王雙鳳,黃 英,肖貞杰

(合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院,安徽 合肥 230601)

0 引 言

隨著無線通信技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的迅速發(fā)展,無線溫度傳感器的應(yīng)用逐漸得到了普及,而無線溫度傳感器中的天線是無線通信系統(tǒng)中最不可或缺的部分,在一定程度上,天線性能的好壞將直接影響著收發(fā)信號的準(zhǔn)確率和速率。當(dāng)前在無線溫度傳感器方面[1-2],單極子天線的應(yīng)用較少,然而隨著無線溫度傳感器的逐步小型化,單極子天線的體積小、頻帶寬、制作簡單等特點(diǎn)滿足了應(yīng)用設(shè)備對天線的尺寸、多頻段、寬頻帶的要求[3-6]。因此,多頻段單極子天線是本文的研究主題。

目前國內(nèi)外對多頻段單極子天線的研究仍在持續(xù)。文獻(xiàn)[7]設(shè)計了一種覆蓋0.9、1.8、2.3、2.6 GMHz的多頻段單極子天線,但是未覆蓋到無線溫度傳感器在2G模式下所需要的PCS1900頻段;文獻(xiàn)[8]中天線覆蓋的頻段有GSM(1.77～1.84 GHz)、Bluetooth(2.38～2.49 GHz)和UWB(3.1～10.6 GHz),也未包含PCS1900頻段;文獻(xiàn)[9]設(shè)計的天線覆蓋了2G/3G/4G頻段,但天線占用區(qū)域達(dá)136×70 mm2,面積過大;文獻(xiàn)[10]、文獻(xiàn)[11]中的多頻帶單極子天線分別覆蓋了1.8、3.5、5.2 GHz和0.8、1.8、3.5 GHz等頻段,但均未覆蓋PCS1900頻段,不滿足無線溫度傳感器在2G模式下的頻段需求。

針對以上多頻段單極子天線的不足,本文設(shè)計了一種用于無線溫度傳感器的多頻段單極子天線,該天線體積較小,采用多分支技術(shù)結(jié)構(gòu),覆蓋的多頻段有1 600～2 100 MHz(包含DCS1800:1 710～1 880 MHz、PCS1900:1 850～1 990 MHz)和4.6～5.2 GHz。對該天線實(shí)物進(jìn)行了測試,測試結(jié)果與仿真效果較為一致,符合無線溫度傳感器天線的要求,具有一定的實(shí)際意義。

1 天線的模型構(gòu)成

因為天線接收信號的性能強(qiáng)弱是由天線的匹配程度決定的,所以為了設(shè)計好的天線,工程師們會通過各種方法為天線進(jìn)行系統(tǒng)匹配。常用的方法是通過HFSS仿真軟件[12]對天線的尺寸結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,如天線的走線長度和寬度、介質(zhì)板的厚度等都會影響天線的響應(yīng)頻率和響應(yīng)帶寬,進(jìn)而影響天線的匹配狀態(tài)。

本文天線結(jié)構(gòu)如圖1所示,由直接饋電枝節(jié)和折彎枝節(jié)組成,該天線的介質(zhì)板采用FR-4材料,相對介電常數(shù)為4.4,正切介質(zhì)損耗角為0.02,介質(zhì)板的尺寸為50 mm×80 mm,天線占用面積為30×60 mm2。

圖1 天線模型

因為該天線以印制線路板(printed circuit board,PCB)為基地設(shè)計,所以天線理論長度L應(yīng)置于1/4的自由空間與1/4的FR-4材料介質(zhì)波長之間[13],即

(1)

其中:c為光速,值為3.0×108m/s;f為天線的工作頻段,單位為Hz;εe為PCB的有效介電常數(shù)。由于天線設(shè)計基地材料為FR-4,(1)式中εe=4.4。

利用HFSS仿真軟件對該天線進(jìn)行仿真,得到一組較好的天線尺寸參數(shù),見表1所列。

表1 天線尺寸 mm

2 天線的仿真結(jié)果與分析

為了研究天線結(jié)構(gòu)參數(shù)對阻抗匹配性能的影響,通過改變不同的結(jié)構(gòu)參數(shù),用HFSS仿真軟件仿真得出天線的回波損耗S11主要與L1、L5、L8有關(guān)。分別改變天線結(jié)構(gòu)參數(shù)L1、L5、L8的大小,觀察它們對天線S11的影響。

通過改變枝節(jié)L1的長度大小來觀察頻段和諧振點(diǎn)S11的變化情況。L1依次取10.35、11.35、12.35 mm,得到的S11與頻段的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 L1的變化對天線S11的影響

從圖2可以看出:隨著L1長度的增大,DCS1800、PCS1900以及高頻(4.6～5.2 GHz)頻段均有不同程度的左移;低頻(DCS1800、PCS1900)諧振點(diǎn)逐漸變深,即S11值逐漸減小,阻抗匹配性能增強(qiáng),高頻(4.6～5.2 GHz)的諧振點(diǎn)也有顯著變化。

在L1和其他天線尺寸不變的情況下,改變L5的尺寸,L5依次取0.27、1.27、2.27 mm,觀察天線的頻段和諧振點(diǎn)S11的變化,得到的S11曲線如圖3所示。

