新型天线（精选7篇）
新型天线 篇1
0 引言
随着各种网络设备的应用普及和超宽带无线通信技术的发展, 人们对宽带高增益天线有了更高的需求,主要体现在频带的范围更广, 便于安装、 架设和携带,同时具有较高的效率和增益。 微带天线因所具有的优点, 如体积小、 重量轻、 结构稳定、 剖面低、 馈电方式灵活、 成本低、 易与设备共形、 易产生线极化波和圆极化波等, 深受人们的青睐, 在应用方面得到了迅速的推广。 但微带天线由于其独特自身结构及实现原理,有着固有的缺陷, 即阻抗带宽较窄, 单片天线增益较低,这两项缺陷成为了限制其广泛应用的主要障碍。 因此,研究如何展宽微带天线的带宽并提高天线增益有着十分重要的意义[1]。
新型电磁材料结构在这种背景下应运而生。 新型电磁材料, 又称超材料(Metamaterial ), 其凭借自身特殊的结构, 产生了特殊的电磁属性, 突破了传统电磁场理论中的一些重要概念, 已经逐渐成为国际物理、 材料和电磁领域的研究前沿和热点, 其于2003 年和2006 年两次被美国 《Science》杂志评为年度十大科技突破之一, 且于2011 年被评为美国21 世纪前十年的十大科技之一[2]。将新型电磁材料结构应用到现代天线设计中,将大大改善天线的增益、 带宽等电磁特性, 极大提升常规天线的性能。
目前的天线设计方式主要依靠微波电子设计自动化(Electronic Design Automation ,EDA) 软件, 而综合问题,更多的则是依赖于最优化技术。 最优化问题求解的研究已经成为数学和计算机科学研究领域的重点。 在实际工程设计中, 许多最优化问题十分复杂, 传统的方法难以解决。 因此把全局优化算法运用到参数设计中具有较高的实际应用价值[3]。
1 微带天线的概述
Deschamps教授于1953 年在研究如何将微带传输线传播的能量辐射出去时,提出了微带天线的概念。 从二十世纪70 年代起,微带天线技术迅速发展,逐渐成为了天线家族中独立的分支。 与此同时,第一个实用微带天线也制作而成。 微带天线属于一维小型天线,天线的长宽尺寸与波长一般来说在同一数量级,而天线的厚度仅有波长的百分之一左右[4]。
微带天线按照贴片形状的不同可以分为圆形贴片微带天线、矩形贴片微带天线、三角贴片微带天线等;按照结构不同可以分为微带贴片天线和微带缝隙天线两大类;按照工作原理不同可以分为微带行波天线和微带驻波天线等[4]。 微带天线主要由接地板、介质板、辐射贴片以及馈线构成,可以通过侧馈电或者同轴馈电方式连接馈源。
在微带天线发展过程中, 展宽微带天线的带宽始终是微带天线研究的热点和难点。 目前已有许多途径来解决这个问题,例如采用低介电常的材料,增厚介质基片,附加寄生单元的共面结构,增加介质层数和利用宽频带阻抗匹配电路等,这些都可以大大展宽微带天线的工作带宽[5，6]。 但是, 增厚介质基片的办法会增大天线表面波,产生一些对其性能有不利影响的辐射。 表面波在介质中传播时, 一部分会传播至天线的不连续处( 例如天线横断面),这样会使天线的极化纯度弱化,效率降低。 由于微带天线的谐振特性可等效为一个高Q并联谐振电路,所以展宽微带天线的基本途径可以通过寻找降低等效谐振电路的Q值来实现, 能够实现目的途径包括: 修改等效电路、 附加阻抗匹配网络[7]。 常用的方法包括选择合适的基片、阶梯形基片、合适的贴片形状、合适的馈电技术、多层结构[8]、在贴片或接地板 “开窗”、多模技术以及加载等[9，10]。
2 新型电磁材料的应用
新型电磁材料统称为Metamaterials , 其中Meta是一个古希腊的单词前缀, 有 “ 超” 的意思, 一般译为 “ 超材料”, 亦即新型电磁材料[11]。 这些材料都是人工合成材料,能够通过人为的方式,构造出不同的介质基板结构,实现特定的电磁功能,在电磁领域表现出一些在自然界中不存在的现象,如频率禁带、负折射率等[12,13,14]。 当把它们应用于天线设计领域中时,可显著改善天线单元的性能,如提高增益、增加带宽[15]等。 这些人工材料的出现,为克服当前在天线设计领域遇到的一些技术上的限制提供了可能的解决方案。 新型电磁材料所具备的独特电磁特性使其成为电磁领域一个研究热点,其中尤以人工磁导体(Artificial Magnetic Conductor ,AMC) 的研究和应用最为广泛和深入[16,17,18]。
研究人员从倒L型单极子天线入手, 分析了其在理想导体(Perfect Electric Conductor ,PEC) 接地表面时的不匹配现象, 进而引入三种不同的AMC结构接地板来使得该天线达到匹配,并显著增强了天线在其中心频率处的输入阻抗带宽[19],如图1 所示。 Wang等人研究了将AMC表面应用于接地板的地剖面谐振腔天线。 该天线由接地板和金属电磁介质层阵列(Metal Electromagnetic Bandgap,MEBG ) 构成, 该阵列起到部分反射表面( Partially Reflec-tive surface , PRS ) 的作用, 同时使用微带天线来作为谐振腔的馈源, 使用AMC接地板替代PEC接地板实现了将天线的剖面降低50%[20],如图2 所示。
Gonzalo利用基底打孔电磁带隙(Electro-magnetic Band-gap , EBG ) 结构( 如图3 所示) , 很好地抑制了贴片天线的表面波, 减小了天线后向辐射, 使天线增益有了大幅的提升。 Llombart等人提出的平面圆对称EBG结构, 如图4所示, 具有易于制作、 抑制所有沿径向传播的表面波的优点,使印刷天线的带宽提高到20%。 Coccioli等人将共面紧凑式光子晶体(Uniplanar Compact Photonic Bandgap ,UC -PBG) 结构用于缝隙耦合馈电贴片天线, 如图5 所示,成功抑制了表面波,使得天线的边射增益提高了3 d B[21]。
