一种新型宽频带多频微带天线设计
doi :10.3969/j.issn.1001-893x.2015.04.007
引用格式:潘勇,熊江,李潘.一种新型宽频带多频微带天线设计[J].电讯技术,2015,55(4):390-394.[PAN Yong,XIONG Jiang,LI Pan.Design
of a Novel Broadband Multi-frequency Microstrip Antenna[J].Telecommunication Engineering,2015,55(4):390-394.]
一种新型宽频带多频微带天线设计
*
潘 勇**
,熊 江,李 潘(重庆三峡学院计算机科学与工程学院,重庆404100)
摘 要:目前,同时适用于蓝牙二射频识别二全球微波无线互联网和无线局域网这几大主流物联网通信技术标准的多频天线设计较少,为此,提出了一种新的小型化宽频带多频微带天线三该微带天线主要由一个矩形环二一个开口六边形环二三条矩形带以及缺陷地组成,可同时工作在蓝牙二射频识别二全球微波无线互联网和无线局域网的通信频段上三天线谐振频率分别为2.47GHz 二3.48GHz 和5.55GHz ,相应带宽为0.11GHz (2.38~2.49GHz )二0.86GHz (3.19~4.05GHz )和1.11GHz (4.95~6.06GHz ),增益最高达到5.75dBi 三实测结果显示,该天线在工作频段具有很好的辐射特性和
增益,适用于当前应用的无线通信系统三
关键词:无线通信系统;微带天线;宽频带;多频段;缺陷地
中图分类号:TN823 文献标志码:A 文章编号:1001-893X (2015)04-0390-05
Design of a Novel Broadband Multi -frequency Microstrip Antenna
PAN Yong,XIONG Jiang,LI Pan
(School of Computer Science and Engineering,Chongqing Three Gorges University,Chongqing 404100,China)
Abstract :For the fact that there are few designs of multi-frequency antenna suitable for Bluetooth,radio
frequency identification(RFID),WiMAX and wireless local area network(WLAN)application simultane?ously,a new miniaturized broadband multi-frequency monopole microstrip antenna is proposed.The pro?posed antenna mainly consists of a rectangular ring,a hexagonal ring with a gap,three rectangular strips and a defected ground plane (DGP).The proposed antenna can excite three separate impedance band?widths to cover all the 2.4/5.2/5.8GHz Bluetooth /WLAN /RFID operating bands and the 2.5/3.5/5.5GHz WiMAX bands.It provides three impedance bandwidths of 0.11GHz,0.86GHz and 1.11GHz for the working bands of 2.38~2.49GHz centered at 2.47GHz,3.19~4.05GHz centered at 3.48GHz and 4.95~6.06GHz centered at 5.55GHz,respectively.Furthermore,the 5.75dBi of relative high gain is achieved.A prototype is experimentally tested,and the measured results show its good radiation patterns and enough gains across the operation bands.It can be applied in present wireless communication system.Key words :wireless communication system;microstrip antenna;broadband;multi -frequency;defected ground plane
1 引 言
随着射频识别(Radio Frequency Identification,
RFID)二无线传感网及移动互联网的迅速发展,无线
通信系统成为当今研发的热点三在射频识别标签二
四
093四第55卷第4期2015年4月电讯技术
Telecommunication Engineering
Vol.55,No.4April,2015
***收稿日期:2014-11-11;修回日期:2015-02-10 Received date :2014-11-11;Revised date :2015-02-10
基金项目:重庆市教委科研项目(KJ1401029);重庆三峡学院科研基金项目(14RC10)
Foundation Item :The Scientific Research Project of Education Committee of Chongqing City (KJ1401029);The Scientific Research Fund Pro?
