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摘 要:近年来,鉴于人们对通信技术的大容量、智能化、自动化、高频化要求不断增多,微带天线宽频技术的研究越来越有必要,也引起了国内外众多专家与学者的重视。本文从宽频带微带天线技术特征入手,就其具体研究现状做了深入分析,以供同行参考。
关键词:移动通信;信息技术;宽带天线;宽频带微带天线
天线是当今通信领域关心最多的内容之一,它是任何无线设备都必不可少的组成部分,它的主要功能便是接受和发射无线电波,从而实现用户与基站之间的信息传输。近年来,伴随科学技术的发展和信息时代的到来,天线行业也呈现出一片大好的发展态势,为各种新型天线技术的出现与研究奠定了新的基础。宽频带微电天线技术作为当前研究重点内容之一,它不仅满足了人们小型化、现代化和高效化需要,且实现了其普及发展目的,有效顺应了时代发展潮流让其走向世界天线研究前沿。因此,这里我们也有必要对适用于移动通信的宽频带微带天线技术进行研究。
1 宽频带微电天线技术概述
近些年来,伴随着信息技术的飞速发展,无线移动通信技术的普及对天线系统提出了更高、更新、更特殊的要求。例如全球移动通信系统、地理信息系统等,这些系统都对天线的带宽提出了新要求,这些系统的带宽频率大多都为2000MHz左右。面对这种情况,目前移动通信设备上普遍采用的单层矩形微带贴片天线则无法满足这一发展要求,严重制约着移动通信技术的进一步发展。面对这种社会现状,深刻开展研究宽频带微带天线技术则显得十分必要,是适应当今信息时代发展需要的主要手段。
微带天线技术最早主要应用于火箭和导弹系统之中,也就是被广泛应用在军事与航天领域,它在共性天线技术上获得良好的发展。现如今,这种天线技术的频带已经超过了1000GHz,其被广泛的应用于各种无线设备之中,特别是在一些航天飞行器以及地面便携式设备之中。面对这种时代发展需要,宽带天线其他时候要求更高,其物理参数、信息标准都需要几何形状与尺寸,目前我们常见的微带天线包含了微带贴片天线、微带行波天线以及微带缝隙天线等。
2 适用于移动通信的宽频带微带天线设计
近年来,伴随着信息技术与电子技术的飞速发展,无线移动通信技术也呈现出高速发展的态势,这也为我们研究各种天线新技术提供了基础。尤其是民用移动通信事业日趋成熟的关键时期,人们迫切需要一种与移动通信设备相匹配的宽频带微带天线,以满足当今人们日益高涨的信息需求量和信息查看速度需要。这里,我们就在原来宽频带微带天线技术的基础上,通过设计两种移动通信系统中的宽频带微带天线,利用测量结果来观察这一技术的优越性。
2.1 天线模型的选择
图1 宽频带微电天线结构图
由图1我们可以得出,宽频带微电天线结构共有4层不同的介质,其中厚度也不尽相同。在途中,整个介质的厚度都采用了d进行标识,而相对的电子电常数则采用了ε标识,并且每层都标了标号,然后对天线的长度用L进行了标识,但是且由下至上按照层数标号对长度也进行了标志。但是由于第一层的空气介质比较厚,馈电探针也非常长,由此带来非常强烈的电感,使得天线的阻抗天性特别的强烈,为了能够更好的克服这种问题,在设计的时候直接在在探针顶部引入了一个圆形金属片,这个圆形金属片具有的容性与探针本身具有的感性相抵消,能够有效地拓展微带天线的带宽。金属片位于第一层介质和第二层介质的交界面处,其直径为D。与普通微带天线不同的是同轴线内芯不是与贴片连在一起,而是与金属圆片连在一起,这样探针的感性能与金属片的容性相互抵消,从而达到展宽天线带宽的目的。由于直接使用矩量法计算需要的时间长,不利于优化设计。因此希望首先用简单的模型估算天线的电特性,设计一个初步模型,然后再使用矩量法精细地调整各个参数以达到指标要求。
在使用上述公式得到天线的初始结构参数后,再使用矩量法精细地调整天线的参数,使得天线工作在需要的频率,同时满足工作带宽等技术指标。
2.2 设计结果
本文采用这种方法分别设计制作了覆盖GSM通信系统900MHz频段(890MHz-960MHz)的宽频带微带天线,和覆盖3G移动通信系统工作频率(1920MHz-2170MHz)的宽带微带天线。
