超寬頻微帶天線設(shè)計

1、Ultra-Wideband Microstripe Antenna Design陳建宏Chien-Hung Chen摘要近十年來由於微帶天線具有體積小、重量輕、製作容易、價格低廉、可信度高,同時可附著於任何物體之表面上的特性,在無線通訊的應(yīng)用上扮演著重要的角色。本文將利用全平面正方形單極微帶天線當作設(shè)計天線的原型,藉由調(diào)整金屬貼片的上緣、下緣部份與接地面的上緣部份來研製適用於超寬頻通訊系統(tǒng)的微帶天線。由模擬與實驗結(jié)果比較得知,可以發(fā)現(xiàn)其響應(yīng)非常吻合,是一個適用於超寬頻通訊產(chǎn)品的天線。關(guān)鍵詞:微帶天線、單極、超寬頻、簡介美國聯(lián)邦通信委員會(Federal Communication Commi

2、ssion,FCC在西元2002年2月14日允許超寬頻技術(shù)使用於消費性電子產(chǎn)品上,並公佈了初步規(guī)格,FCC開放3.1GHz10.6GHz提供超寬頻通信及測試使用。為了研究開發(fā)適用於此頻段的天線技術(shù)。將利用微帶天線的優(yōu)點:體積小、重量輕、低成本、容易製作等特性,來研製適用於超寬頻通訊系統(tǒng)的微帶天線。傳統(tǒng)的寬頻天線2中有行進波線天線(Traveling-Wave Wire Antenna、螺旋形天線(Helical Antenna、偶極圓錐形天線(Biconical Antenna、單極圓錐形天線(Monoconical Antenna、盤錐形天線(Discone Antenna、袖子形天線(Sl

3、eeve Antenna、渦狀天線(Spiral Antenna和對數(shù)週期天線(Log-Periodic Antenna,不過其中適用於超寬頻系統(tǒng)的只有偶極圓錐形天線、單極圓錐形天線和盤錐形天線3。因為其不僅有大的輸入阻抗頻寬(Large Input Impedance Bandwidth、其輻射場形(Radiation Pattern也能控制在一定的頻寬中。利用虛像法(Method of Image4及接地面(Ground Plane來使偶極天線變成單極天線,從早期的線型單極天線-窄頻(Narrowband,演化成單極圓錐形天線-中頻寬(Intermediate,到最後的火山煙狀天線(V o

4、lcano Smoke Antenna-寬頻(Broadband5?；鹕綗煚钐炀€,雖然擁有很大的頻寬,不過在實際製作上相當不容易。而圓錐形天線在輸入阻抗頻寬和輻射場型上有好的表現(xiàn),其結(jié)構(gòu)形狀上較為簡單、易於製作、分析容易,所以近年來有人就將兩者的優(yōu)點加以結(jié)合製造出近似水滴形狀的天線6,不僅在頻寬上符合FCC規(guī)定的3.1GHz10.6GHz,且其輻射場形是全指向性(Omnidirection,在高頻也有維持不錯的E-plane場形。利用圓柱形近似法7來找出單極微帶天線的第一個VSWR到達2的頻率點,用此方法可以用來設(shè)計天線的原型,然後再從圓錐形天線的形狀發(fā)展出其他的形狀的天線,再從中挑選有潛力成

5、為超寬頻天線的天線單元之幾何形狀來研製適用於超寬頻通訊系統(tǒng)的微帶天線,其中梯型單極天線8,9算是簡單幾何圖形裡容易達到超寬頻的形狀之一。在本文的內(nèi)容方面,單元二是有關(guān)超寬頻微帶天線設(shè)計的描述,其中包括了單極微帶天線的工作原理與結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計分析。單元三是描述本文所設(shè)計天線的實驗與模擬結(jié)果。最後在單元四做一總結(jié)。、天線設(shè)計天線是一種可以將電路中的電氣訊號與空間中的電磁能量相互轉(zhuǎn)換的耦合元件或?qū)щ娤到y(tǒng)。傳送信號時,天線將無線電頻率電能轉(zhuǎn)變成電磁能量輻射到週遭的環(huán)境。接收信號時,天線接收電磁能量輻射轉(zhuǎn)變成無線電線電頻率之電能提供給接收器處理。一般最常用天線向四面八方輻射能量的輻射場型(Radiatio

