适用于物联网多频段通信的矩形微带天线设计*

周 鑫

(重庆电子工程职业学院通信工程学院,重庆 401331)

适用于物联网多频段通信的矩形微带天线设计*

周 鑫*

(重庆电子工程职业学院通信工程学院,重庆 401331)

为满足主流物联网通信技术的应用需求,提出一种新型的矩形微带单极天线,适用于多频段通信,如射频识别、全球定位系统和无线局域网等。该矩形微带天线由一个带两个U形槽的矩形贴片和一个带两个长方形槽的接地面组成,具有 4个工作频段,当谐振频率分别为1.22 GHz,2.47 GHz,3.61 GHz和5.60 GHz时,相对带宽为25.7%(1.12 GHz～1.45 GHz)、25.3%(2.24 GHz～2.89 GHz)、15.7%(3.40 GHz～3.98 GHz)以及13.6%(5.21 GHz～5.97GHz)。仿真与实测结果显示,该天线的工作频段数量更多且相对带宽更高,在各工作频段内具有良好的全向辐射特性。

无线通信系统;物联网通信;微带天线;多频段;阻抗带宽

当前,无线通信正处于高速发展阶段。微带天线具有简单、低剖面以及低成本等特点,此外,微带天线易于制造安装,与微波集成电路的兼容性好,因而得到了广泛的应用,如军事领域、专业开发领域以及民用领域等。由于其在复杂设备中的商业应用不断增多,新要求不断出现[1-3],这也使其成为科研人员与工程师研究的热门课题。随着物联网技术的不断推广,单频段通信系统已无法满足实际应用的要求,当前的无线通信系统常常需要同时满足多个通信技术标准,即要求能同时工作在多个频段上,如射频识别、全球定位系统和无线局域网。

随着无线通信系统的发展,紧凑型、宽频带和多频段天线成为最有前景的研究设计方向。相应地,许多技术被提出并用来减小尺寸以及增加相对带宽,比如各种U形微带天线[4-5]。传统的U形微带天线天线尺寸非常大,只能接收到单一频段。目前,许多研究开始致力于U形多频段天线[6]。文献[7]设计的天线中有两个U形和一个桥接器,能够覆盖3个频带,可运用于无线城域网,但是这种天线尺寸很大。文献[8]提出了一种平面五频段天线,可运用于车载通讯,但是这种天线覆盖的相对带宽非常低,仅为2%～3%。文献[9]提出了一种圆极化U形贴片天线,其相对带宽较高(大约为20%),但是工作频段只有2个。文献[10]提出了一种可满足物联网通信需求的3频段微带天线,但是其阻抗带宽不高。

基于上述原因,本文提出了一种适用于物联网多频段通信的矩形微带单极天线,该矩形微带天线由一个带两个U形槽的矩形贴片和一个带两个长方形槽的接地面组成。当该天线的谐振频率分别为1.22 GHz,2.47 GHz,3.61 GHz和5.60 GHz时,其相对带宽为25.7%(1.12 GHz～1.45 GHz)、25.3%(2.24 GHz～2.89 GHz)、15.7%(3.40 GHz～3.98 GHz)以及13.6%(5.21 GHz～5.97 GHz),可以适用于RFID/GPS/WiMAX/WLAN通信系统。在频段1和频段4增益变化较大,在频段2和频段3增益变化较稳定,在5.97 GHz时获得最大增益8.98 dBi。相比现有的天线,提出天线的工作频段更多,覆盖了4个频段,且尺寸较小。该天线应用HFSS软件完成设计并进行了实物制作,天线在各工作频段内具有良好的全向辐射特性。实测和仿真结果基本吻合,从而验证了这种设计方法的有效性。

1 天线设计与结构

在天线的设计过程中需要分析天线的有效电长度。也就是说,首先根据贴片微带线长度与相应馈电带线长度之和,即天线有效电长度,计算出辐射单元的初始长度,才能根据电磁仿真软件对参数进一步优化。而天线的有效电长度的计算公式如下[10]:

(1)

(2)

式中:Leff表示天线有效辐射电长度,单位为mm;fres表示谐振频率,单位 GHz;εeff为有效介电常数;c是真空中的光速;h和W分别是介质板厚度和超小A型(SMA)接头处微带线的宽度,单位 mm。

图1 本文提出天线的正面图

图1与图2分别显示了本文设计天线结构的正面图与背面图,天线由带两个U形槽的矩形贴片(两个U形槽由一个小矩形槽相连)和一个带两个矩形槽的平接地面组成。该天线被印制在相对介电常数εr=4.4、介质损耗为0.02、厚度为1 mm的FR4的介质板上,尺寸为71 mm×52 mm。U形槽之间的矩形槽用于连接两个U形槽。接地面尺寸为71 mm×12 mm,切槽部分规格为15 mm×2 mm。天线由微带线馈入,其宽度为2.5 mm,长度为15 mm。天线的全部具体尺寸如表1所示。

图2 提出天线的背面图

参数尺寸/mm参数尺寸/mmLs52Ux120Ws71Uy119.5LP32Ll15WP51Wl2.5Ux32Ut2Uy27C4.3

该天线应用HFSSv13软件作参数分析以完成设计。通过在接地面中开出两个矩形槽,我们减小了接地面的尺寸,回波损耗得以改善,因为阻抗带宽增加了。然后,在矩形贴片开出两个U形槽获得3个频段,通过连接这些U形槽得到了4个频段。