Hosseinipanah等人在原来传统AMC结构介质基板上, 添加了第二层频率选择表面(Frequency selective sur-face , FSS ) 结构, 构成双层AMC ( 2L - AMC ) 结构, 如图6 所示, 将传统AMC结构中使用的单层厚介质基板使用两层薄介质基板来替代,在同等基板厚度下达到同样的性能。 最重要的是,这样的双层薄介质结构消除了传统设计中单层厚介质基板价格昂贵且难以制得的影响,同时为天线的性能优化提供了更多的可调节参数,更加有利于天线的精细化调节[22]。
通过使用AMC结构来合理设计微带天线的辐射贴片和接地板,使二者在相同的频段分别产生电谐振和磁谐振, 等效于构造了具有负介电常数和负磁导率的介质, 从而构成了一种基于新型电磁材料的微带天线,实现了一般天线所不能达到的性能[23]。 通过对以上文献内容分析综合, 可以看出, 仿真和测试结果均表明使用新型电磁材料结构所设计的天线带宽得到了极大提升,同时,在整个带宽范围内也保持了较高的增益[24]。 由此可见,这种将新型电磁材料应用到天线中的设计方法具有非常广阔的研究前景。
3 优化算法在天线设计中的应用
在天线的实际研究和工程设计中, 存在许多最优化问题, 其中有些参数分析问题非常复杂, 给研究和工程设计带来了巨大的困难。 比如,在天线设计中最优化问题的函数往往是非线性、 不可微分以及多参数的, 这使得实现最优性能的参数和结构的选择变得十分困难[25]。在工程设计中,分析和综合是相辅相成的。 工程的分析主要依赖于计算电磁学或者微波电子设计自动化(Elec-tronic Design Automatic , EDA ) 辅助工具软件[26,27,28]。 而综合问题,则更多的依赖于最优化算法。 多数EDA软件中均包含了常规优化算法和全局优化算法,这些算法具有灵活性高, 不容易陷入局部最优等优点, 能够有效地进行全局搜索,所以应用优化算法来对天线进行多目标的优化设计具有很好的发展前景[3]。
Junho Yeo等研究人员提出了一种使用遗传算法来对多频天线介质地板进行优化的方法,其将天线介质地板反射系数的幅值和相位作为优化目标,在损失了一定带宽的基础上, 得到了0° 反射相位, 提升了介质地板的性能[29],如图7 所示。 杨帆等人将遗传算法引入到天线设计中进行参数优化, 讨论了优化中的一些基本问题,如基因串的定义、 遗传算法与矩量法的结合、 适应度函数的设计以及控制参数的选择等, 选择馈电点和贴片形状为敏感参数进行优化, 得出了不同形状的微带天线, 如图8 所示, 分别具备了宽带和双频的特点[30]。 这种使用遗传算法来进行天线设计优化的方法克服了以往微带天线参数研究工作量大、 参数和结构选择具有一定盲目性的缺点, 加速了天线设计周期, 验证了遗传算法在微带天线优化设计中的有效性及优越性。
同时, 有研究人员对多种全局优化算法进行分析,使用遗传算法[31]、 微分进化策略、 田口算法以及高效全局优化算法(Efficient Global Optimization ,EGO) 等对天线进行实际参数研究, 分析了各种算法的异同点[3], 为后续研究提供算法理论基础,便于研究人员借鉴参考。 因此,在实际优化应用中,应根据具体的问题,结合优化算法的自身优势来选择合适的算法,以便最大限度提升优化效率,得到全局最优解,实现天线的最优化设计。
4 结论
综上所述,新型电磁材料结构由于其优异的电磁性能,为高性能微带天线的设计提供了新的研究方向。 研究人员以微带天线贴片和介质基板为研究重点,对多种平面一维和二维电磁带隙结构进行建模仿真,构建新型电磁材料结构, 在提高天线性能方面取得了很大的进展[32]。 同时,在天线设计过程中,将优化算法应用到新型电磁材料结构的参数研究上, 大幅提升天线设计效率,能够快速有效地实现高性能微带天线的设计。
纵观新型电磁材料及相关优化算法在天线设计中的应用,可以预计:
( 1 ) 新型电磁材料在天线设计中的应用将会越来越普遍。
得益于理论学者对相关模型的进一步分析研究, 新型电磁材料结构的理论模型将会越来越清晰,由于其独特的电磁特性,其在高增益宽带宽微带天线设计中将会得到越来越广泛的应用研究。
( 2 ) 新型电磁材料的结构将会越来越多样化。
目前新型电磁材料的建模多集中于简单一维二维结构, 得益于相关建模仿真工具以及生产工艺的发展,复杂一维二维或者三维形式的新型电磁材料结构将会变得越来越普遍,其所具备的更多的可调节的参数将使得天线的设计更趋于精细化。
( 3 ) 优化算法在天线设计中的应用将会更加普遍化和多样化。
新型电磁材料的引入,使得天线设计有了更多的参数需要进行调节和匹配,这使得参数研究的难度和复杂度急剧提升。 依靠EDA软件的参数扫描功能进行天线设计必然会花费较多的时间,并且由于参数扫描所具有的盲目性,难以快速有效地实现高性能天线的设计。 优化算法由于其具备良好的全局搜索能力,能快速稳定地寻找到实现最优天线性能的参数和结构,能有效设计高性能天线,同时大幅缩短天线设计周期。 对于天线设计中的复杂目标优化, 单一算法可能会受自身特点的制约, 难以快速有效地实现, 所以多种算法的联合优化也会逐渐出现在天线设计当中。
新型WLAN装饰天线的设计 篇2
随着通信电子行业的发展，电子通信服务已经深入到生活的各个环节，无线通信，无线局域网的快速发展为人们的生活提供了很多便利，大大的改善了生活质量和生活方式。然而随着无线数据业务的不断扩展，系统天线的覆盖范围不断加大的同时，也出现了很多负面问题：使用非常多的天线实现大范围的覆盖，天线分布在城市，房屋的各个位置，影响了城市视觉效果，同时也会增加人们对电磁辐射的恐惧感，此外，天线的裸露会缩短天线的寿命，降低通信的质量。
针对以上这些问题，文献提出了美化天线的概念。所谓的“美化天线”又叫作“伪装天线”，即在不影响天线性能的情况下，通过各种手段对天线的外表进行装饰。它不仅美化了城市或房屋的环境，也减少了人们对电磁辐射的恐惧，同时还延长天线的使用使命，保证了通信质量。天线美化的方式有多种，常用的方式有三种：绿化，装饰和隐藏。本文中所设计的天线采用的是装饰方式.