6、n Pattern來描述天線性能,這是以圖形將天線輻射特性描述成空間函數(shù)的一種方式。另外,當鐀入傳輸線上射頻訊號的頻率改變時,天線之阻抗值亦跟著改變。因此,適當?shù)挠嵦栫q入方式與阻抗匹配的考量,可以使得天線在共振頻率時所有入射能量都能夠輻射出去。天線製作的流程如圖(一所示,首先選擇天線所要設(shè)計的頻段,表(一為目前常見的無線通訊標準所適用的頻段,而本論文著重於適用超寬頻通訊的微帶天線設(shè)計。利用圓柱形近似法來找出單極微帶天線(Monopole Microstrip Antenna的第一個VSWR到達2的共振頻率點,用來當作天線設(shè)計的原型。然後利用電磁模擬軟體根據(jù)饋入間隙(Feed Gap與接地面的大

7、小,以及金屬貼片的結(jié)構(gòu)進行最佳化的調(diào)整並模擬分析,最後再以雙面感光電路板(FR4來製作出實際天線尺寸並量測此天線之相關(guān)參數(shù)。一全平面正方形單極天線初始結(jié)構(gòu)的計算如圖(二所示,利用圓柱形近似法7來找出單極微帶天線(Monopole Microstrip Antenna的第一個VSWR 到達2的共振頻率點,一般以L F 表示為:g r L F L +=72(1當為正方形單極天線時,W L =(2可利用圓柱形表面積來等效矩形面積,則有L W L r =2(3可得2W r =(4將式(2、(4一同代入式(1,且間隙g 令為0.7,若設(shè)計的低點L F (VSWR=2時的第一個頻率為Z GH 3,則式(1

8、式變成7.02723+=W W F L (5可解出1008.20=W ,因此設(shè)計出正方型邊長約為20mm ,間隙為0.7mm 的單極微帶天線。用此方法可以得到不錯的近似,可以用來當作天線設(shè)計的原型。(二超寬頻天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計分析在上述正方形單極初始結(jié)構(gòu)中,要注意饋入間隙的大小,它會改變輻射金屬貼片(Radiation Metallic Patch和接地面(Ground Plane間的特性,也就是說從饋入線看到的有效負載為天線組抗和饋入間隙電容的並聯(lián),這會使其阻抗沒有匹配。利用IE3D 模擬軟體,可得到從3.1GHz 開始小於-10dB 的頻寬約為5GHz 左右。這也就是說,就阻抗匹配的觀點而

9、言,要匹配頻段f >5GHz 的電感效應(yīng),僅並聯(lián)一個固定電容(即固定饋入間隙是無法達成寬頻匹配的目標,因此在概念上得到饋入間隙的大小必須要隨頻率改變才行。這可藉由調(diào)整金屬貼片的下緣與接地面的上緣來完成寬頻匹配的目標。同時,為了使天線具有高階模態(tài)的激發(fā)而希望增加電流密度,因此亦需要調(diào)整金屬貼片的上緣結(jié)構(gòu)。為了使得金屬貼片和接地面有更好的耦合來達到寬頻的效應(yīng),將金屬貼片的上緣、下緣部份與接地面的上緣部份設(shè)為最佳化的變數(shù),並且一左一右設(shè)為同一變數(shù)來使天線結(jié)構(gòu)保持其對稱性。最佳化的目標為:在3.1GHz10.6GHz 頻段內(nèi)使dB S 1011-,最佳化時第一次採用隨機法(Random Opti