图3 天线的设计过程及对应的回波损耗特性

天线设计过程中各种参数所对应的回波损耗特性如图3和图4所示,当我们将两个U形槽切入矩形贴片并且将U形槽与矩形槽连接的时候,得到了更好的结果。图3显示了一个U形槽,不连接的两个U形槽,连接的两个U形槽,接地面无开槽情况下的回波损耗曲线。当接地面没有开槽时候,产生更差的结果。贴片开一个U形槽只覆盖一个频段,通过多开一个槽来改善这个情况以达到覆盖3个频段。当我们连接两个U形槽的时候,我们得到了最好的实测结果:覆盖了4个具有良好阻抗匹配的频段。图4显示了该天线于回波损耗方面性能。表2显示了该天线覆盖的频段,以及每个频段的阻抗带宽(%)。当工作频段为频段1,频段2,频段3,频段4时候,阻抗带宽分别为25.7%、25.3%、15.7%以及13.6%(在S11<210 dB情况下)。

图4 天线的设计参数分析

频段相应带宽/GHz谐振频率/GHz频段11.09～1.451.22频段22.28～2.892.58频段33.40～3.983.62频段45.21～5.975.59

图5 提出天线的正面图与背面图

2 仿真与实测结果

本文研究的天线通过全波仿真软件HFSS v13设计与仿真,并在暗室中对实际制作的天线进行测试。该天线产生4个频段,谐振频率点为1.22 GHz,2.47 GHz,3.61 GHz和5.60 GHz,此时相对带宽为25.7%、25.3%、15.7%以及13.6%(在S11<-10 dB的情况下)。经过优化后,实际制作出的天线实物图,如图5所示。

图6为天线在工作频带内,随着频率增加时天线增益的变化曲线结果。从图6可以看出,在1.12 GHz～1.45 GHz频段内,最大增益为4.12 dBi,在1.12 GHz处获得,增益变化大约2 dBi。在2.24 GHz～2.89 GHz频段内,增益变化仅为0.41 dBi,天线的增益相对稳定,在2.89 GHz时获得最大增益2.38 dBi。在3.40 GHz～3.98 GHz频段内,增益变化约为0.49 dBi,天线的增益相对稳定,在3.98 GHz时获得最大增益4.22 dBi。在5.21 GHz～5.97 GHz频段内,增益变化较大约为4.08 dBi,在5.97 GHz时获得最大增益8.98 dBi。在频段1和频段4增益变化较大,在频段2和频段3增益变化较稳定,在5.97 GHz时获得最大增益8.98 dBi。

图6 增益与频率曲线

图7给出了天线在2.45 GHz时的表面电流分布。同时,天线的辐射方向也是一个非常重要的因素,图8显示了1.22 GHz,2.47 GHz,3.61 GHz和5.60 GHz各种谐振频率下,该天线的二维辐射方向图。

图7 天线在2. 45 GHz的表面电流

用网络分析仪检测该天线设计的有效性[11],并通过仿真软件HFSS v13得到的仿真结果与实测结果之间的回波损耗参数的对比曲线如图9所示,从图上可以看到两者吻合度较高,而两者的误差可能是由天线制作和实验设备测试的误差引起的。天线在谐振点处的回波损耗分别为-16.2 dB、-26.4 dB、-20.1 dB和-39.3 dB,显示出天线良好的匹配特性。

图9 仿真与实测结果

从图9可以看出天线的仿真结果与实测结果非常一致,其一致性体现了该天线的有效性。现有天线与本文提议天线之间的对比如表3所示。

表3 本文研究天线与现有天线对比

3 结论

本文设计了一种应用于GPS 1.2 GHz,RFID 2.45 GHz,WLAN 2.4/5.5 GHz,以及WiMAX 2.4/3.5/5.5 GHz的四频段矩形微带单极天线。该矩形微带天线由一个带两个U形槽的矩形贴片和一个带两个长方形槽的接地面组成。该天线提供了4个阻抗匹配良好的频段,阻抗带宽分别为25.7%(1.12 GHz～1.45 GHz)、25.3%(2.24 GHz～2.89 GHz)、15.7%(3.40 GHz～3.98 GHz)以及13.6%(5.21 GHz～5.97GHz)。相比现有的天线,该天线的工作频段数量更多且相对带宽更高,在各工作频段内具有良好的全向辐射特性。此天线设计简单,且总面积较小,适用于当前大多数主流的无线通信系统。

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DesignofRectangularMicro-StripAntennaforMultiBand

CommunicationinInternetofThings*ZHOUXin*

(Department of Communication Engineering,Chongqing College of Electronic Engineering,Chongqing 401331,China)

In order to meet the application requirements of the mainstream in Internet of things communication technology,a new type of rectangular micro-strip monopole antenna is proposed,which is suitable for multi band communication,such as radio frequency identification,global positioning system and wireless local area network. The rectangular micro-strip antenna is composed of a rectangular patch with two U shaped slots and a ground surface with two rectangular slots. The antenna has four working frequency,when the resonant frequency is 1.22 GHz,2.47 GHz,3.61 GHz and 5.60 GHz,the relative bandwidth is 25.7%(1.12 GHz～1.45 GHz),25.3%(2.24 GHz～2.89 GHz),15.7%(3.40 GHz～3.98 GHz)and 13.6%(5.21 GHz～5.97GHz). Simulation and experimental results show that the number of working bands of the antenna is more wide and the relative bandwidth is higher.

wireless communication system;Internet of things communication;micro-strip antenna;multi band;impedance bandwidth

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.06.013

项目来源:四川省教育厅科研项目(SCYG2015-2-12)

2016--11-02修改日期2017-01-04

TN823

A

1005-9490(2017)06-1393-05

周鑫(1976-),男,汉族,四川乐至人,硕士,副教授。研究方向为传感网,无线通信网络,zhouxinkm@126.com。