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深圳市宝安区沙井镇西部工业园A栋5车间

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天线线路板-设计与研究
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     随着无线通信和雷达系统的不断完善发展,对天线性能提出了体积小、重量轻、制作简单和宽频带等特性要求,超宽带天线技术应运而生。通过介绍超宽带贴片天线的技术特性、研究现状及趋势,提出了一种特有的超宽带贴片天线设计方案。简要介绍了Ansoft HFSS仿真软件,且用其对回波损耗和远场辐射图进行仿真及优化设计,使得设计的天线的带宽大致在1.50~11.50GHz范围内,且在WLAN频段达到了良好的陷波特性,有效地抑制了超宽带通信与窄带通信之间的潜在干扰,实验结果表明该设计满足了超宽带的频带要。
  关键词:超宽带;贴片天线;回波损耗;仿真;频带
  DOI: 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.9.010
  引言
  随着当前通信技术的不断演进,频谱效率、速率越来越高,带宽也不断增宽。无线通信网络综合一体化是一个趋势,各种无线技术都将在这一体化的网络中发挥自己的作用。从移动通信来看,3G乃至4G技术将成为主导,从而形成对全球的广泛无缝覆盖;而WLAN、WiMAX、UWB等宽带接入技术,将因其各自不同的技术特点,在不同覆盖范围或应用区域内,移动通信网络形成有效互补。本文对超带宽(UVB)贴片天线技术做了一个系统的阐述,并对贴片天线做了新的设计方案,通过HFSS 12.0进行了系统仿真的优化,并最终达到设计要求。
  超宽带天线技术简介
  超宽带天线(UWB)技术是一种新型无线通信技术。它有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、低截获能力、系统复杂度低等优点。重量轻,体积小,制作简单且宽频带。从2002年美国FCC允许将超宽带技术应用于民用通信领域以来[1],迅速发展为未来短距高速商用无线通信系统实现的有力竞争方案。
  UWB天线覆盖非常宽的频率范围,多用于移动设备,所处位置不固定,摆放角度随机,因此一般要求其在某一平面有全向性。它采用脉冲编码,需要有较好的时域特性,也要求其具有非色散特性,即平坦的幅频响应和在带宽内的线性相位。因FCC建议的3.1~10.6GHz频段与WLAN有冲突,研究热点集中在具有带阻功能的UWB天线,很多人提出了采用了寄生耦合,对接地面处理、分形等技术的具有滤波器功能的新型设计。
  优化方案
  对各个物理参数进行优化改进设置。经过仿真分析,接地板宽度L4从10mm开始,随着宽度的增加,带宽越来越宽,当L4达到13mm时,则它不再满足超宽带的特性,因而我们认定当L4=12mm时能够获得最佳的阻抗带宽。改变横缝隙的位置,让它向着y轴正向移动,距x轴的距离设为H,在L1变动时,此时我们发现,当H=23mm时,阻抗带宽范围为2.25~11.5GHz,也由此得出H为23mm时是最适合的位置。研究表明竖条缝隙的位置对天线的回波阻抗的影响并不是很大,随着其长度的增大,阻抗带宽也会有相应的增加,所以选择其长度L9=15mm能够满足最佳的天线性能。我们又改变了L7长度的大小来观察天线的回波损耗得出了当L7=6mm时,天线能够表现出最佳的回波损耗性能。实验中又试着再改变L10的大小,当L10=2mm时,天线能够表现出最佳的回波损耗性能。并且还得出了随着L10的增加,天线的阻抗带宽也随着增加的结论。接下来改变宽度W的大小,观察总结出当W=1mm时,天线能够表现出最佳的回波损耗性能。且随着W的增加,天线的回波损耗越来越差,阻抗带宽也越来越小。最后讨论小半圆半径R对天线回波损耗的影响,得出当R=11mm时,天线能够表现出最佳的性能。且随着R的增加,天线的回波损耗变得越来越差。经过对天线设计参数的仿真与细致研究,我们得出最终的优化的结果,各项物理参数如表2所示。
  依照上表中天线的尺寸,对最后设计的天线进行仿真,得到理想的天线的回波损耗图和在频率点分别为2.5GHz和7.5GHz的远场辐射图如图4。可以看出,通过Ansoft HFSS 12.0仿真软件的优化,我们得到了性能比较优越的天线回波损耗S11值和远场辐射图。得出设计的天线带宽范围大致在1.50~11.50GHz范围内,而且远场辐射图表现出的辐射范围也比较大,给出的匹配较好的频率点f=2.5GHz, f=7.5GHz的远场辐射图,可以清楚地看出超宽带贴片天线所表现出的辐射性能。所以,经过对设计天线一系列参数的仿真优化得到了符合要求的设计。
  结束语
  本设计中阻抗带宽大致在1.50~11.50GHz范围,对于稍低的频段,如2.5GHz或5.8GHz频段,可用于无线局域网(WLAN)通信。而2.4GHz,5GHz(5.15~5.25GHz,5.250~5.350GHz和5.470~5.725GHz)则可允许WiFi通信;2.3GHz,2.5~2.7GHz,3.5GHz(3.3~3.8GHz)可以进行W i m a x (全球微波互联接入)通信。1710~1885MHz,2500~2690MHz,则可用于3G通信。设计的超宽带贴片天线很好的解决了FCC与WLAN频段的重叠问题,也使天线在WLAN频段达到了良好的陷波特性。因受实验条件等因素制约,没能够做到实物产品和实际测量,只是经过了计算机仿真实验并得出了较好的结果,接下来就是要落实到硬件实现,真正做到设计的超宽带贴片天线具有较高性能和实用价值。