双频带单偶极天线设计.docx
- 文档编号:29760673
- 上传时间:2023-07-26
- 格式:DOCX
- 页数:15
- 大小:2.03MB
双频带单偶极天线设计.docx
《双频带单偶极天线设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《双频带单偶极天线设计.docx(15页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
双频带单偶极天线设计
雙頻帶單偶極天線設計
Dual-bandMonopoleAntennaDesign
陳建宏
Chien-HungChen
摘要
近十年來由於微帶天線具有尺寸小、重量輕、低輪廓的特性,在無線通訊的應用上扮演著重要的角色。
微帶天線係共振式的天線,通常限制了阻抗頻寬。
所以擴大頻寬是微帶天線一大重點。
本論文提出一種利用微帶線饋入之雙頻帶單偶極天線(Dual-BandMonopoleMicrostripAntenna)以提供在ISM頻帶使用藍芽(Bluetooth)(802.15)的2.45GHz,無線區域網路(WirelessLocalAreaNetwork,WLAN)(802.11b/g)的2.45GHz以及(802.11a)的5.2GHz規格之收發器使用。
由模擬與實驗結果比較得知,可以發現其響應非常吻合,是一個適用於無線通訊產品的雙頻天線。
關鍵詞:
微帶天線、雙頻帶單偶極天線、ISM頻帶
Abstract
Microstripeantennashavetheadvantageoflightweight,smallsizeandlowprofileandhadfoundwideapplicationinvariouswirelesscommunicationareasinthistwodecades.Microstripeantennascanradiateinbroadsideandactinresonantmode;hence,theyusuallyhavelimitedimpedancebandwith.Increasingthebandwithofmicrostripantennahasbeenthemajorthrustofresearchinthisfield.Inthispaper,theradiationcharacteristicsofthemicrostripedual-bandmonopoleantennaareinvestigatedindetailanddesignedtooperateonthetransceiveroftheBluetooth,WLANforthe2.45GHzand5.2GHzISMbands.Numericalresultsshowthatdual-bandantennahasagoodsimulationperformanceisagreewiththepracticalandisapplicableforthewirelesscommunicationdevice.
Keywords:
Microstripeantenna,dual-bandmonopoleantenna,ISMband
1、簡介
無線通訊的應用正方興未艾,其中包括無線電腦鏈結(wirelesscomputing)的各種應用,例如網路校園資訊無線存取,醫院病患病情的無線監控,工廠或大樓物件或人員移動的無線監控等等。
利用紅外線通訊或雷射通訊雖然也可以達到電腦無線鏈結的目的,但由於兩者皆需要直接波(lineofsight)的環境,因此應用範圍有限,為了達到不須直接波也可鏈結電腦的目的,一般皆使用較低波段的電波頻譜,稱為射頻(Radiofrequency);較低波段的電波可以傳的較遠,但缺點則有其頻寬較小,且所須天線也較大等等,例如1GHz的電波在空氣中的半波長為(15cm):
這是傳統半波偶極天線所須的長度,當使用大於1GHz的微波或毫米波時,天線的長度/尺寸將可相對減小。
目前利用ISM波段的無線計算IEEE標準有Bluetooth(802.15)的2.45GHz[1],WLAN(802.11b/g)的2.45GHz以及WLAN(802.11a)的5.2GHz[2],本篇專題研究報告著墨於設計上述之頻帶天線。
隨著行動通訊時代的來臨,重量輕、體積小、收訊佳、成本低的產品將為市場的主流,天線設計優良與否,就佔了重要的地位。
而平面天線體積小、重量輕、製造容易,可沿著彎曲物體之表面安裝,也可直接和其他電路元件製作在同一單晶微波電路(MMIC)上等優點,因此非常值得深入的研究探討[3]。