无线局域网(WLNA)是当今发展比较快的一类无线通信网络。本文主要针对目前的WLAN室内无线接入工程中天线室内覆盖问题对天线进行设计。设计天线不仅电气性能满足系统需要，同时结合美化天线的概念，对天线外观进行装饰。天线的设计原理以及装饰过程在文中都将做详细的介绍。
（二）天线分析与设计
1. 设计分析
WLNA覆盖系统中通常采用的天线形式多数为鞭天线和面天线两大类。对于一些宾馆、商店、家庭、办公室等等环境中，鞭状天线的外形往往不能和整个室内装修气氛相吻合，这种情况下一般选择面天线。室内覆盖系统中，要求室内任何一个位置都能实现覆盖，室外无辐射信号，因此天线为E面全向天线。一般的平面偶极子天线的增益为3dBi左右，为了满足覆盖范围和IEEE802.11标准的增益要求，通常采用加反射挡板和天线组阵的措施来提高天线的增益。本文要求天线增益>15dBi，因此采用8个偶极子天线阵列形式，并对其加反射板，以提高天线增益和控制天线辐射方向。
2. 天线设计
通过以上分析，根据相关指标要求。最终确定天线结构图如下图1所示，图中实线部分为天线的辐射面，虚线为天线的接地面。该天线阵列是以偶极子天线单元为基础，八个单元并行馈电。天线辐射单元为四分之一波长，单元之间的间距一般选取0.6～0.8λ。天线阵列馈电端口通过阻抗变换线变换到50Ω，由馈电电缆与其它设备连接。结构中的过孔实现了电流的通路，使电磁能量向外辐射，背面接地面相当于一巴伦结构，实现偶极子的平衡馈电。
上述天线结构增益理论上为12dBi左右，还不能满足设计要求，为此我们通过加反射挡板的方法来提高天线的增益，同时控制电磁辐射方向。天线安装结构图如图2所示，通过支撑柱将反射板和天线连接起来。反射板与天线的距离设置为1/4λ，可使天线增益增加3～4dB。天线通过硬电缆馈电，电缆长度一般为波长的整数倍，电缆的内芯接天线的辐射单元，外芯和天线的接地面连接，电缆的另外一头接N型接头，用于和其它设备连接。
3. 仿真结果
根据以上设计应用电磁仿真软件CST进行仿真，天线的方向图和端口反射系数仿真结果如图3、图4所示：
仿真结果可以看到，在天线结构的正面方向范围内正负90度之间，基本上达到了全向辐射。天线在工作频段上的阻抗特性良好，满足驻波设计要求。
（三）天线测试
天线结构确定，采用FR4介质板加工制作天线，其介电常数εr=4.4，厚度h=1.6mm。通过软件仿真优化，确定结构中一些物理尺寸，其中天线辐射单元阵子长度3mm，相邻阵子之间的间距为8mm (0.7λ)，支撑柱的高度为3mm，硬电缆长度为14mm。最后对天线进行测试，采用Agilent8753ES矢量网络分析仪对天线阻抗特性进行测量，驻波测试结果如图5所示，天线在2.4GHz-2.5GHz的频率范围内的驻波系数都小于1.5，满足设计要求。
（四）天线的装饰
该天线用于室内覆盖，可以安装在建筑物外墙壁上，结合室内装饰的环境，将天线装饰成壁画形状，最后装饰效果如图6所示。天线周围使用木制相框围绕，在天线最上方使用传输损耗低的玻璃纤维覆盖。通过测试，装饰过后的天线阻抗特性与装饰前性能没有发生任何改变。通过装饰，天线的外观美丽大方，可以悬挂于室内的各个位置。天线指标既达到了电气特性要求，外形结构也可以作为室内装饰的一部分，达到了预期设计的目的。
（五）总结
本文介绍了一应用于WLNA室内覆盖的壁画式装饰天线的设计理念和设计过程。该设计方法在保护天线的同时，也减少了人们对电磁辐射的恐惧，天线性能也非常良好，外观美丽大方，不仅满足WLNA室内覆盖系统的要求，同时美化市内环境，可谓一举两得，在实际的生活中具有很高的实用价值，值得推广。
摘要：文章分析设计了一新型应用于无线局域网室内覆盖的阵列天线, 结合美化天线理念, 对天线外观进行装饰。天线工作在2.4GHz～2.5GHz频率范围内驻波都小于1.5, 垂直极化, 理论增益值>15dBi, 天线装饰成壁画结构, 美观大方。实际测量结果与仿真结果吻合, 满足设计要求。
关键词：阵列天线,偶极子天线,无线局域网,美化天线
参考文献
[1]张明山, 孙石峰, 等.美化天线在移动通信基站中的应用[J].邮电设计技术, 2004, 3:14-16.