圖3 L5的變化對天線S11的影響

從圖3可以看出:隨著L5長度的增大,DCS1800、PCS1900和中頻的頻段均沒有發(fā)生顯著變化,且其諧振點(diǎn)的S11值也沒有顯著改變;而高頻(4.6～5.2 GHz)的頻段逐漸左移,且諧振點(diǎn)的S11值發(fā)生了明顯改變,在S11≤-6 dB時的相對帶寬在增大。

改變枝節(jié)L8的長度，觀察天線的頻段和諧振點(diǎn)S11的變化情況。L8依次取6.63、7.63、8.63 mm,得到的天線S11與頻段的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 L8的變化對天線S11的影響

從圖4可以看出:隨著L8長度的增大,DCS1800、PCS1900、中頻和高頻的頻段均有不同程度的偏移,且諧振點(diǎn)逐漸變深;相比于L1、L5對頻段和諧振點(diǎn)S11的影響,L8的變化對高頻的頻段和諧振點(diǎn)的影響并不顯著;低頻頻段諧振點(diǎn)的S11接近-21 dB,并且在S11≤-6 dB處的帶寬達(dá)到500 MHz,覆蓋了2G的高頻頻段(DCS1800和PCS1900)。

綜上所述,L1枝節(jié)影響著DCS1800、PCS1900以及中頻和高頻的諧振頻率,L5枝節(jié)控制著高頻的諧振頻率,L8枝節(jié)主要控制著低頻和中頻的諧振頻率。

在對該天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行仿真分析后,各枝節(jié)控制的頻段S11均小于-6 dB,符合無線溫度傳感器天線的應(yīng)用要求,在1 600～2 100 MHz頻段內(nèi),諧振點(diǎn)的S11達(dá)到了-21 dB,阻抗匹配性能較好。

天線在諧振頻率分別為1 800、1 900 MHz的增益方向圖如圖5所示。

圖5 天線的增益方向圖

基于無線溫度傳感器天線在2G模式下的頻段特點(diǎn),將本文的多頻段單極子天線與文獻(xiàn)[7-11]天線進(jìn)行了性能對比,結(jié)果見表2所列。

從表2可以看出:與文獻(xiàn)[7-8]天線和文獻(xiàn)[10-11]天線相比,本文天線覆蓋了所需要的DCS1800和PCS1900頻段,在頻段性能上滿足要求;而與文獻(xiàn)[9]天線相比,雖然2種天線都覆蓋到了所需頻段,但本文天線面積更小,因此總體性能更優(yōu)。

表2 單極子天線性能比較

3 天線加工測試與分析

根據(jù)天線仿真的結(jié)果,采用合適的基板材質(zhì)將設(shè)計好的天線結(jié)構(gòu)印制在基板上,將終端天線的模型制作成實(shí)物,如圖6所示。

圖6 天線實(shí)物

采用Agilent網(wǎng)絡(luò)分析儀E5071C對實(shí)物進(jìn)行了無源測試,并將測試結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行了對比,結(jié)果如圖7所示。

圖7 天線實(shí)測與仿真的S11結(jié)果對比

從實(shí)測的結(jié)果可以看出,天線的S11≤-6 dB的頻段為1 600～2 100 MHz和4.6～5.2 GHz,其中1 600～2 100 MHz頻段包含了DCS1800和PCS1900頻段,其相對帶寬分別為27%、26%,該諧振點(diǎn)處的S11達(dá)到了-18 dB。

實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果較為一致,因此該天線在低頻段(DCS1800和PCS1900)的阻抗匹配性能較好,覆蓋的頻段能夠滿足無線溫度傳感器系統(tǒng)對天線的要求。

將天線應(yīng)用于無線溫度傳感器PCB上并打板出來,然后在載有天線的PCB板上焊接上傳感器和無線射頻模塊,將天線阻抗匹配較好的頻段進(jìn)行有源性能測試,即當(dāng)S11≤-10 dB時,覆蓋的頻段范圍為1 700～1 990 MHz,覆蓋的頻段包含了DCS1800和PCS1900。

天線性能測試過程如圖8所示,其測試結(jié)果見表3所列。

圖8 天線實(shí)物在微波暗室的測試

DCS1800和PCS1900頻段的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射功率(total radiated power,TRP)值均為25 dBm，DC1800和PCS1900頻段的標(biāo)準(zhǔn)接收靈敏度(total isotropic sensitivity,TIS)值均為-102 dBm。由表3可知，本文天線DCS1800和PCS1900頻段的TRP值和TIS值均滿足標(biāo)準(zhǔn),表明了天線的發(fā)射和接收性能良好。

表3 有源測試結(jié)果

4 結(jié) 論

應(yīng)用于2G的無線溫度傳感器天線需要覆蓋其高頻頻段DCS1800和PCS1900。本文基于單極子天線的原理,借鑒多頻段單極子天線的設(shè)計思路設(shè)計一種多頻段單極子天線,并通過HFSS仿真軟件對該天線尺寸結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理設(shè)計與優(yōu)化,采用直接饋電、多枝節(jié)等方式諧振出DCS1800(1 710～1 880 MHz)、PCS1900(1 850～1 990 MHz)等頻段,在頻段內(nèi)回波損耗系數(shù)S11≤-6 dB,具備了良好的阻抗匹配性能,且諧振點(diǎn)附近的增益方向圖呈現(xiàn)出較好的方向性。該天線實(shí)物在DCS1800和PCS1900頻段內(nèi)的無源和有源測試結(jié)果良好,滿足了無線溫度傳感器天線的要求,具有一定的實(shí)際應(yīng)用價值。