輕薄短小,已經是現在電子產品的需求以及趨勢,所以在各種製成技術在對於小型化體積過程中會有一些取捨關係(trade-off),會犧牲某項效能來達成特定的目的。
天線設計也不例外,尤其是天線本身物理特性的限制,對於天線的小型化影響更鉅。
在天線的小型化過程中,可能會犧牲天線的頻寬(bandwidth)與天線的增益(gain)。
雙頻天線算是一個小型化之天線[4][5],在固定天線尺寸下,產生兩個共振頻率,其功能猶如兩個單頻天線的結合。
而本論文是利用單偶極(Monopole)來完成設計雙頻之天線,稱之為雙頻帶單偶極微帶天線(Dual-BandMonopoleMicrostripAntenna)。
在本文的內容方面,單元2是有關微帶天線設計的描述,其中包括了微帶天線設計的優缺點及其工作原理。
單元3是描述本論文所設計天線的實驗與模擬結果。
最後在單元4做一總結。
2、天線設計
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換的耦合元件或導電系統。
傳送信號時,天線將無線電頻率電能轉變成電磁能量輻射到週遭的環境。
接收信號時,天線接收電磁能量輻射轉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(RadiationPattern)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,適當的訊號鐀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。
近十年來由於微帶天線具有尺寸小、重量輕、低角度的特性,在無線通訊的應用上扮演著重要的角色。
微帶天線係共振式的天線,所以擴大頻寬是微帶天線一大重點[6-12];另外如何縮小天線尺寸亦是一個重要的研究課題[13-18]。
藉由一些幾何圖形的變化可以來改善微帶天線窄頻帶的缺點,並利用單極化的特性來小型化及降低總功率,使得微帶天線的指向性(Directivity)也比較好[19]。
如圖
(一)所示,利用圓柱形近似法來找出單偶極微帶天線(MonopoleMicrostripAntenna)的第一個VSWR到達2的共振頻率點,用此方法可以得到不錯的近似,可以用來當作天線設計的原型。
其中饋入間隙(FeedGap)g的大小,會造成輻射金屬貼片(RadiationMetallicPatch)和接地面(GroundPlane)間的電容性增加,使其阻抗不匹配,所以此參數必須相當小心設計。
天線製作的流程如圖
(二)所示,首先選擇天線所要設計的頻段,表
(一)為目前常見的無線通訊標準所適用的頻段。
而在ISM波段的無線計算IEEE標準有Bluetooth(802.15)、WLAN(802.11b/g)的2.45GHz以及WLAN(802.11a)的5.2GHz,本論文著墨於適用上述之頻帶的微帶天線設計。
接著利用IE3D電磁模擬軟體根據所設計的天線結構進行模擬分析,最後以雙面感光電路板(FR4)來製作出實際天線尺寸並量測此天線之相關參數。
3、實驗與模擬結果
本論文之雙頻帶monopole天線是採用FR4為基板(
),其厚度h為0.8mm,並利用50ohm之微帶線饋入激發。
圖(三)為此雙頻monopole天線之結構圖,包含直線及彎曲結構,其中直線型為提供共振頻率為2.45GHz時主要輻射部分(在頻率2.45GHz下所提供之共振腔),彎曲型提供共振頻率為5.2GHz時主要輻射部分(在頻率5.2GHz下所提供之共振腔)。
虛線表示Ground其長度Lg=31.27mm,寬度Wg=22.26mm,實線部分為微帶饋入線以及天線主體,微帶線寬為Wf=1.4mm(50hom),天線主體各個參數為We=1.4mm,Le=26.28mm,d=25.28mm,Wt=1mm,d1=9.98mm,t1=1.64mm,t2=1.4mm,t3=1mm,t4=0.85mm,g1=1.96mm以及天線主體與ground的間隙g2=0.5mm,表
(一)為以上參數之整理。
圖(四)為利用軟體模擬之Returnloss頻率響應圖,可以發現其共振頻率分別是在2.46GHz及5.18GHz,Returnloss低於-10dB為2.35GHz~2.59GHz(BandwidthBW=240MHz)以及5.13GHz~5.25(BW=120MHz),故此新形式之monopole天線確實有不錯之雙頻效應,可完全符合適用於Bluetooth(802.15)2.45GHz,WLAN(802.11b)2.45GHz以及LAN(802.11a)5.2GHz規格之收發器之天線,表
