專利名稱：：一種微帶天線結(jié)構(gòu)及優(yōu)化調(diào)整方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于無線通信設(shè)備領(lǐng)域，特別涉及到一種微帶天線結(jié)構(gòu)及其參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整方法。
背景技術(shù)：
：天線是發(fā)射和接收電磁波的一個重要的無線電設(shè)備。無線電發(fā)射機(jī)輸出的射頻信號功率，通過饋線(電纜)輸送到天線，由天線以電磁波形式輻射出去。電磁波傳播到接收地點(diǎn)后，由天線接收，并通過饋線送到無線電接收機(jī)。天線品種繁多，對于不同應(yīng)用頻率、不同場合、用途、不同要求情況下，所使用的天線結(jié)構(gòu)是不相同的。和天線有著密切關(guān)聯(lián)的人體中心網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其天線起到了極其重要的作用。所述人體中心網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一種新興的具有廣泛應(yīng)用前景的無線通信技術(shù)，其主要的研究方向是無線通信技術(shù)中最后一米的接入問題。隨著電子產(chǎn)品的小型化和其價格的降低，為組建個人信息和通信系統(tǒng)提供了可能。目前可構(gòu)建人體中心網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)品包括手機(jī)，個人數(shù)字助理(PDA),微型無線傳感器等。這些在人體附近的無線設(shè)備以及微型無線傳感器可以通過共享數(shù)據(jù)來監(jiān)測人體的健康狀況。在網(wǎng)絡(luò)中天線的選取，主要依據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的要求和系統(tǒng)輻射標(biāo)準(zhǔn)。具體而言，天線需要工作在相應(yīng)的工作頻段，滿足一定的傳輸距離，并且天線對人體的電磁輻射必須滿足NRPB(英國輻射防護(hù)局)和ICNIRP(國際非電離輻射防護(hù)委員會)規(guī)定限度標(biāo)準(zhǔn)之下。與上述類型天線具有同等地位的，是本發(fā)明提及的平面倒F微帶天線，微帶天線是二十世紀(jì)中后期逐漸發(fā)展起來的一種新型天線，近距離無線通信在物理層發(fā)送和接收射頻信號時，普遍采用的射頻單元是微帶天線。其中平面倒F天線(PlanarInverted-FAntenna,PIFA)是微帶天線中尺寸比較小的常用天線。作為微帶天線的一個已知技術(shù)的實(shí)例，可參照表示在附圖l上的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中所示介質(zhì)基片尺寸為110mmX50mmXlmm,采用介電常數(shù)^=3.15的FR4材料實(shí)現(xiàn)。圖中黑色部分為金屬層，無色部分為介質(zhì)層。介質(zhì)基片頂面的倒F型金屬貼片占據(jù)整個基片25mmX5mm的空間，是天線的主要輻射部分，饋點(diǎn)和接地點(diǎn)如圖1所示。介質(zhì)基片底面的接地板是一個與基片同樣尺寸的矩形金屬片，在與介質(zhì)基片上面的F區(qū)域相對的介質(zhì)基片的底面上有一個與F區(qū)域?qū)?yīng)的矩形缺口。天線各個部分參數(shù)的尺寸如下所示dl=lmm,d2=lmm,1=23mm，wl==3mm，w2=lmm,s==3mm，h2=4mm，w3=lmm。此款天線結(jié)構(gòu)中心頻率是2.45GHz，相對帶寬大于5%，駐波比小于1.5，天線增益2.85dB，中心頻率上的輸入阻抗接近50歐姆純電阻，效率是79%。這種倒F天線雖然可以用在近距離無線通信方面，特別是用在人體中心網(wǎng)絡(luò)中。但是，它還存在很多不足之處，尤其在低介電常數(shù)(&-3.15)下，它的介質(zhì)基片尺寸大，天線系統(tǒng)效率低。對于射頻集成電路，為了避免電路本身輻射帶來的干擾，同時也為了減小電路尺寸，需要選用高介電常數(shù)的介質(zhì)材料作為電路基板，但是，在高介電常數(shù)下，天線的工作帶寬變窄，小于3%，很難滿足藍(lán)牙頻段要求。因此，獲得足夠?qū)挼膸?，是這種結(jié)構(gòu)天線中急需解決的問題。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題，是針對現(xiàn)有技術(shù)中所采用微帶天線存在的不足之處，這些不足主要是帶寬窄，效率低，尤其是隨著基板的介電常數(shù)的升高，帶寬更難保證，效率很低，發(fā)熱量大。針對以上情況，本發(fā)明的目的，在于提供一種微帶天線結(jié)構(gòu)及其參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整方法。本發(fā)明設(shè)計(jì)了一款反射系數(shù)小，匹配良好，體積小、重量輕，頻帶寬，性能優(yōu)異的天線結(jié)構(gòu)。該天線可以應(yīng)用于近距離無線通信領(lǐng)域，比如應(yīng)用于人體中心無線網(wǎng)絡(luò)中。