適用于物聯網多頻段通信的矩形微帶天線設計*

周 鑫

(重慶電子工程職業學院通信工程學院,重慶 401331)

適用于物聯網多頻段通信的矩形微帶天線設計*

周 鑫*

(重慶電子工程職業學院通信工程學院,重慶 401331)

為滿足主流物聯網通信技術的應用需求,提出一種新型的矩形微帶單極天線,適用于多頻段通信,如射頻識別、全球定位系統和無線局域網等。該矩形微帶天線由一個帶兩個U形槽的矩形貼片和一個帶兩個長方形槽的接地面組成,具有 4個工作頻段,當諧振頻率分別為1.22 GHz,2.47 GHz,3.61 GHz和5.60 GHz時,相對帶寬為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)。仿真與實測結果顯示,該天線的工作頻段數量更多且相對帶寬更高,在各工作頻段內具有良好的全向輻射特性。

無線通信系統;物聯網通信;微帶天線;多頻段;阻抗帶寬

當前,無線通信正處于高速發展階段。微帶天線具有簡單、低剖面以及低成本等特點,此外,微帶天線易于制造安裝,與微波集成電路的兼容性好,因而得到了廣泛的應用,如軍事領域、專業開發領域以及民用領域等。由于其在復雜設備中的商業應用不斷增多,新要求不斷出現[1-3],這也使其成為科研人員與工程師研究的熱門課題。隨著物聯網技術的不斷推廣,單頻段通信系統已無法滿足實際應用的要求,當前的無線通信系統常常需要同時滿足多個通信技術標準,即要求能同時工作在多個頻段上,如射頻識別、全球定位系統和無線局域網。

隨著無線通信系統的發展,緊湊型、寬頻帶和多頻段天線成為最有前景的研究設計方向。相應地,許多技術被提出并用來減小尺寸以及增加相對帶寬,比如各種U形微帶天線[4-5]。傳統的U形微帶天線天線尺寸非常大,只能接收到單一頻段。目前,許多研究開始致力于U形多頻段天線[6]。文獻[7]設計的天線中有兩個U形和一個橋接器,能夠覆蓋3個頻帶,可運用于無線城域網,但是這種天線尺寸很大。文獻[8]提出了一種平面五頻段天線,可運用于車載通訊,但是這種天線覆蓋的相對帶寬非常低,僅為2%～3%。文獻[9]提出了一種圓極化U形貼片天線,其相對帶寬較高(大約為20%),但是工作頻段只有2個。文獻[10]提出了一種可滿足物聯網通信需求的3頻段微帶天線,但是其阻抗帶寬不高。

基于上述原因,本文提出了一種適用于物聯網多頻段通信的矩形微帶單極天線,該矩形微帶天線由一個帶兩個U形槽的矩形貼片和一個帶兩個長方形槽的接地面組成。當該天線的諧振頻率分別為1.22 GHz,2.47 GHz,3.61 GHz和5.60 GHz時,其相對帶寬為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),可以適用于RFID/GPS/WiMAX/WLAN通信系統。在頻段1和頻段4增益變化較大,在頻段2和頻段3增益變化較穩定,在5.97 GHz時獲得最大增益8.98 dBi。相比現有的天線,提出天線的工作頻段更多,覆蓋了4個頻段,且尺寸較小。該天線應用HFSS軟件完成設計并進行了實物制作,天線在各工作頻段內具有良好的全向輻射特性。實測和仿真結果基本吻合,從而驗證了這種設計方法的有效性。

1 天線設計與結構

在天線的設計過程中需要分析天線的有效電長度。也就是說,首先根據貼片微帶線長度與相應饋電帶線長度之和,即天線有效電長度,計算出輻射單元的初始長度,才能根據電磁仿真軟件對參數進一步優化。而天線的有效電長度的計算公式如下[10]:

(1)

(2)