(二)為共振頻率及頻寬之關係。
圖(五)(六)為此結構在共振頻率2.46GHz及5.18GHz下之電流分佈圖,可以發現當共振頻率為2.46GHz時,直線型為主要輻射部分,共振頻率為5.18GHz時,彎曲型為主要輻射部分。
圖(七)(八)為共振頻率為2.46GHz及5.18GHz下之輻射場型。
圖(九)為利用基板材質
厚度h為0.8mm的FR4板來製作雙頻monopole天線,其實際尺寸大小長×寬約為5cm×3cm。
圖(十)為雙頻帶monopole天線實際量測Returnloss頻率響應圖,其共振頻率分別是在2.6GHz及5.26GHz,Returnloss低於-10dB為2.44GHz~2.71GHz(BandwidthBW=270MHz)以及5.26GHz~5.4GHz(BW=140MHz)。
由圖可見其實驗與模擬結果非常相近,表(三)為實驗結果與模擬結果之比較。
4、結論
在各種類天線中,當今最受歡迎的天線為平面天線。
平面天線結構因為具備體積小、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,使得微帶天線與印刷槽孔天線被大量應用於無線通訊系統中。
於是本論文提出一種利用微帶線饋入之雙頻帶monopole天線以供Bluetooth(802.15)的2.45GHz,WLAN(802.11b/g)的2.45GHz以及LAN(802.11a)的5.2GHz規格之收發器使用。
由模擬與實驗結果比較得知,可以發現其響應非常吻合,是一個可用之雙頻天線。
圖
(一)monopole天線示意圖
圖
(二)天線製作的流程圖
表
(一)常見的無線通訊標準所適用的頻段
英文全名
英文縮寫
中文翻譯
頻段
GlobalPositioningSystem
GPS
全球衛星定位系統
L1band:
1575.42MHz
L2band:
1227.60MHz
GlobalSystemforMobilCommunication
GSM
*EnhancedGSM
全球行動通訊系統
890~960MHz
*880~960MHz
DigitalCommunicationSystem
DCS
數位通訊系統
1710~1880MHz
PersonalCommunicationServices
PCS
個人通訊服務系統
1850~1990MHz
IntegrationofMobileandFixedNetwork
IMT-2000(3G)
行動通訊與固網整合系統(第三代行動通訊)
1920~2170MHz
Bluetooth
藍芽
2400~2484MHz(IEEE802.11b)
註:
可能因地域的不同而有微幅差異,所以僅供參考。
圖(三)雙頻帶monopole天線示意圖
Wg
Lg
Wf
d
We
Le
Wt
22.26mm
31.27mm
1.4mm
25.28mm
1.4mm
26.28mm
1mm
d1
t1
t2
t3
t4
g1
g2
9.98mm
1.64mm
1.4mm
1mm
0.85mm
1.96mm
0.5mm
表
(二)雙頻帶monopole天線結構參數
圖(四)雙頻帶monopole天線模擬之Returnloss
Centerfrequency
<-10dB
Bandwidth
2.46GHz
2.35GHz~2.59GHz
240MHz
5.18GHz
5.13GHz~5.25GHz
120MHz
表(三)雙頻帶monopole天線模擬之共振頻率與頻寬之關係
圖(五)電流分佈圖(2.46GHz)
圖(六)電流分佈圖(5.18GHz)
(a)H-plane
(b)E-plane
圖(七)模擬之輻射場型(2.46GHz)
(a)H-plane
(b)E-plane
圖(八)模擬之輻射場型(5.18GHz)
圖(九)雙頻帶monopole天線實體圖
圖(十)雙頻帶monopole天線實際量測之Returnloss
表三實驗結果與模擬結果之比較
Centerfrequency
<-10dB
Bandwidth
Measurement
2.6GHz
2.44GHz~2.71GHz
270MHz
Simulation
2.46GHz
2.35GHz~2.59GHz
240MHz
Measurement
5.34GHz
5.26GHz~5.4GHz
140MHz
Simulation
5.18GHz
5.13GHz~5.25GHz
120MHz
參考文獻:
[1].Bluetoothv1.1profilespecifications(online).
