1、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 摘 要： 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 GHz1.45 GHz) 、25.3% (2.24 GHz 2.89 GHz) 、15.7% (3.40 GHz 3.98 GHz
2、) 以及 13.6% (5.21 GHz5.97GHz) 。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。关键词： 无线通信系统; 物联网通信; 微带天线; 多频段; 阻抗带宽; 作者简介：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, 。收稿日期：2016-11-02基金：四川省教育厅科研项目 (SCYG2015-2-12) Design of Rectangular Micro-Strip Antenna for Multi Band Communication in Inte
3、rnet of ThingsZHOU Xin Department of Communication Engineering, Chongqing College of Electronic Engineering; Abstract： 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, w
4、hich 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
5、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 5.97 GHz) .Simulation and experimental results show that the number of
6、 working bands of the antenna is more wide and the relative bandwidth is higher.Keyword： wireless communication system; Internet of things communication; micro-strip antenna; multi band; impedance bandwidth; Received： 2016-11-02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
7、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,
8、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
9、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 GHz1.45 GHz) 、25.3% (2.24GHz2.89 GHz) 、15.7% (3.40 GHz3.98 GHz) 以及 13.6% (5.21 GHz5.97 GHz) , 可以适用于 RFID/GPS/Wi MAX/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 d Bi。相比现有的天线, 提出天线的工作频段更多, 覆盖了 4
10、 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:式中:L eff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; eff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
11、 (SMA) 接头处微带线的宽度, 单位 mm。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 r=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 mm52 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 71mm12 mm, 切槽部分规格为 15 mm2 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 1 本文提出天线的正面图 下载
12、原图图 2 提出天线的背面图 下载原图表 1 提出的天线的尺寸 下载原表 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。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
13、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 S11210 d B 情况下) 。图 3 天线的设计过程及对应的回波损耗特性 下载原图图 4 天线的设计参数分析 下载原图表 2
14、 提出天线的频率范围 下载原表 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 d B 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 5 提出天线的正面图与背面图 下载原图图 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 1.12GHz1.45 GHz
15、 频段内, 最大增益为 4.12 d Bi, 在 1.12 GHz处获得, 增益变化大约 2 d Bi。在 2.24GHz2.89 GHz 频段内, 增益变化仅为0.41 d Bi, 天线的增益相对稳定, 在 2.89 GHz 时获得最大增益 2.38 d Bi。在 3.40 GHz3.98 GHz 频段内, 增益变化约为 0.49 d Bi, 天线的增益相对稳定, 在 3.98 GHz 时获得最大增益 4.22 d Bi。在 5.21 GHz5.97 GHz 频段内, 增益变化较大约为 4.08 d Bi, 在 5.97 GHz 时获得最大增益 8.98 d Bi。在频段 1 和频段 4 增
16、益变化较大, 在频段 2 和频段 3 增益变化较稳定, 在 5.97GHz时获得最大增益 8.98 d Bi。图 6 增益与频率曲线 下载原图图 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 5.60GHz 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 下载原图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
17、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 d B、-26.4 d B、-20.1 d B 和-39.3 d B, 显示出天线良好的匹配特性。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。图 8 不同谐振频率时的辐射方向图 下载原图图 9 仿真与实测结果 下载原图表 3 本文研究天线与现有天线对比 下载原表 3 结论本文设计了一种应用于 GPS 1.2 GHz, RFID 2.45GHz, WLAN 2.4/5.5 GHz, 以及 Wi M
18、AX 2.4/3.5/5.5GHz 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 GHz1.45GHz) 、25.3% (2.24 GHz2.89 GHz) 、15.7% (3.40GHz3.98 GHz) 以及 13.6% (5.21 GHz5.97GHz) 。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。参考文献1张祖存, 吴素云
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