[2]周游, 潘锦, 聂在平.时域背腔式领结天线的工程化设计[J].电子科技大学学报, 2005, 34 (1) :1-4.
一种新型的超宽带树形天线 篇3
超宽带(UWB)技术作为一种无线通信技术,除在高分辨率超宽带雷达、精确定位系统等方面已经有了广泛的应用外,在短距离室内高速无线通信方面也受到人们越来越多的关注。根据FCC规定,将3.1～10.6 GHz之间7.5 GHz的频段分配给超宽带通信业务使用。基于通信协议IEEE802.15.3a的解决方案之一是多波段正交频分多路技术(Multi-Band Orthogonal Frequency Division Multiplexing,MB-OFDM),该方案低频段为3.1～4.8 GHz,该文提出的一种超宽带天线正是覆盖该频段,且可用于便携式系统中,该系统要求超宽带天线具有全向辐射方向图、超宽带、尺寸小、增益平坦、线性相位和低成本。
手持设备对天线有严格的空间尺寸限制,而分形天线的优点如尺寸小、重量轻及低剖面正好满足手持设备的要求,因此近年来很多研究集中在该领域。采用分形概念是天线原理与设计很有前景的研究方向之一,许多研究者对分形天线做出了积极的研究,如带有分形分枝树的双波段陷波共面波导馈电天线[1],采用分形概念的树形超宽带天线[2]及带有倒T形槽的UWB天线[3],Ding et al提出采用分形概念共面波导馈电的圆环形UWB天线[4]。
基于分形概念提出一种双分枝树形天线,为获得超宽带全向辐射方向图,天线采用部分地面技术[5]和分形概念。
1 天线设计和仿真
矩形树状宽带天线辐射单元宽度为W,高度为L,馈线宽度Wf,辐射单元蚀刻在FR4基板上(厚度h=1.5 mm,εr=4.4),基板尺寸为Lsub×Wsub,天线背面有部分接地面,尺寸为Lg×Wsub,部分接地面与辐射单元底端距离为G。具有分形概念的矩形树状超宽带天线结构如图2所示,天线是在图1矩形树基础上蚀刻出台阶形缺口,从而形成2个分枝,对应缺口的尺寸为W1,W2,…W7和L1,L2,…L7,除此之外,基板材料和尺寸与图1完全一致。天线辐射单元位于y-z平面,辐射单元厚度方向对应x-z平面。矩形树状超宽带天线结构如图1所示,具有分形概念的树形超宽带天线如图2所示。
天线尺寸如下:对于图1,W=16 mm,L=21.5 mm,Wf=2.5 mm,Lsub=34 mm,Wsub=20 mm,Lg=7 mm,G=4.5 mm。对于图2,W1=13 mm,W2=11 mm,W3=9 mm,…W7=1 mm;L1=14 mm,L2=12 mm,L3=10 mm,…L7=2 mm,均按2 mm尺寸递减,其他尺寸与图1相同。
对应图1中辐射单元面积为L×W=344 mm2,对应图2中辐射单元面积为246 mm2,与图1相比,图2中辐射单元面积减少了28.5%。
按照图1和图2尺寸采用HFSS10.0进行了仿真,回波损耗仿真结果如图3所示。图中仿真结果与图1和图2结构相对应,对于图1结构,回波损耗小于-10 dB带宽69.7%(2.73～5.65 GHz);按照图尺寸加工出了具有双分枝树形超宽带天线,馈电采用50Ψ同轴侧馈,回波损耗实测结果如图3所示,图中小于-10 dB带宽达71.4%(2.7～5.7 GHz)。
图4、图5、图6、图7、图8和图9分别为3 GHz、4 GHz和5GHz时对应图1和图2的2种天线结构在x-z平面方向图和y-z平面方向图,可以看出2种结构的天线Eθ基本重合,而EΥ的大小在-20～-15 dB以下,说明2种结构天线方向图基本一致。
同时从图4～图9方向图可以看出,方向图与偶极子天线类似,天线在x-y平面为全向辐射;在频率为3 GHz和4 GHz时,在z轴(θ=0°)和-z轴(θ=180°)近似为零点,而最大辐射方向在θ=90°,对于频率为5 GHz,最大辐射方向偏离了90°方向,这主要是因为天线采用了部分地面。
2 结束语
对提出的一种具有分形概念的树形超宽带天线进行了研究,其回波损耗小于-10 dB带宽达71.4%(2.7～5.7 GHz),天线增益为2.16～4.49 dB(3～5 GHz),其方向图与偶极子天线相类似,同时提出的天线回波损耗带宽及方向图与矩形树形超宽带天线基本一致,但前者辐射单元面积比后者减少了28.5%。
参考文献
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一种新型RFID天线的仿真设计 篇4
RFID系统利用射频信号通过空间耦合进行双向信息传输,实现对待识别物体的自动识别和数据采集。在RFID系统中,标签天线的设计是关键技术之一。RFID标签天线的性能对整个系统的工作指标有关键性的影响。设计合适的标签天线,实现天线与标签芯片的阻抗匹配是设计的关键要点,也是难点所在。目前,有一些标签天线设计的报道,例如折叠型偶极天线、V型偶极天线、倒F型天线和分形天线等。这些天线的轮廓外形大都是半波振子的变形,长度大约为波长的一半,显得大了点,阻抗匹配不容易也不方便,它们的带宽狭窄,难于集成,因此不利于RFID技术的推广应用[1,2]。