(1)900MHz宽频带微带天线设计天线时第1、3层介质选用空气介质,介质的相对介电常数13105rrεε==.,厚度13dd==18mm,介质损耗tgδ=0;第2层和第4层选用价格低廉较为常见的环氧树脂板,介质的厚度24dd==1mm,相对介电常数2444rrεε==.,介质损耗tgδ=002.。使用式(1),式(2)計算不同的贴片尺寸对应的天线频率。从表1看出,在介质的厚度和介电常数确定以后,Fr1和Fr2是相互独立的,可以分别通过调节两个贴片的大小来改变Fr1和Fr2。尽管3号天线的带宽最大,但是Fr1和Fr2相距过远,只有在Fr1,Fr2附近天线的驻波满足要求,而在Fr1,Fr2之间天线的驻波较大不能满足要求,也就是3号天线的双频比21/FFrr过大,以至于天线的驻波不能在12,FFrr之间整个频段内满足要求。而1号天线的频率在900MHz附近,且天线的双频比21/FFrr合适,因此选用这种情况下的参数。
天线频率表1
确定上下贴片的尺寸后,使用基于矩量法的电磁计算软件IE3D来确定馈电位置和金属圆片的大小。首先固定圆形贴片的直径为10mm,研究天线的输入阻抗随馈电位置变化的特性,馈电位置沿着x轴变化。出馈电位置的变化影响阻抗的实部,越靠近贴片的边缘,天线阻抗的实部越大。因此需要调整天线的馈电位置,使天线阻抗的实部接近于50?。当xp=48mm时,阻抗的实部最接近50?。随后,固定馈电位置xp=48mm研究天线的输入阻抗随金属片尺寸变化的特性,金属片尺寸的变化影响阻抗的虚部,因此需要把电容片调整到合适的尺寸,使得天线输入阻抗的虚部的绝对值在频带内尽量小。
结束语
本文研究了新型的宽频带微带天线,设计制作了一付覆盖GSM通信系统900MHz频段的天线,天线VSWR小于2.0(0.74~0.96GHz)的带宽是25.8%;同时设计制作了一付覆盖3G通信系统接收和发射频率的宽带天线,天线在1.813~2.319GHz内VSWR小于2,带宽是24.5%,测试结果显示天线具有良好的带宽特性。
参考文献
[1]徐晓文,徐健,刘章发,朱伯承,李世智.宽带重叠微带贴片天线的分析与设计(英文)[J].JournalofBeijingInstituteofTechnology(EnglishEdition),1997(4).
[2]房少军,付世强,金红,陈鹏,栾秀珍,范木杰,李晓明,刘占友,曹媛.海事卫星通信BGAN系统终端天线[Z].国家科技成果.
[3]王百锁,李春庚,李永红,房少军,王景宇,袁安存,徐长玉.小波分析再提高GPS定位精度中的应用[Z].国家科技成果.
关键词:移动通信;信息技术;宽带天线;宽频带微带天线
天线是当今通信领域关心最多的内容之一,它是任何无线设备都必不可少的组成部分,它的主要功能便是接受和发射无线电波,从而实现用户与基站之间的信息传输。近年来,伴随科学技术的发展和信息时代的到来,天线行业也呈现出一片大好的发展态势,为各种新型天线技术的出现与研究奠定了新的基础。宽频带微电天线技术作为当前研究重点内容之一,它不仅满足了人们小型化、现代化和高效化需要,且实现了其普及发展目的,有效顺应了时代发展潮流让其走向世界天线研究前沿。因此,这里我们也有必要对适用于移动通信的宽频带微带天线技术进行研究。
1 宽频带微电天线技术概述
近些年来,伴随着信息技术的飞速发展,无线移动通信技术的普及对天线系统提出了更高、更新、更特殊的要求。例如全球移动通信系统、地理信息系统等,这些系统都对天线的带宽提出了新要求,这些系统的带宽频率大多都为2000MHz左右。面对这种情况,目前移动通信设备上普遍采用的单层矩形微带贴片天线则无法满足这一发展要求,严重制约着移动通信技术的进一步发展。面对这种社会现状,深刻开展研究宽频带微带天线技术则显得十分必要,是适应当今信息时代发展需要的主要手段。
微带天线技术最早主要应用于火箭和导弹系统之中,也就是被广泛应用在军事与航天领域,它在共性天线技术上获得良好的发展。现如今,这种天线技术的频带已经超过了1000GHz,其被广泛的应用于各种无线设备之中,特别是在一些航天飞行器以及地面便携式设备之中。面对这种时代发展需要,宽带天线其他时候要求更高,其物理参数、信息标准都需要几何形状与尺寸,目前我们常见的微带天线包含了微带贴片天线、微带行波天线以及微带缝隙天线等。
2 适用于移动通信的宽频带微带天线设计