ject of Chongqing Three Gorges University (14RC10)
通讯作者:zhurongji_211@https://www.360docs.net/doc/3c11393290.html, Corresponding author :zhurongji_211@https://www.360docs.net/doc/3c11393290.html,
无线传感节点以及移动智能终端中,天线都是必不可少的关键部件之一三作为实现电路中的电磁信号与自由空间中传播的电磁波相互转换功能的天线,其性能的好坏直接关系到整个系统通信质量的高低三早期的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往往涵盖多个通信技术标准,要求能同时工作在多个频段上三
根据无线通信系统发展要求,小型化二宽频带二多频段和智能化已成为天线设计新方向三近年来出现了一些适用于不同通信技术标准的单频和双频天线,但同时适用于蓝牙(Bluetooth)二射频识别二全球微波无线互联网(WiMAX)和无线局域网(Wireless Local Area Network,WLAN)这几大主流物联网通信技术标准的多频天线设计却相对较少[1-7]三文献[2]提出了一款针对RFID 应用的天线,文献[3-4]提出了不同形状的二可应用于WLAN 及WiMAX 的天线,以上天线均具有较好的辐射特性和带宽,但天线尺寸都相对较大,且只具有两个频段三文献[5-7]所提出的天线相对尺寸较小,可应用于WLAN 及WiMAX,但可用频段依然只有两个三本文通过引入缺陷地结构,设计了一款可同时用于蓝牙/RFID /WiMAX /WLAN 的三频微带天线三该天线提供了0.11GHz二0.86GHz 和1.11GHz 3个阻抗带宽,工作频段分别为2.38~2.49GHz二3.19~4.05GHz 和4.95~6.06GHz,谐振频率分别为2.47GHz二3.48GHz 和5.55GHz三天线的尺寸为34.0×23.0×1.6mm 3三天线由HFSS 软件进行仿真并进行了实物制作,实测结果与仿真结果能很好地匹配三
2摇天线设计与结构
天线的设计过程以及每个天线所对应的回波损耗特性如图1所示三辐射单元长度的计算方法是:先由辐射贴片带线长度与相应馈电带线长度之和,即天线有效电长度,得到辐射单元的初始长度,再由电磁仿真软件对参数进一步优化三而天线的有效电长度约等于天线谐振时对应工作波长的二分之一,其计算可以参考以下经验公式[8]:
L eff =
c
2f res εeff
,
(1)εeff =1+εr 2+εr -121+10h ?è
???÷W 1/2
三
(2)
式中,L eff 是天线有效辐射电长度,单位mm;f res 是谐振频率,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三
(a)设计过程
(b)回波损耗特性
图1 天线的设计过程及对应的回波损耗特性Fig.1Design evolutions of the proposed antenna
and simulated returned loss results
天线最初的设计源于天线I,如图1(a)所示,仅包括一个矩形环辐射贴片二一个由馈电线伸出的矩形谐振条和一个矩形地板三辐射单元通过超小A 型接头馈电后,电流从馈电点流经带线直至辐射贴片上部矩形环的顶端,该电流流经的路径长为
50.5mm(约0.4λ)三如图1(b)所示,此时天线工作在一个频段2.58~2.82GHz,谐振频率为2.69GHz,基本靠近蓝牙工作频段,但回波损耗参数不好三通过在矩形辐射环里面沿着微带方向增加两条矩形带贴片和一个开口六边形贴片得到天线II,而天线的面积大小没有改变三为了获得更好的匹配特性,通过计算及优化,矩形环和开口六边形环连接的矩形带线宽度为0.95mm,此时电流从馈电点流经带线直至六边形顶端,该电流流经的路径长为26.3mm(约0.31λ)三天线II 产生了3个频段,其阻抗带宽分别为2.4~2.47GHz二3.11~3.63GHz二5.1~5.62GHz,中心频率分别为2.44GHz二3.29GHz二5.39GHz三前一个已可覆盖蓝牙工作频段,但带宽比较窄;中间一个可部分覆盖WiMAX 频段,但谐振频率参数不好;后一个可覆盖
WLAN 的5.1GHz 工作频段,但回波损耗参数不好三四
193四第55卷潘勇,熊江,李潘:一种新型宽频带多频微带天线设计第4期