低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic,LTCC)工艺以其优良的特性,成为了人们研究的重点,大量的无线射频应用被移植到LTCC工艺上去。LTCC材料具有介电常数高、损耗低、介质性能稳定等特性。基于LTCC制作的天线具有体积小、增益高、特性稳定等优良性能,它符合无线通信产品向轻、薄、短、小方向发展的趋势,而成为近年来研究的热点。多层陶瓷结构的设计已成为天线小型化的重要方法,其中使用共面波导方法(CPW)馈入以增加频宽的LTCC天线,或是在陶瓷结构中将辐射元曲折以增加电流路径的方式使天线达到小型化的方法,或使用过孔将各辐射金属连接的技术都在片上天线中获得很好的应用[3,4]。
本文给出了一种新型的RFID天线设计。该天线充分利用LTCC工艺的特性,结合曲折型天线及螺旋天线的结构形式,运用多层的结构把原先平面上的电路以空间的形式进行实现,从而使天线进一步小型化。设计的天线工作频率为2.45GHz,RFID标签的输入阻抗为50Ω。
天线基板的介电常数是影响天线工作频率的重要参数,由基板的空腔模型可以得知其共振频率为:
在谐振频率固定的情况下,使用越高介电常数的介质,所需的电感、电容量就越少,相应地,微带线尺寸就越小。LTCC天线采用高介电常数材料有利于天线的小型化,但太高的介电常数将容易激励起表面波,从而降低天线的效率,对天线的带宽、方向图等都有不利的影响,所以必须综合考虑。本文所设计天线采用LTCC基板材料为Ferro A6,其相对介电常数为5.7,tanδ=0.0012。天线设计图如图1所示,天线共分为三层陶瓷材料结构来设计,在上面两层基板上敷以金属铜当作天线辐射单元,其基本辐射单元为一0.508mm×3.12mm的细长矩形,辐射单元分布两层,两层间的各个辐射单元以0.2×0.2mm的小金属片作为过孔连接。采用这种布线方式一方面可阻隔各层金属线因紧密配置造成的耦合效应,一方面可以充分利用三维立体空间以缩小整个元件尺寸[5]。底层LTCC基板上制作接地金属面,覆盖辐射单元以下直至输入端的部分。
为了满足RFID系统对天线的体积和重量提出的苛刻要求,可以采用微带线馈电。微带线馈电时馈线与微带贴片共面,因而制作简单。
3. 仿真结果及分析
采用ADS Momentum对天线进行建模和仿真,得到S11回波损耗仿真结果如图2所示,从图2可以看出,天线谐振在2.45GHz附近,在2.45GHz频率下的输入阻抗为51.6+j0.75,反射系数:36.083d B,S11小于-10dB的带宽达90MHz,相对带宽3.639%,其带宽覆盖了RFID 2.45GHz频段工作频率。
当把天线基本辐射单元的长度分别改为2.95 mm、3.05mm、3.40mm时,得到了如图3所示的仿真结果,从图上可以看出当基本辐射单元的长度变长时谐振频率点下降,相反当辐射单元长度变短时谐振频率点上升,这与天线理论吻合。天线的远场方向图如图4所示,其三维场型接近椭球型,具有很好的全向性。
4. 介电常数对天线性能的影响
不同的介电常数的基底对天线的性能有较大的影响,在天线的尺寸不变的情况下,通过改变基底介电常数,我们做了一系列的仿真计算,其结果如表1所示。由式(1)可知要减小天线的尺寸可以通过增大基底的介电常数,当天线结构一定时,所选基底的介电常数增大,则天线的谐振频率降低。实验中通过选择不同介电常数的若干种材料进行仿真计算,得出表1所示的仿真结果,从表1可以看出随着介电常数的增大天线中心频率呈下降趋势,同时天线的带宽呈变窄趋势。
5. 结论
设计了一种应用于RFID的天线,通过LTCC技术实现其结构,达到了小型化的目的。天线体积仅为7.8×8.62×0.8mm3,覆盖了RFID所需的2.45GHz频段,仿真结果表明天线具有较好的回波损耗特性,天线的增益和方向性也符合RFID技术对天线的要求。本文还对天线长度及基底介质常数对天线性能的影响作了有益的讨论。
摘要：为满足RFID天线小型化要求,提出一种基于LTCC技术的新型天线。仿真结果表明天线具有良好的全向性和宽频带特性,在2.4～2.5GHz频段反射损耗小于-10dB。本文还研究了介质常数等参数对天线性能的影响。
关键词：射频识别,LTCC,标签天线,小型化
参考文献
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新型宽带螺旋天线的小型化设计 篇5
随着无线通信的不断发展, 低剖面、小型化、高增益宽带天线的应用越来越广。螺旋天线[1]是一种比较常见的宽带天线, 其优良的性能使其无论是在军事、民用还是医学等方面都大显身手。在无线设备不断向小型化和集成化发展的今天, 如何在有限的体积内实现天线的宽频带特性已成为新的研究方向。
为了使螺旋天线单向辐射, 传统方法是在天线的背面加一反射腔, 腔内填充吸波材料[2], 这样能保持螺旋天线的宽频带特性, 但是却大大降低了天线的辐射效率;或者在天线背面λ/4位置 (λ为选取中心频率对应的波长) 设置一块金属接地板[3], 可提高天线某些频段的增益, 但会影响天线的带宽。采用近些年提出的异形腔[4,5], 可以提高天线的增益、改善天线的带宽, 但会大大增加天线的体积, 不利于天线的小型化设计。本文提出了一种新型的螺旋天线小型化设计方案, 根据异形腔的设计思路和螺旋天线的固有属性——有效辐射区, 来完成螺旋天线的小型化设计。
1 多层环带介质基底
