基于HFSS的UHF頻段印刷天線的設(shè)計(jì)_微帶天線

2016-10-15 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

論文導(dǎo)讀::圖1(a)鞭狀天線(b)曲折型天線。微帶天線以其體積小。借助仿真軟件HFSS。

論文關(guān)鍵詞:曲折型天線,UHF頻段,微帶天線,HFSS

(一)引言

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展,基于此技術(shù)的各種應(yīng)用得到迅速發(fā)展。在無線局域網(wǎng)(WLAN)、射頻標(biāo)簽(RFID)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)等應(yīng)用中,天線作為無線電設(shè)備中發(fā)射和接收無線電波的裝置,將在很大程度上影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。這些應(yīng)用也對(duì)天線的小型化,全向性,多極化提出來較高的要求。微帶天線以其體積小,重量輕,便于集成等優(yōu)點(diǎn),在無線通信應(yīng)用中得到了的大量的應(yīng)用與改進(jìn)。本文就應(yīng)用于特高頻(UHF)頻段的印刷天線進(jìn)行了小型化的設(shè)計(jì)改進(jìn),在HFSS中設(shè)計(jì)并仿真了一個(gè)工作在2.4GHz頻點(diǎn)的印刷曲折型天線。

(二)天線原理與結(jié)構(gòu)

印刷單極天線一般由覆在介質(zhì)層同側(cè)或兩側(cè)的單極貼片和導(dǎo)體地板構(gòu)成,通過微帶線或共面波導(dǎo)進(jìn)行饋電。

先比較一下曲折型天線相對(duì)于鞭狀天線在尺寸上的優(yōu)勢(shì)。早期采用的單極鞭狀天線,如圖1(a)所示,集成面積過大,不利于小型化與低成本生產(chǎn);而采用曲折型結(jié)構(gòu),如圖1(b)所示,就有效地縮減了單極鞭狀天線的尺寸。

圖1(a)鞭狀天線 (b)曲折型天線

單極鞭狀天線一般采用半波對(duì)稱天線的單臂構(gòu)成,即天線臂長(zhǎng)

,由于天線印制到電路板上,印制天線位于空氣與介質(zhì)板之間,且介質(zhì)板背面無金屬,因?yàn)槭馨宀挠绊懳炀€,天線的諧振長(zhǎng)度L應(yīng)由經(jīng)驗(yàn)公式得出波長(zhǎng)的修正值來計(jì)算:

(1)

式中,

為真空中波長(zhǎng),

為有效介電常數(shù)。

有效介電常數(shù)

由相對(duì)介電常數(shù)與微帶線線寬w以及板厚度h確定

(2)

當(dāng)采用厚度為1.6mm,相對(duì)介電常數(shù)為4.4的FR-4材質(zhì)的介質(zhì)板時(shí),根據(jù)公式計(jì)算數(shù)據(jù)在HFSS中優(yōu)化后得到的2.4GHz的諧振天線臂長(zhǎng)約為27.5mm,天線尺寸較大,使得應(yīng)用上限制了節(jié)點(diǎn)器件的尺寸大小;而采用曲折型結(jié)構(gòu)改進(jìn),使天線的諧振長(zhǎng)度縮短到了13.5mm,這樣的尺寸與它的結(jié)構(gòu)使得在無線模塊集成天線時(shí),電路的設(shè)計(jì)可以更為緊湊。

尺寸的縮減要以犧牲有效帶寬為代價(jià),此處有效帶寬定義為

<-10dB的頻帶寬度。在仿真結(jié)果中可以看到有效帶寬隨著尺寸的縮減而下降。

天線的每一節(jié)曲折部分的長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng),因此可以考慮用終端短路傳輸線模型等效成電感來考慮其結(jié)構(gòu)對(duì)天線的影響。因此,曲折型天線可等效為加載電感的鞭狀天線,曲折型部分正好平衡了單極天線的負(fù)虛阻抗部分。天線的輻射特性類似于鞭狀天線,但天線的電流分布將發(fā)生改變,不會(huì)再是一個(gè)正弦函數(shù)。在此,由于其與鞭狀天線的類似性,不再討論天線的輻射功率,輻射阻抗,以及電磁場(chǎng)的分布。

下面以傳輸線理論簡(jiǎn)要分析曲折型天線。根據(jù)傳輸線理論,每一段曲折線部分的輸入阻抗為

(3)

