小),可见,随着馈线宽度的减小,,2逐渐达到匹配状态,,3逐渐变小且失配。综上仿真结果可知,^用来实现GSM频段,厂z用来实现GPS频段,Jf3和,‘间的耦合用来实现DCS和PCS频段,^则用来实现ISM频段。,1大小主要受整个贴片的尺寸的影响,其余参数的改变会影响其匹配程度;,2大小主要受大U槽的控制,且基本符合式(1)中的关系,其匹配程度受馈线宽度影响很大},3和^共同受大U槽和弧形边的控制,此万 方数据台8号1.O1.52.0乏5tf绩臣图8不同小U槽长度L2下的反射系数Ⅳ。=2.72胁,L1=40mm,Ⅳ。=28.2mm)O一5—10晶一15号珈—25—30L5ZOf}强%图9不同馈线宽度Ⅳ。下的反射系数(L1=40mm,V‘r。=28.2mm)外,,3受馈线宽度影响较大;而^大小主要受小U槽控制,且基本符合式(1)中的关系。由此也就说明大U槽对天线的GPS、D(焉和P(葛频段起着很关键的作用,而小U槽则对ISM频段起着关键的作用;同时,本设计中弧形边宽度对谐振的影响和文献[1]所述不太一致,随着弧宽的增加,谐振,3和,l逐渐耦合,即频率比随着弧宽的增加而变小,这主要是由于贴片参数的不同及开槽的原因。综上分析,根据目标天线的要求。并利用HFSS的优化功能最终得到较好的结果,表2为两天线优化参数,图10和图11分别为天线一和天线二各频段的反射系数及方向图。表z优化后两天线的部分参数\\天线一天线二W。/mm28.229.8Ⅳm/mm2.721.1含。胄“G}Iz图lO天线一反射系数通过大量的仿真测试得出结果:对于GsM频段,天线一和天线二的带宽(以下均指一10dB带宽)都较窄,均为13MHz左右,后瓣略大,且稍微改变天线参数,方向图就发(下转第730页)中华测控网chinamca.com:!!旦:12CPacket.writeDone(resuIt—tlength・uint8一t*data)error,uintl6一t笪簦垫型墨妻塑型addr,uint8一t篁!!鲞将测试程序烧写入NPUMote,测试了室内24h的光照并用曲线显示,如图4所示。可见此12C总线设备驱动能够正常采集光照,符合光照变化规律,并且可以长时间稳定工作。4{//巳向总线成功写入命令if(DeviceError)//设备测试未通过//向上层返回预定值//开始读取数据{retum0xFFFF#}{post12CRead();)…}结束语传感器节点的感知能力是无线传感器网络的基石,本文在if(Device0K)//设备测试通过Tin如S嵌入式操作系统下实现了基于12C总线的光照传感器设备驱动的开发工作。该设计已成功运用于西北温室群监控系统中,长期测试表明数据传输稳定可靠。另外由于12C总线的简易性,该设计可以应用于任何使用rc总线的设备而仅作少鼍修改,方便用户更换新的传感器。参考文献:[1]孙利民,李建中,陈渝,等.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社,2005.[2]ATmelcorp.ATmegal28DatasheetVersion2467L—AVR—05/04[Z].2007.[3]Intersilcorp.IsL29002DatasheetFN7465.2[z].2006.[4]Phmp5corp.[z].2000.[5]霍宏伟,牛延超,黄吉莹.ATmegal28/2560单片机原理与高级应用[M].北京:中国林业出版社,2006.[6]杨正忠,耿德根.AVR单片机应用开发指南及实例精解[M].北京:中国电力出版社,Z008.The12c—Bus12CPacket.readDone(re8ult—terror,uintl6一taddr,uint8一tlength,uint8一t*data){//已从总线成功读取数据post12CReadDone();//将数据打包发往上层12CResourc己reIease()l//释放12C总线…}Specificati∞Ve”ion2.1图4室内24小时光照曲线[7]商凯,周轶男.Linux下12c设备驱动开发和实现[J].计算机与信息技术,2007,(12),79—83.4曲谭哆孚哆担廿净蜱孚哆淖9孚珏淖瞪社哆—哆担哆净站馥哆尊蚌淖哆淖骖社韭淖哆净哆罅哆淖哆译哆蹲睁班哆淖曲世蟑罅蟑母i’水蜱孚哆淖蜉斗哆淖哆淳辨净哆淳眵濞哆掣B螂哆罅I哗I坩l喈哆4l獬哆dLi咐哆净蚌淖哆4哆(上接第705页)天线,实现了多频带和部分频段上的宽频,相对于复杂的开槽平面倒“P天线来说,其结构比较简单,阻抗匹配易于调节。本文所设计的两个天线基本上谐振在所要求的频段上,但部分频带较窄,离实际的应用带宽还有一定距离,这可以通过进一步改善天线的结构、优化U型槽长宽、弧边宽度及馈线一.【I一鲁参数来展宽频带。参考文献:LO1.5ZOZ5tf强乜[1]迟高明.小型化及双频天线的分析和设计[D].上海;上海交通大学.2005.图11天线二反射系数[2]牛风.多频微带型手机天线的研制[D].上海:上海交通大学,2006.[3]何珏.小型化多频段微带天线的研究与设计[D].北京:北京邮电大学,2005.[4]weigarld,s.;Huff,G.H.IPan,K.H.IBemhard-1.T.rectangular生变化,即方向图带宽较窄,所以可判断此谐振为寄生谐振;对于GPS频段,天线二的频带带宽也只有15MHz左右,其方向图为典型的微带天线方向图,几乎不存在后瓣;对于DCS和PCS频段,天线一的频带带宽为238MHz(1800~z038MHz),基本覆盖了这两个频段,且方向图也为典型的微带天线方向图,后瓣很小。天线二的PCS频段带宽为60MHz(1900~1960MHz),方向图亦为典型的微带天线方向图;对于ISM频段,天线一的带宽为30MHz,方向图不光滑,后瓣略大,天线二的带宽为20MHz,方向图不光滑,在贴片法线方向辐射较差,且后瓣较大。3Analysisanddesignofbroad—bandsingIe—Iayer¥lotU一microst.rppatch蛐tenna3[J].Ante肌a暑andPropagati叽,457—468.2003,51(3)l[5]JsKuo,KLwong,ADual~frequencyL—shapedPatchAntennaoptica】Techn0109yLettefs,2000,27<3):[J].Mcrowave∞d177—179.[6]JsKuo。Kverted—LLwong。ADlual—frequencyOperationofwidth[J].aPlanarIn-结论本文介绍了~种双U槽和弧形边联合加载的平面倒。L”AntennawithTaperedPatchMicmwaveand0pticalTechnoIogyLetter3,2001,28(2):126—127.中华测控网chm锄ca.com万方数据 小型化多频带微带天线的设计
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
史马敏, 郭陈江, Shi Mamin, Guo Chenjiang西北工业大学,电子信息学院,陕西,西安,710129计算机测量与控制
COMPUTER MEASUREMENT & CONTROL2010,18(3)2次
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引用本文格式:史马敏.郭陈江.Shi Mamin.Guo Chenjiang 小型化多频带微带天线的设计[期刊论文]-计算机测量与控制 2010(3)