本發(fā)明的目的是采用以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的，一種微帶天線結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)屬于駐波型微帶縫隙天線，包括單面覆銅介質(zhì)基板制成的天線面板及饋電源，其特征在于，所述縫隙天線，是矩形直角連續(xù)縫隙構(gòu)成的中心對稱的弓形輻射結(jié)構(gòu)；所述饋電源，是由端部連有SMA接頭的同軸電纜，它連接在天線面板上的確定位置A、B兩處并向天線面板外引出。針對近距離無線通信的各種天線應(yīng)用，大多設(shè)備使用2.4GHz頻段進(jìn)行通信。本發(fā)明天線的設(shè)計(jì)，是一種駐波型微帶縫隙天線結(jié)構(gòu)，它由一個天線面板和一個帶同軸電纜的SMA接頭組成。天線面板由單面覆銅介質(zhì)基板制成，在介質(zhì)基板一惻印制的金屬板上開矩形直角連續(xù)縫隙，以此作為主要輻射源，獲得較穩(wěn)定的寬波束方向圖；本天線采用同軸線饋源，并與SMA接頭連接，以獲得寬帶阻抗特性；通過弓形縫隙全向輻射，也提高了天線的增益。設(shè)計(jì)時選用絕緣性能較好的陶瓷做介質(zhì)層，其介電常數(shù)為9.6。該微帶縫隙天線中心頻率設(shè)計(jì)為2.4GHz頻段。在天線的設(shè)計(jì)過程中，需要對其中的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整以求達(dá)到更加適合應(yīng)用于人體網(wǎng)絡(luò)。具體而言，按照如下考慮，A)分別對天線的實(shí)際尺寸參數(shù)X，a，b，c進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以使天線的增益達(dá)到實(shí)際需求。本發(fā)明所論述的天線數(shù)據(jù)如表l所示。表l天線各參數(shù)詳細(xì)數(shù)據(jù)表<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>天線的尺寸對天線的頻率影響明顯，通過等比放大或縮小整個天線的尺寸可以對天線中心頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。在調(diào)整天線尺寸時，天線的頻率特性是沿著頻譜進(jìn)行了線性的平移，根據(jù)此方法，可以設(shè)計(jì)出滿足人體網(wǎng)絡(luò)的天線尺寸。最后天線的饋電點(diǎn)對天線的性能有一定的調(diào)整作用，可以通過不同位置的饋電點(diǎn)的選取實(shí)現(xiàn)不同中心頻率的天線。根據(jù)實(shí)際的需求調(diào)節(jié)這些參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對天線的頻率進(jìn)行調(diào)整，設(shè)計(jì)出最優(yōu)化的天線。B)以所測試的干擾性能作為參數(shù)優(yōu)化調(diào)整的標(biāo)準(zhǔn)，采用電磁仿真軟件CST對該天線進(jìn)行電磁仿真設(shè)計(jì)，可以得到該微帶縫隙天線的參數(shù)回波損耗S"的狀態(tài)圖，如附圖4所示天線的中心頻率正好處于2.45GHz，-10dB帶寬約為115MHz，這一點(diǎn)可獲得最小的回波損耗值，而其余頻帶的回波損耗明顯上升，說明了天線具有較好的抗干擾性能。C)調(diào)整天線的饋電點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)天線中心頻率的調(diào)節(jié)。概括而言，按照上述微帶天線結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的參數(shù)優(yōu)化調(diào)整，其特征在于，按如下步驟操作，A)分別對天線的實(shí)際尺寸參數(shù)X，a，b，c進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；B)以所測試的干擾性能作為參數(shù)優(yōu)化調(diào)整的標(biāo)準(zhǔn)；C)調(diào)整天線的饋電點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)天線中心頻率的調(diào)節(jié)。該天線可以為未來高速數(shù)據(jù)傳輸提供帶寬保證。具體的天線的設(shè)計(jì)如圖1所示，其中設(shè)計(jì)圖的灰色部分為介質(zhì)層，白色部分為銅膜，在天線的中間部分，A點(diǎn)和B點(diǎn)與同軸饋線連接。本天線尺寸小，結(jié)構(gòu)簡單，容易加工，便于與有源電路集成。圖1為已知技術(shù)中平面倒F天線結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明所設(shè)計(jì)的微帶天線圖3為本發(fā)明所設(shè)計(jì)的微帶天線結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為天線回波損耗曲線；圖5為對縮放參數(shù)SCA的變化曲線；圖6為Su隨饋電點(diǎn)橫向移動的變化；圖7為Su隨饋電點(diǎn)縱向移動的變化；圖8為天線阻抗Smith圓圖。