众所周知, 螺旋天线的有效辐射区域主要集中在周长为一个波长的辐射区域范围内, 该区域直径可由d=λf/π来确定, (其中λf为各个频率所对应的空间波长) 。超出这个范围, 电流将迅速减小。随着频率升高, 有效辐射区从螺旋线外圈向着内圈移动。人工介质基底采用异形腔的设计思路, 通过改变εr来保证电长度, 而非通过改变空间距离。从而实现螺旋天线在各个频点处对应接地板的相应电长度均为λf/4 (λf表示各个离散频点) 。结合有效辐射区设计了人工介质基底的粗糙模型[6], 如图1所示, 此模型称为多层环带介质基底。在每个频点对应的有效辐射区域范围下设置一个相应的介质环带 (共七个环带) , 每个介质环带中εr各不相同, 确保螺旋天线工作在各频点时, 对应接地板到天线的距离都是λg/4 (λg为介质波长) , 相应εr可以通过介质层厚度t和各个频点的波长λf计算。
设计自补螺旋天线[7]来验证其性能, 工作频带为6～12 GHz。天线的各个参数如下所示:增长率为0.636 6 rad/s, 外径为15.4 mm, 内径为1.8 mm, 臂宽和缝隙均为1 mm。为了实现最大的小型化设计, 采用最高频率对应的λg/4作为整个天线的厚度3.4 mm (介质为Rogers TMM3TM, εr为3.27) 。设计相同频段相同规格的异形腔螺旋天线与其对比。多层环带介质基底螺旋天线和异形腔螺旋天线的性能比对如图2和图3所示。
由图2可以看出, 相对于异形腔螺旋天线, 多层环带介质基底螺旋天线, 基本在整个通频带范围内S11<-15 dB。说明多层环带介质基底螺旋天线宽频带性能很好。图3为两天线在中心频率9 GHz时, 增益的比较图。在轴向上, 多层环带介质基底螺旋天线增益可以高达5.3 dB, 波束稍微变窄, 后瓣略微恶化, 但多层环带介质基底螺旋天线的整体厚度却大大降低了, 只有3.4 mm, 而异形腔螺旋天线整体厚度为12.5 mm, 前者厚度相对于后者降低了72%, 相对于传统的λ/4接地板, 厚度降低了59%。所以在保证相对宽的带宽和较高增益的前提下实现了天线的低剖面小型化设计。
2 人工介质基底的实现
人工电介质材料是一种金属和介质的复合材料。不同形状的表面腐蚀有不同的电介质特性[8]。多层环带介质基底是人工介质基底的粗糙模型, 在现实当中很难找到。可通过规律排列不同半径的人工电介质材料来实现相同的功能[9]。人工电介质材料的单元结构, 如图4所示。中心为金属圆盘, 由三层结构相同的电介质材料组成, 介质层为Rogers TMM3TM, 厚度h也为3.4 mm。将单元结构放入波导中, 用HFSS提取其单元的S参数, 从而可以获得周期排列单元的有效介电常数εeff和有效磁导率[10]μeff。当改变单元圆盘的半径时, 可获得不同的有效介电常数εeff和有效磁导率μeff。图5为整个介质层厚度范围内, 只有单层、两层与三层单元结构时, 相应εeff与圆盘半径关系的对比。在最低频率6 GHz时, 螺旋天线要求εeff为13.5。从图中可以看出, 只有三层单元结构的人工介质基底才能满足要求, 所以本文选取三层结构单元组成人工介质基底。频率对εeff的影响不大, 此处选用中心频率9 GHz。由于随着金属圆盘半径的变化, μeff都接近1, 在这里就不讨论了。从图6得知, 随着半径的增大, εeff也在变大。为保证等效关系有效性, 最大圆盘的直径不能超过最低频率对应波长的1/10。
根据图5中εeff与圆盘半径的关系, 在螺旋天线各个频点的特定有效辐射区域内填充相应半径的小金属圆盘, 即呈现基底不同的半径处, 分布不同的εr, 从而实现螺旋天线在各个频点处对应接地板的相应电长度均为λf/4。人工介质基底模型如图6所示。
3 人工介质基底螺旋天线的性能分析
采用相同螺旋辐射面来验证人工介质基底的性能。图7为人工介质基底和多层环带介质基底螺旋天线S11的比较。人工介质基底螺旋天线除在7～8 GHz之间 (7.15～7.45 GHz和7.65～7.9 GHz) S11出现了恶化外, 在整个通频带内S11基本上小于-10 dB, 保持了92%的宽频带性能。在7～8 GHz会出现恶化的原因主要有:
(1) 7 GHz和8 GHz两个频点对应两个不同半径的圆盘单元, 但由于螺旋天线有效辐射区有空间限制, 两者辐射区域内只用了一种近似尺寸的圆盘代替;
(2) 人工介质基底中金属圆盘的排列不属于严格的周期分布, 而图5是利用严格的周期结构分布得到的εeff和金属圆盘半径的关系, 所以两者的关系相对图5有相应的偏移误差。
人工介质基底螺旋天线和多层环带介质基底螺旋天线增益的比较, 如图8所示。从图中可以看出, 中心频率9 GHz时, 两种螺旋天线在轴向上的增益基本相当, 人工介质基底螺旋天线的增益也达到了5.3 dB, 且后瓣没有明显恶化。
尽管人工介质基底螺旋天线的S11没有理想中的好, 但是螺旋天线的整体厚度却降低到3.4 mm。在保持宽带和较高增益的前提下, 完成了螺旋天线的低剖面小型化设计, 容易实现与载体共形, 具有很大的发展前景。
4 结 论
利用螺旋天线的固有属性——有效辐射区和异形腔的设计思路, 设计了人工介质基底, 通过控制人工电介质材料中圆盘的半径来控制介质基底相应位置的εeff, 在保持相对带宽和较高增益的前提下, 将整个天线的厚度降低到3.4 mm, 从而实现了螺旋天线的低剖面小型化设计。相对于异形腔而言, 该螺旋天线很大程度上减低了天线的厚度, 使得天线利于与载体共形。
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新型天线 篇6
关键词：调制技术,智能天线,第三代移动通信系统
3G移动通信系统是国际电信联盟制订的提供移动综合电信业务的通信系统。3G将把移动无线接入技术以及蜂窝移动通信的业务功能提高到一个前所未有的水平。本质上, 3G系统采用CDMA和分组交换技术, 3G系统将支持更多的用户, 实现更高的传输速率。