http:
//www.bluetooth.org/docs/bluetooth_v11_profiles_22Feb01.pdf
[2].IEEEStandardsOnline,802.*http:
//standards.ieee.org/getieee802
[3].MicrostripAntennaDesignHandbook,RameshGarg,PrakashBhartia,InderBahl,ApisakIttipiboon
[4]Reducedsizesingleanddualbandlinearpolarizedmicrostripantennasformobilecommunications,Ramirez,R.R.;Elsadek,H.;Jofre,L.;DeFlaviis,F.;AntennasandPropagationSociety,2001IEEEInternationalSym,Volume:
4,2001Page(s):
450-453vol.4
[5]Smallsizesingleandmultibandantennaarrayswithdiversitycapabilitiesforportabledevices,Ramirez,R.R.;Jofre,L.;deFlaviis,F.;RadioandWirelessConference,2001.RAWCON2001.IEEE,2001Page(s):
215-218
[6]L.L.Rauth,J.S.McLean,K.R.Dorner,J.R.Casey,andG.E.Crook,“broadbandlow-profileantennaforportabledataterminal”1997IEEEAP-SInt.Symp.Dig.,pp.438-441,Montreal,Canada,July1997
[7]F.YangandX.X.Zhang,“Abroadbanddualfrequencymicrostripantenna”1999IEEEAP-SInt.Symp.Dig.,pp.960-963,Montreal,Canada,July1997
[8]J.F.ZuercherandF.E.Gardiol,BroadbandPatchAntenna,ArtechHouse,Norwood,MA,1995
[9]Z.Li,P.Y.Papalambros,andJ.L.Volakis,“DesigningbroadbandPatchantennasusingthesequentialquadraticprogrammingmethod”IEEETrans.AntennasPropagat.,vol.45,pp.1689-1692,Nov.1997
[10]G.KumarandK.C.Gupta,“Broad-bandmicrostripantennasusingadditionalresonatorsgap-coupledtotheradiatingedges’IEEETrans.AntennasPropagat.,vol.32,pp.1375-1379,Dec.1984
[11]S.Y.KeandK.L.Wong,“Broadbandcylindrical-rectangularmicrostripantennausinggap-coupledparasiticpatches”MicrowaveOpticalTechnol.Lett.,vol.7,pp.699-701,1994
[12]T.HuynhandK.F.Lee,“Single-layersingle-patchwidebandmicrostripantenna”Electron.Lett.,vol.31,pp.1310-1312,1995
[13]R.Waterhouse,“Smallmicrostrippatchantenna”Electron.Lett.,vol.31,pp.604-605,April13,1995.
[14]C.R.RowellandR.C.Murch,“AcapacitivelyloadedPIFAforcompactmobiletelephonehandsets”IEEETrans.AntennasProagat.,vol.45,pp.837-842,May1997
[15]K.L.Wong,andS.C.Pan,“Compacttriangularmicrostripantenna”Electron.Lett.,vol.33,No.6,pp.433-434,1997
[16]S.DeyandR.Mittra,“Compactmicrostrippatchantenna”MicrowaveOpt.Technol.Lett.,vol.13,pp.12-14,Sept.1996
[17]S.DeyandR.Mittra,“Compactbroadbandmicrostripantenna”MicrowaveOpt.Technol.Lett.,vol.11,pp.295-297,April201996
[18]K.L.WongandY.F.Lin,“Smallbroadbandrectangularmicrostripantennawithchip-resistorloading”Electron.Lett.,vol.33,pp.1593-1594,Sept.11,1997
[19]GirishKumar,K.P.Ray,BroadbandMicrostripAntennas,ArtechHouse,Boston,2003.
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 双频 带单偶极 天线 设计