具體實(shí)施例方式參照圖l，表示已知技術(shù)中平面倒F天線結(jié)構(gòu)示意圖，它無法滿足寬頻帶的要求，參照圖2、圖3，表示本發(fā)明所設(shè)計(jì)的微帶天線結(jié)構(gòu)示意圖，圖中l(wèi)為駐波型微帶縫隙天線組件，圖中空白部分2，代表天線面板上的介質(zhì)層部分，陰影部分3代表銅膜部分，連接A、B兩確定位置點(diǎn)之間的饋電纜4由相同的同軸饋電縛5及其端部的SMA接頭6引向外部端口。參照圖4至圖8，表示所測量的特性曲線圖及Smith圓圖，從研究天線電尺寸的角度出發(fā)，若天線結(jié)構(gòu)保持不變，當(dāng)天線的電尺寸變大，一般來講天線所能輻射的電磁波的波長變長，其頻率就相應(yīng)降低。在實(shí)施例的基礎(chǔ)上，保持天線設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不變，同比放大或縮小天線的尺寸，可以設(shè)計(jì)不同中心頻率點(diǎn)的天線。當(dāng)天線整體尺寸變大，天線中心頻率相應(yīng)降低，而且在小范圍內(nèi)變化時天線的帶寬亦保持不變(天線的帶寬基本在100MHz)。如在天線縮放參數(shù)sca為0.7的時候，即天線的尺寸為原來尺寸的0.7倍，此時天線的中心頻點(diǎn)為2.42GHz。天線的饋電點(diǎn)對天線的頻率有微調(diào)的作用(如圖6，圖7所示)，這使得天線制作完成以后，可以在不改變天線設(shè)計(jì)參數(shù)的前提下對天線的頻率進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用于不同頻率的天線。本發(fā)明所論述的天線的饋電端口電壓駐波比小于1.5的帶寬和天線回波損耗所確定的帶寬一致，天線的匹配性能優(yōu)良。天線輸入阻抗的Smith圓圖如圖8所示，在頻率2.45G處的輸入阻抗為(45.56歐姆，-1.046j歐姆)，在忽略極小值虛部阻抗-1.046歐姆的近似條件下，實(shí)部45.56歐姆已經(jīng)相當(dāng)接近標(biāo)準(zhǔn)純電阻50飲姆模式的阻抗。獲得的輻射效率和整體的系統(tǒng)效率都分別達(dá)到了較高的99.51%和99.29%。由此可見所述天線的阻抗匹配非常好。在今后的可植入人體的無線模塊中具有較好的兼容性，這是由于人體對陶瓷介質(zhì)和鍍金表面的天線排異性較小。而且天線的頻率可調(diào)性非常好，適合研究和實(shí)際工程制作，這種天線將是很適用于小型寬帶通信設(shè)備。權(quán)利要求1.一種微帶天線結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)屬于駐波型微帶縫隙天線，包括單面覆銅介質(zhì)基板制成的天線面板及電纜饋線，其特征在于，所述微帶縫隙天線，是矩形直角連續(xù)縫隙構(gòu)成的中心對稱的弓形輻射結(jié)構(gòu)；所述電纜饋線，是端部連有SMA接頭的同軸電纜，它連接在天線面板上的確定位置A、B兩處并向天線面板外引出。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微帶天線結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的參數(shù)優(yōu)化調(diào)整方法，其特征在于，按如下步驟操作，A)分別對天線的實(shí)際尺寸參數(shù)X，a，b，c按滿足天線增益的要求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；B)以所測試的干擾性能作為參數(shù)優(yōu)化調(diào)整的標(biāo)準(zhǔn)；C)調(diào)整天線的饋電點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)天線中心頻率的調(diào)整。全文摘要一種微帶天線結(jié)構(gòu)及優(yōu)化調(diào)整方法，屬于無線通信設(shè)備領(lǐng)域，是駐波型微帶縫隙天線，包括單面覆銅介質(zhì)基板制成的天線面板及饋電源，所述縫隙天線，是矩形直角連續(xù)縫隙構(gòu)成的中心對稱的弓形輻射結(jié)構(gòu)；所述電纜饋線，是由端部連有接頭的同軸電纜，它連接在天線面板上的確定位置A、B兩處并向天線面板外引出。該微帶天線結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的參數(shù)優(yōu)化調(diào)整方法，按如下步驟操作，分別對天線的實(shí)際尺寸參數(shù)X，a，b，c進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；以所測試的干擾性能作為參數(shù)優(yōu)化調(diào)整的標(biāo)準(zhǔn)；調(diào)整天線的饋電點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)天線中心頻率的調(diào)節(jié)。該天線可以為未來高速數(shù)據(jù)傳輸提供了帶寬保證，天線尺寸小，結(jié)構(gòu)簡單，容易加工，便于與有源電路集成。文檔編號H01Q13/10GK101533958SQ20091008213公開日2009年9月16日申請日期2009年4月16日優(yōu)先權(quán)日2009年4月16日發(fā)明者呂英華,張洪欣,張金玲,莉李,鄭占奇申請人:北京郵電大學(xué)