式中,

為自由空間中的波數(shù),

為有效介電常數(shù),

為每段曲折線長(zhǎng)度,即以饋線為中軸垂直線,曲折線部分的一半水平長(zhǎng)度。

此處曲折線部分的特性阻抗為

(4)

式中,

為每段曲折線間距,

為曲折線線寬,波阻抗

。

由上述計(jì)算式可見,曲折線的間距、線寬、每段長(zhǎng)度以及段數(shù)的不同,將改變影響天線的電抗部分,從而影響阻抗匹配到50歐姆的傳輸線小論文。通過計(jì)算與軟件仿真,得出匹配到50歐姆傳輸線時(shí)的參數(shù)值為:

=3mm,

=1mm,

=4mm,段數(shù)為3。

天線設(shè)計(jì)的第一步一般是選擇合適的介質(zhì)基片并確定其厚度h, 因?yàn)榛牧系南鄬?duì)介電常數(shù)

、損耗正切角tanδ 和厚度h將直接影響微帶天線的性能指標(biāo)。采用較厚的基片,可以展寬工作頻帶,效率也較高,但是

過大會(huì)引起表面波的明顯激勵(lì)。采用較高的

,微帶天線的尺寸較小,但帶寬較窄微帶天線,E面的方向圖較寬。當(dāng)減小時(shí),可以使輻射對(duì)應(yīng)的Q 值下降,從而使頻帶變寬,降低還將減小表面波的影響。

本文所設(shè)計(jì)的曲折型天線直接印刷在厚度為1.6mm,相對(duì)介電常數(shù)為4.4的FR-4材質(zhì)的介質(zhì)基板上,介質(zhì)板的尺寸為32mm*18mm。具體天線結(jié)構(gòu)與在HFSS中仿真優(yōu)化后使用的尺寸數(shù)據(jù)如圖 2 所示。天線由3個(gè)曲折部分與末端延長(zhǎng)的部分組成,由50歐姆微帶線饋電。通過調(diào)節(jié)每段曲折線的長(zhǎng)度與間距,以及末端延長(zhǎng)線的長(zhǎng)度,來調(diào)整天線達(dá)到合適的諧振長(zhǎng)度。

圖2 優(yōu)化后的天線結(jié)構(gòu)與尺寸

(三)仿真結(jié)果與分析

借助仿真軟件 HFSS,天線的

參數(shù)的仿真結(jié)果如圖 3 所示。在2.4G處,

=-32.7dB。有效帶寬(按-10dB計(jì)算)為700MHz左右?？梢姶饲坌吞炀€的帶寬雖然比單極鞭狀天線帶寬減小很多,但對(duì)于該頻段的應(yīng)用仍是足夠?qū)挼摹?

圖3

參數(shù)仿真結(jié)果

圖 4 給出了天線在f=2.4GHz頻率點(diǎn)上的 E 面和 H 面方向圖。由天線輻射方向圖可以看出,該天線具有近似全向性能,能夠滿足引言中提到的該頻段的一些應(yīng)用的全向性要求。

圖4 天線在2.4GHz的方向圖

該天線具有成本低、重量輕、易于加工與集成的優(yōu)點(diǎn),采用曲折線結(jié)構(gòu),使天線所占面積為:13.5mm×9.5mm,基本滿足了小型化的要求,易于集成在射頻電路板上。

(4)結(jié)論

本文研究了一種曲折型印刷天線。通過采用曲折線結(jié)構(gòu)縮小天線尺寸,與鞭狀天線相比較,該天線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于調(diào)整、制作方便的優(yōu)點(diǎn)。該天線在HFSS仿真測(cè)試中的數(shù)據(jù)顯示其能夠使用在UHF頻段的一些應(yīng)用中。在改進(jìn)方面,對(duì)于天線可以在饋電位置上做一些調(diào)整,以獲得更好的性能。并且可以將曲折線結(jié)構(gòu)與倒F天線結(jié)構(gòu)相結(jié)合,使天線尺寸得到進(jìn)一步的縮小。

【參考文獻(xiàn)】

[1]Warnagiris,T.J. and Minardo, T.J., "Performance of a Meandered Line as anElectrically Small Transmitting Antenna," [C]IEEE Transactionson Anrennas andPropagation, vol.46, no.12, pp. 1797 - 1801, 1998.

[2]左群聲,金林,胡明春,趙玉潔等譯.無線通信天線手冊(cè)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2004.

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