近年来,伴随着信息技术与电子技术的飞速发展,无线移动通信技术也呈现出高速发展的态势,这也为我们研究各种天线新技术提供了基础。尤其是民用移动通信事业日趋成熟的关键时期,人们迫切需要一种与移动通信设备相匹配的宽频带微带天线,以满足当今人们日益高涨的信息需求量和信息查看速度需要。这里,我们就在原来宽频带微带天线技术的基础上,通过设计两种移动通信系统中的宽频带微带天线,利用测量结果来观察这一技术的优越性。
2.1 天线模型的选择
图1 宽频带微电天线结构图
由图1我们可以得出,宽频带微电天线结构共有4层不同的介质,其中厚度也不尽相同。在途中,整个介质的厚度都采用了d进行标识,而相对的电子电常数则采用了ε标识,并且每层都标了标号,然后对天线的长度用L进行了标识,但是且由下至上按照层数标号对长度也进行了标志。但是由于第一层的空气介质比较厚,馈电探针也非常长,由此带来非常强烈的电感,使得天线的阻抗天性特别的强烈,为了能够更好的克服这种问题,在设计的时候直接在在探针顶部引入了一个圆形金属片,这个圆形金属片具有的容性与探针本身具有的感性相抵消,能够有效地拓展微带天线的带宽。金属片位于第一层介质和第二层介质的交界面处,其直径为D。与普通微带天线不同的是同轴线内芯不是与贴片连在一起,而是与金属圆片连在一起,这样探针的感性能与金属片的容性相互抵消,从而达到展宽天线带宽的目的。由于直接使用矩量法计算需要的时间长,不利于优化设计。因此希望首先用简单的模型估算天线的电特性,设计一个初步模型,然后再使用矩量法精细地调整各个参数以达到指标要求。
在使用上述公式得到天线的初始结构参数后,再使用矩量法精细地调整天线的参数,使得天线工作在需要的频率,同时满足工作带宽等技术指标。
2.2 设计结果
本文采用这种方法分别设计制作了覆盖GSM通信系统900MHz频段(890MHz-960MHz)的宽频带微带天线,和覆盖3G移动通信系统工作频率(1920MHz-2170MHz)的宽带微带天线。
(1)900MHz宽频带微带天线设计天线时第1、3层介质选用空气介质,介质的相对介电常数13105rrεε==.,厚度13dd==18mm,介质损耗tgδ=0;第2层和第4层选用价格低廉较为常见的环氧树脂板,介质的厚度24dd==1mm,相对介电常数2444rrεε==.,介质损耗tgδ=002.。使用式(1),式(2)計算不同的贴片尺寸对应的天线频率。从表1看出,在介质的厚度和介电常数确定以后,Fr1和Fr2是相互独立的,可以分别通过调节两个贴片的大小来改变Fr1和Fr2。尽管3号天线的带宽最大,但是Fr1和Fr2相距过远,只有在Fr1,Fr2附近天线的驻波满足要求,而在Fr1,Fr2之间天线的驻波较大不能满足要求,也就是3号天线的双频比21/FFrr过大,以至于天线的驻波不能在12,FFrr之间整个频段内满足要求。而1号天线的频率在900MHz附近,且天线的双频比21/FFrr合适,因此选用这种情况下的参数。
天线频率表1
确定上下贴片的尺寸后,使用基于矩量法的电磁计算软件IE3D来确定馈电位置和金属圆片的大小。首先固定圆形贴片的直径为10mm,研究天线的输入阻抗随馈电位置变化的特性,馈电位置沿着x轴变化。出馈电位置的变化影响阻抗的实部,越靠近贴片的边缘,天线阻抗的实部越大。因此需要调整天线的馈电位置,使天线阻抗的实部接近于50?。当xp=48mm时,阻抗的实部最接近50?。随后,固定馈电位置xp=48mm研究天线的输入阻抗随金属片尺寸变化的特性,金属片尺寸的变化影响阻抗的虚部,因此需要把电容片调整到合适的尺寸,使得天线输入阻抗的虚部的绝对值在频带内尽量小。
结束语
本文研究了新型的宽频带微带天线,设计制作了一付覆盖GSM通信系统900MHz频段的天线,天线VSWR小于2.0(0.74~0.96GHz)的带宽是25.8%;同时设计制作了一付覆盖3G通信系统接收和发射频率的宽带天线,天线在1.813~2.319GHz内VSWR小于2,带宽是24.5%,测试结果显示天线具有良好的带宽特性。
参考文献
[1]徐晓文,徐健,刘章发,朱伯承,李世智.宽带重叠微带贴片天线的分析与设计(英文)[J].JournalofBeijingInstituteofTechnology(EnglishEdition),1997(4).
[2]房少军,付世强,金红,陈鹏,栾秀珍,范木杰,李晓明,刘占友,曹媛.海事卫星通信BGAN系统终端天线[Z].国家科技成果.
[3]王百锁,李春庚,李永红,房少军,王景宇,袁安存,徐长玉.小波分析再提高GPS定位精度中的应用[Z].国家科技成果.