式中:Leff表示天線有效輻射電長度,單位為mm;fres表示諧振頻率,單位 GHz;εeff為有效介電常數;c是真空中的光速;h和W分別是介質板厚度和超小A型(SMA)接頭處微帶線的寬度,單位 mm。

圖1 本文提出天線的正面圖

圖1與圖2分別顯示了本文設計天線結構的正面圖與背面圖,天線由帶兩個U形槽的矩形貼片(兩個U形槽由一個小矩形槽相連)和一個帶兩個矩形槽的平接地面組成。該天線被印制在相對介電常數εr=4.4、介質損耗為0.02、厚度為1 mm的FR4的介質板上,尺寸為71 mm×52 mm。U形槽之間的矩形槽用于連接兩個U形槽。接地面尺寸為71 mm×12 mm,切槽部分規格為15 mm×2 mm。天線由微帶線饋入,其寬度為2.5 mm,長度為15 mm。天線的全部具體尺寸如表1所示。

圖2 提出天線的背面圖

參數尺寸/mm參數尺寸/mmLs52Ux120Ws71Uy119.5LP32Ll15WP51Wl2.5Ux32Ut2Uy27C4.3

該天線應用HFSSv13軟件作參數分析以完成設計。通過在接地面中開出兩個矩形槽,我們減小了接地面的尺寸,回波損耗得以改善,因為阻抗帶寬增加了。然后,在矩形貼片開出兩個U形槽獲得3個頻段,通過連接這些U形槽得到了4個頻段。

圖3 天線的設計過程及對應的回波損耗特性

天線設計過程中各種參數所對應的回波損耗特性如圖3和圖4所示,當我們將兩個U形槽切入矩形貼片并且將U形槽與矩形槽連接的時候,得到了更好的結果。圖3顯示了一個U形槽,不連接的兩個U形槽,連接的兩個U形槽,接地面無開槽情況下的回波損耗曲線。當接地面沒有開槽時候,產生更差的結果。貼片開一個U形槽只覆蓋一個頻段,通過多開一個槽來改善這個情況以達到覆蓋3個頻段。當我們連接兩個U形槽的時候,我們得到了最好的實測結果:覆蓋了4個具有良好阻抗匹配的頻段。圖4顯示了該天線于回波損耗方面性能。表2顯示了該天線覆蓋的頻段,以及每個頻段的阻抗帶寬(%)。當工作頻段為頻段1,頻段2,頻段3,頻段4時候,阻抗帶寬分別為25.7%、25.3%、15.7%以及13.6%(在S11<210 dB情況下)。

圖4 天線的設計參數分析

頻段相應帶寬/GHz諧振頻率/GHz頻段11.09～1.451.22頻段22.28～2.892.58頻段33.40～3.983.62頻段45.21～5.975.59

圖5 提出天線的正面圖與背面圖

2 仿真與實測結果

本文研究的天線通過全波仿真軟件HFSS v13設計與仿真,并在暗室中對實際制作的天線進行測試。該天線產生4個頻段,諧振頻率點為1.22 GHz,2.47 GHz,3.61 GHz和5.60 GHz,此時相對帶寬為25.7%、25.3%、15.7%以及13.6%(在S11<-10 dB的情況下)。經過優化后,實際制作出的天線實物圖,如圖5所示。

圖6為天線在工作頻帶內,隨著頻率增加時天線增益的變化曲線結果。從圖6可以看出,在1.12 GHz～1.45 GHz頻段內,最大增益為4.12 dBi,在1.12 GHz處獲得,增益變化大約2 dBi。在2.24 GHz～2.89 GHz頻段內,增益變化僅為0.41 dBi,天線的增益相對穩定,在2.89 GHz時獲得最大增益2.38 dBi。在3.40 GHz～3.98 GHz頻段內,增益變化約為0.49 dBi,天線的增益相對穩定,在3.98 GHz時獲得最大增益4.22 dBi。在5.21 GHz～5.97 GHz頻段內,增益變化較大約為4.08 dBi,在5.97 GHz時獲得最大增益8.98 dBi。在頻段1和頻段4增益變化較大,在頻段2和頻段3增益變化較穩定,在5.97 GHz時獲得最大增益8.98 dBi。