1 新型调制技术
调制技术在决定通信系统频谱利用率方面起着关键作用, 历来是人们关注的研究热点。除了一些常规的调制方式如FSK、BPSK、QPSK、DQPSK、OQPSK、MSK、GMSK、π/4-OPSK和QAM等已获得广泛的应用外, 人们正在致力于研究一些更能适应复杂的通信环境和多变的业务需求的调制方式, 如多载波调制和可变速率调制。
1.1 多载波调制
多载波调制的原理是把要传输的数据流分解成若干个子数据流, 每个子数据流具有较低的码元速率, 然后用这些子数据流去并行调制若干个载波。由于在多载波调制的子悟道中码元速率低、码元周期长, 因而对传输信道中的时延扩展和选择性衰落不敏感, 或者说在满足一定的条件下, 多载波调制具有抗多径扩展和选择性衰落的能力。当然, 多载波调制所用的各个子载波必须满足一定精度和稳定度的要求。
多载波调制的方法如下:1) 多载波正交振幅调制 (MC-QAM) 。把待传输的数据流分解成多路低速率的子数据流, 每一路数据流被编码成多进制QAM码元, 再插入同步/引导码元, 分别去调制各个子信道的载波, 这些子载波综合在一起就形成了MC-QAM信号;2) 正交频分复用和码分多址结合 (OFDM-CDMA) 。OFDM是利用频率正交来区分不同子信道的载波, 因而相邻子信道所占用的频段可以相互交叠, 而不会相互干扰, 因而可提高通信系统的频谱利用率。
正交频分复用可以用不同的方法和码分多址相结合。方法一:首先, 待传输的数据先进行直接序列扩展 (伪码长m位) ;然后, 每个码序列经过串/并变换, 其子码分别进入M个支路并和其中的正交于载波频率进行调制;最后, M个支路合并, 即可形成OFDM-CDMA信号;方法二:待传输的数据先进行串/并变换, 分成N条并行的低速数据流;然后, 每条子数据流分别对同一个码序列和N个不同的正交载波频率进行调制;最后, 综合成OFDM-CDMA信号。OFDM-CDMA调制技术综合利用了OFDM和DS-CDMA二者的优点, 是高速数字移动通信系统中的一种优选调制方案。
1.2 可变速率调制
因为移动信道的传播性能经常会随时间和传播地点而随机变化, 所以移动通信系统必须具有自适应改变其传输速率的能力, 以便能灵活地为多种业务提供合适的传输速率, 而且能在保证传输质量的前提下, 根据传播条件实时地调整其传输速率, 以充分发挥所用频谱的效率。实现可变速率调制的方法有以下几种:
1) 可变速率正交振幅调制 (VR-QAM) 。QAM是一种振幅和相位联合键控技术。电平数越多, 每码元携带的信息比特数就越多。可变速率 (QAM) 是根据信道质量的好坏, 自适应地增多或减少QAM的电平数, 从而在保持一定传输质量的情况下, 可以尽量提高通信系统的信息传输速率。实现VR-QAM的关键是实时判断信道条件的好坏, 以改变QAM的电平数。
2) 可变扩频增益码分多址 (VSG-CDMA) 。这种技术靠动态改变扩频增益和发射功率以实现不同业务速率的传输。在传输高速业务时降低扩频增益, 为保证传输质量可适当降低其发射功率, 以减少多址干扰。
3) 多码码分多址 (MC-CDMA) 。待传输的业务数据流经串讲变换后.分成多个 (1, 2, …, M) 支路。支路的数目随业务数据流的不同速率而变。当业务数据速率小于等于基本速率时, 串/并变换器只输出一个支路;当业务数据速率大于基本速率而小于2倍基本速率时, 串讲变换器输出两个支路;依此类推, 最多可达M个支路, 即最大业务速率可达基本速率的M倍。
2 智能天线
智能天线是—种自适应阵列天线, 由多天线阵、相干收发信机和现代数字信号处理 (DSP) 算法组成。智能天线可有效地产生多射束图。这些射束的每一个都指向特定的UT, 而这些射束闻也能适应跟随任何移动的UT。发射机把高增益无线波束对准通信中的接收机, 这样既可以增大通信距离 (若距离不变, 可节约发射功率) , 又可以减少对其他方向上接收机的干扰。
在接收方, 这种特性即空间选择接收, 能大大地增加接收灵敏度, 减少来自不同位置同信道的UT的同信道干扰, 增加容量。它也能有效地合并多径成分来抵制多径衰落。在发射方, 对空间智能选择形成射束的发射, 能降低对其他同信道UT的干扰, 增加容量, 并极大地降低输出功率。
智能天线系统的每个阵元所接收的信号先进行幅相加权, 其权值是由控制器通过不同的自适应算法来调整的。之后, 被加以的信号进行合成, 形成阵列输出, 也就是形成若干个自适应波束, 同时自动跟踪若干个用户。智能天线所形成的波束能实现空间滤波, 它使期望信号的方向具有高增益, 而使干扰方向实现近似零陷, 以达到抵制和减少干扰的目的。天线阵元的数目付与天线配置的方式对智能天线的性能有着直接的影响。在CDMA通信系统中, 能按CDMA编码形式形成相应的天线波束, 不同的用户编码形成不同用户的天线窄带波束, 从而大大提高CDMA通信系统容量。这是CDMA通信使用智能天线技术的最大优点。
目前, 已经提出将智能天线用于移动通信系统以提高系统容量, 满足日益增多的移动用户的需求。此外, 智能天线还能通过提高频谱利用率, 扩大覆盖范围, 使用多波束跟踪移动用户, 可以补偿孔径失真, 降低延迟扩展、多径衰落、共道干扰、系统复杂性、误码率和中断概率等来改善系统的性能。
参考文献
[1]蔡康, 李洪, 朱英军, 等.3G网络建设与运营[M].北京:人民邮电出版计, 2007.