10、mizer以擴大搜尋範圍,然後再以區(qū)域收斂的方法做第二次最佳化,所得到的最佳化結(jié)果會相當良好。、實驗與模擬結(jié)果圖(三為此超寬頻微帶天線之尺寸結(jié)構(gòu)圖,其中金屬貼片的下緣部份與接地面的上緣部份為了寬頻匹配的最佳化而有斜角與鋸齒形狀的結(jié)果,而為了讓天線有高階模態(tài)的激發(fā),金屬貼片的上緣部份呈現(xiàn)三角錐狀的結(jié)構(gòu)。圖(四則為利用基板材質(zhì)4.4厚度h為0.8mm的FR4r板來製作以50ohm之微帶線饋入激發(fā)的超寬頻微帶天線,其實際尺寸大小長乘寬約為4cm×3cm左右。圖(五為軟體模擬與實際量測之Return loss頻率響應(yīng)圖。模擬結(jié)果的頻寬達3.1GHz10.5GHz,涵蓋了整個UWB的頻帶,而實

11、際量測的結(jié)果又比模擬結(jié)果好更多,其頻率範圍為3.2GHz11GHz以上,由實驗與模擬結(jié)果可以得知其響應(yīng)非常吻合。圖(六到圖(九為該天線分別在共振頻率為3、4、5、6、7、8、9、10GH時,E-plane與H-plane之模擬輻射場型,其中E-plane為y-z平面、H-plane為x-z平面。圖(六、(七顯示出在範圍為38GHz時的E-plane輻射場型以30度、150度的地方為中心,左右約有30度到60度不等的夾角內(nèi)的輻射強度大於0dB。圖(八、(九顯示出在38GHz 時的H-plane輻射場型為全向性。、結(jié)論在各種類天線中,當今最受歡迎的天線為平面天線。平面天線結(jié)構(gòu)因為具備體積小、重量輕

12、、製作容易、價格低廉、可信度高,同時可附著於任何物體之表面上,使得微帶天線與印刷槽孔天線被大量應(yīng)用於無線通訊系統(tǒng)中。本文提出一種超寬頻微帶天線的設(shè)計方法,藉由經(jīng)驗公式計算得到的初始方形單極天線結(jié)構(gòu),探討天線結(jié)構(gòu)參數(shù)對阻抗匹配的敏感度,調(diào)整金屬貼片的上、下緣與接地面的上緣結(jié)構(gòu)來完成寬頻匹配與高階模態(tài)激發(fā)的目的。由實驗與模擬結(jié)果可以得知其響應(yīng)非常吻合,實際量測的頻寬範圍為3.2GHz11GHz以上,涵蓋了整個UWB的頻帶範圍,可完全符合超寬頻通訊系統(tǒng)的使用。、參考文獻:1D a v i d G.L e e p e r,“Wi r e l e s s D a t a B l a s t e r”,S

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16、”,Microwave and Optical Technology Letters, 2000,27,(2,120-122.圖(一提出規(guī)格需求選擇天線幾何形狀與饋入方式尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計實際天線的製作與量測利用電磁模擬軟體來模擬分析輸入組抗、操作頻率、天線增益、輻射場型等特性是否符合需求是否量測與模擬是否吻合是否完成r L(aWLg(b圖(二圖(三 1.4mm 31.54mm 1.93mm20.25mm 19.5mm 8.98mm 9.23mm4.86mm9.72mm 圖(四 圖(五 (a3GHz(b4GHz (C5GHz(d6GHz圖(六(e 7GHz (f 8GHz (g 9GHz (h 10

17、GHz 圖(七 16 (a 3GHz (b 4GHz (C 5GHz (d 6GHz 圖(八 17 (e 7GHz (f 8GHz (g 9GHz (h 10GHz 圖(九 18 表(一 常見的無線通訊標準所適用的頻段 英文全名 Global Positioning System 英文縮寫 GPS 中文翻譯 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng) 頻段 L1 band：1575.42 MHz L2 band：1227.60 MHz Global System for Mobil Communication Digital Communication System Personal Communication Services Integration of Mobile and Fixed Network Blueto