圖6 增益與頻率曲線

圖7給出了天線在2.45 GHz時的表面電流分布。同時,天線的輻射方向也是一個非常重要的因素,圖8顯示了1.22 GHz,2.47 GHz,3.61 GHz和5.60 GHz各種諧振頻率下,該天線的二維輻射方向圖。

圖7 天線在2. 45 GHz的表面電流

用網絡分析儀檢測該天線設計的有效性[11],并通過仿真軟件HFSS v13得到的仿真結果與實測結果之間的回波損耗參數的對比曲線如圖9所示,從圖上可以看到兩者吻合度較高,而兩者的誤差可能是由天線制作和實驗設備測試的誤差引起的。天線在諧振點處的回波損耗分別為-16.2 dB、-26.4 dB、-20.1 dB和-39.3 dB,顯示出天線良好的匹配特性。

圖9 仿真與實測結果

從圖9可以看出天線的仿真結果與實測結果非常一致,其一致性體現了該天線的有效性。現有天線與本文提議天線之間的對比如表3所示。

表3 本文研究天線與現有天線對比

3 結論

本文設計了一種應用于GPS 1.2 GHz,RFID 2.45 GHz,WLAN 2.4/5.5 GHz,以及WiMAX 2.4/3.5/5.5 GHz的四頻段矩形微帶單極天線。該矩形微帶天線由一個帶兩個U形槽的矩形貼片和一個帶兩個長方形槽的接地面組成。該天線提供了4個阻抗匹配良好的頻段,阻抗帶寬分別為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)。相比現有的天線,該天線的工作頻段數量更多且相對帶寬更高,在各工作頻段內具有良好的全向輻射特性。此天線設計簡單,且總面積較小,適用于當前大多數主流的無線通信系統。

[1] 張祖存,吳素云. 寄生分形多三角形結構在多頻天線領域的應用推廣[J]. 微波學報,2015,31(5):30-33.

[2] 李方健. 基于微帶螺旋缺陷諧振單元的諧波抑制天線[J]. 電子器件,2015,38(1):70-73.

[3] 王公晗,馮全源. 平面小型化三頻微帶天線[J]. 探測與控制學報,2014,36(5):64-67.

[4] 張明習,樊康,何小祥. 低插損多頻段天線罩壁電性能[J]. 南京航空航天大學學報,2014,46(6):851-855.

[5] 王善進,劉華珠. 一種微帶線-槽線功分器饋電的超寬帶印制偶極子天線[J]. 微波學報,2014,30(2):30-33.

[6] Liu S,Qi S S,Wu W,et al. Single-Layer Single-Patch Four-Band Asymmetrical U-Slot Patch Antenna[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2014,62(9):4895-4899.

[7] Abutarboush H F,Nilavalan R,Budimir D,et al. Double U-Slots Patch Antenna for Tri-Band Wireless Systems[J]. International Journal of RF and Microwave Computer-Aided Engineering,2010,20(3):279-285.

[8] Alsath M G N,Kanagasabai M. Planar Penta-Band Antenna for Vehicular Communication Applications[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2013,13(1):110-113.

[9] He M,Ye X,Zhou P,et al. A Small-Size Dual-Feed Broadband Circularly Polarized U-Slot Patch Antenna[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2015,14:898-901.

[10] 潘勇,熊江,李潘. 一種新型寬頻帶多頻微帶天線設計[J]. 電訊技術,2015,55(4):390-394.

[11] Darimireddy N K,Reddy R R,Prasad A M. Design of Triple-Layer Double U-Slot Patch Antenna for Wireless Applications[J]. Journal of Applied Research and Technology,2015,13(5):526-534.

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

項目來源:四川省教育廳科研項目(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,漢族,四川樂至人,碩士,副教授。研究方向為傳感網,無線通信網絡,zhouxinkm@126.com。