新型可重构临近耦合偶极子天线阵 篇7
1983年, D.Schaubert首次提出可重构天线概念。最初的可重构天线多使用移相器[3], 但随着频率的升高, 移相器的价格会变得非常昂贵。文献[4]使用MEMS开关实现波束控制, 避免了传统移相器的缺点, 但MEMS[5]开关本身的响应速度稍慢。文献[6]通过pin管开关控制巴伦长度, 改变天线相位, 实现波束控制, 此时的波束跃度是有限的。
偶极子天线作为天线阵列中常用的天线形式, 可通过多种方式馈电, 其中临近耦合馈电是最实用的一种形式[7]。文献[7]理论上提出调整振子间距可改变天线阵列的主辐射方向, 并设计出不同辐射方向的天线阵列。
基于以上理论, 设计了一种使用邻近耦合馈电的可重构偶极子天线阵列。在10 GHz波段内, 通过pin管的通断实现主辐射角度在0°和40°不同辐射方向的切换, 增益稳定、匹配良好、结构简单、无需移相器、pin管控制切换, 响应迅速。为了实现一定的扫描范围, 需在天线阵表面集成更多的天线阵列, 通过外围控制电路控制辐射角度的改变, 为全固态可重构天线奠定了基础[8]。
1 可重构天线阵设计原理
为了减小辐射片重构对馈电结构的影响, 馈电端口使用单端口临近耦合馈电。调整振子间距可实现扫描角度的改变, 同时间距的改变会使端口阻抗匹配变差, 临近耦合馈电使阻抗匹配的可调参数增多, 可比其他馈电方式更容易与辐射贴片达到阻抗匹配。使用ADS中的Linecal计算得出, 天线馈线的宽度约1.5 mm。
为达到一定的天线增益, 天线采用7个辐射单元的天线阵, 最终0°的天线阵增益可达12 d B, 但方向图副瓣并未得到抑制, 考虑到天线阵采用加权算法抑制副瓣[9], 使用Matlab编程计算得到每个天线振子中心偏移馈线中心的距离为0.8, 2.0, 2.5, 3.0, 2.5, 2.0, 0.8, 单位mm。对天线振子偏移距离进行优化, 最后0°的天线方向图副瓣达到-13.6 d B。
为实现波束控制, 可通过改变天线阵相邻元的电流相位来完成。在本设计中, 通过调节相邻天线振子的距离和振子偏移中心距离实现波束改变。通过公式
计算可得到, 为了达到40°的扫描角度, 此时振子间距约为10 mm;为抑制辐射方向40°的方向图副瓣, 经Matlab计算, 可得出天线振子中心偏移馈线中心的距离依次为2.2, 2.4, 2.6, 2.8, 3.0, 3.2, 3.4, 单位mm。
将两个主辐射方向的天线阵集成于同一基板, 两个方向的天线振子会有一部分重合, 为使pin管更方便控制角度切换, 对振子间距和第一片振子到端口的距离微调, 同时, 在不影响天线性能的前提下, 对0°天线阵第4、5片振子分别向右、向左移动0.2 mm, 减少振子重合, 这样可更加便捷地实现辐射角度的切换, 且避免振子间因为距离太近产生耦合。
为了实现波束扫描, 需在天线阵上集成更多的阵列, 用pin管阵列代替微带辐射振子, 通过外围控制电路控制pin管的通断, 从而改变辐射方向, 实现天线重构。本设计为全固态可重构天线奠定了理论基础, 并验证了该方案的可实施性。
2 可重构天线阵仿真测试
天线介质基板的介电常数ε=3.55, 厚度0.5 mm, 天线俯视图如图1所示。使用CST软件对天线模型进行仿真, 经过仿真优化, 天线的具体尺寸参数如表1所示。
mm
根据以上数据对天线进行加工测试, 得到的天线结构如图4所示。
使用矢量网络分析仪对天线的S11参数进行测试, 得到的测试结果如图5和图6所示。
图3和图4中, 虚线是实测数据, 实线是仿真数据, 由以上实测数据可看出, 天线阵出现较多的频点, 但在中心频点并未改变, 谐振频点的增多初步考虑是因为振子上焊接的金属丝和电感电阻的存在, 影响了振子匹配和磁场分布, 此时0°和40°的天线阵, 工作中心频点约为9.8 GHz, 带宽可达到约200 MHz。
对于天线方向图的测量在微波暗室中进行, 归一化结果如下。由图5和图6可看出, 天线基本可实现在0°和40°的辐射, 且仿真与测试趋势基本吻合, 该可重构天线天线在0°的-10 d B阻抗带宽约150 MHz, 最大增益12.1 d B, 副瓣低于-13.6 d B, 40°的-10 d B阻抗带宽约350 MHz, 最大增益为8.7 d B, 副瓣低于-10.9 d B。验证了可重构天线的可行性。
3 结束语
设计的可重构邻近耦合偶极子天线阵, 使用pin管通断控制不同辐射方向的转换, 无需使用移相器。采用CST软件对天线阵进行仿真, 通过改变天线振子间距和振子中心偏移馈线中心的距离改变辐射角度。对天线进行加工测试, 测试数据与仿真吻合度较高, 说明该天线可是实现方向图角度扫描, 端口馈电匹配良好。天线尺寸小、结构简单, 较大程度上提高了波束的可重构性。使用这种方式设计的波束可重构天线阵可用于交通监管以及雷达探测等军事领域。
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