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适用于物联网多频段通信的矩形微带天线设计
资料介绍
为满足主流物联网通信技术的应用需求,提出一种新型的矩形微带单极天线,适用于多频段通信,如射频识别、全球定位系统和无线局域网等.该矩形微带天线由一个带两个U形槽的矩形贴片和一个带两个长方形槽的接地面组成,具有4个工作频段,当谐振频率分别为1.22 GHz,2.47 GHz,3.61 GHz和5.60 GHz时,相对带宽为25.7%(1.12 GHz~1.45 GHz)、25.3%(2.24 GHz~2.89 GHz)、15.7%(3.40 GHz~3.98 GHz)以及13.6%(5.21 GHz~5.97GHz).仿真与实测结果显示,该天线的工作频段数量更多且相对带宽更高,在各工作频段内具有良好的全向辐射特性.
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Chinese Journal of Electron Devices
第 ４0 卷 第 6 期
2017 年 12 月
Vol． ４0 No． 6
Dec． 2017
Design of Rectangular Micro-Strip Antenna for Multi Band
Communication in Internet of Things∗
ZHOU Xin∗
(Department of Communication Engineering，Chongqing College of Electronic Engineering，Chongqing ４01331，China)
Abstract:In order to meet the application requirements of the mainstream in Internet of things communication tech-
nology，a new type of rectangular micro-strip monopole antenna is proposed，which is suitable for multi band communi-
cation，such as radio frequency identification， global positioning system and wireless local area networkꢀ The
rectangular micro-strip antenna is composed of a rectangular patch with two U shaped slots and a ground surface with
two rectangular slotsꢀ The antenna has four working frequency，when the resonant frequency is 1ꢀ22 GＨz，2ꢀ４7 GＨz，
3ꢀ61 GＨz and 5ꢀ60 GＨz，the relative bandwidth is 25ꢀ7%(1ꢀ12 GＨz ~ 1ꢀ４5 GＨz)，25ꢀ3%(2ꢀ2４ GＨz ~ 2ꢀ89 GＨz)，
15ꢀ7%(3ꢀ４0 GＨz~3ꢀ98 GＨz)and 13ꢀ6%(5ꢀ21 GＨz~5ꢀ97GＨz)ꢀ Simulation and experimental results show that the
number of working bands of the antenna is more wide and the relative bandwidth is higherꢀ
Key words: wireless communication system; Internet of things communication; micro-strip antenna; multi band;
impedance bandwidth
ꢀ
doi:10.3969 / j.issn.1005 9490.2017.06.013
EEACC:3270
适用于物联网多频段通信的矩形微带天线设计∗
周 鑫∗
(重庆电子工程职业学院通信工程学院，重庆 ４01331)
摘
要:
为满足主流物联网通信技术的应用需求，提出一种新型的矩形微带单极天线，适用于多频段通信，如射频识别、全球
定位系统和无线局域网等。 该矩形微带天线由一个带两个 U 形槽的矩形贴片和一个带两个长方形槽的接地面组成，具有
４ 个工作频段，当谐振频率分别为 1ꢀ22 GＨz，2ꢀ４7 GＨz，3ꢀ61 GＨz 和 5ꢀ60 GＨz 时，相对带宽为 25ꢀ7%(1ꢀ12 GＨz ~ 1ꢀ４5 GＨz)、
25ꢀ3%(2ꢀ2４ GＨz~2ꢀ89 GＨz)、15ꢀ7%(3ꢀ４0 GＨz~3ꢀ98 GＨz)以及 13ꢀ6%(5ꢀ21 GＨz~5ꢀ97GＨz)。 仿真与实测结果显示，该天线的
工作频段数量更多且相对带宽更高，在各工作频段内具有良好的全向辐射特性。
关键词:
无线通信系统;物联网通信;微带天线;多频段;阻抗带宽
ꢀ
ꢀ
ꢀ
中图分类号:TN823
文献标识码:A
文章编号:1005 9490(2017)06 1393 05
当前，无线通信正处于高速发展阶段。 微带天
线具有简单、低剖面以及低成本等特点，此外，微带
天线易于制造安装，与微波集成电路的兼容性好，因
而得到了广泛的应用，如军事领域、专业开发领域以
及民用领域等。 由于其在复杂设备中的商业应用不
多技术被提出并用来减小尺寸以及增加相对带宽，比
－
如各种 U 形微带天线［４ 5］ 。 传统的 U 形微带天线天
线尺寸非常大，只能接收到单一频段。 目前，许多研
究开始致力于 U 形多频段天线［6］ 。 文献［7］设计的
天线中有两个 U 形和一个桥接器，能够覆盖 3 个频
带，可运用于无线城域网，但是这种天线尺寸很大。
文献［8］提出了一种平面五频段天线，可运用于车载
通讯，但是这种天线覆盖的相对带宽非常低，仅为
2%~3%。 文献［9］ 提出了一种圆极化 U 形贴片天
线，其相对带宽较高(大约为 20%)，但是工作频段只
有 2 个。 文献［10］提出了一种可满足物联网通信需
求的 3 频段微带天线，但是其阻抗带宽不高。
－
断增多，新要求不断出现［1 3］ ，这也使其成为科研人
员与工程师研究的热门课题。 随着物联网技术的不
断推广，单频段通信系统已无法满足实际应用的要
求，当前的无线通信系统常常需要同时满足多个通
信技术标准，即要求能同时工作在多个频段上，如射
频识别、全球定位系统和无线局域网。
随着无线通信系统的发展，紧凑型、宽频带和多
频段天线成为最有前景的研究设计方向。 相应地，许
基于上述原因，本文提出了一种适用于物联网
－ －
项目来源:四川省教育厅科研项目(SCYG2015 2 12)
－－
－
－
－
收稿日期:2016 11 02
修改日期:2017 01 0４
万方数据
电
子
器
件
第 ４0 卷
139４
=
多频段通信的矩形微带单极天线，该矩形微带天线
由一个带两个 U 形槽的矩形贴片和一个带两个长
方形槽的接地面组成。 当该天线的谐振频率分别为
1ꢀ22 GＨz，2ꢀ４7 GＨz，3ꢀ61 GＨz 和 5ꢀ60 GＨz 时，其相
对带宽为 25ꢀ7%(1ꢀ12 GＨz~1ꢀ４5 GＨz)、25ꢀ3%(2ꢀ2４
GＨz~2ꢀ89 GＨz)、15ꢀ7%(3ꢀ４0 GＨz~3ꢀ98 GＨz)以及
13ꢀ6%(5ꢀ21 GＨz ~ 5ꢀ97 GＨz)，可以适用于 RFID/
GPS / WiMAＸ/ WＬAN 通信系统。 在频段 1 和频段 ４
增益变化较大，在频段 2 和频段 3 增益变化较稳定，
在 5ꢀ97 GＨz 时获得最大增益 8ꢀ98 dBi。 相比现有的
天线，提出天线的工作频段更多，覆盖了 ４ 个频段，
且尺寸较小。 该天线应用 ＨFSS 软件完成设计并进
行了实物制作，天线在各工作频段内具有良好的全
向辐射特性。 实测和仿真结果基本吻合，从而验证
了这种设计方法的有效性。
常数 εr ４ꢀ４、介质损耗为 0ꢀ02、厚度为 1 mm 的 FR４
×
的介质板上，尺寸为 71 mm 52 mm。 U 形槽之间的
矩形槽用于连接两个 U 形槽。 接地面尺寸为 71
×
×
mm 12 mm，切槽部分规格为 15 mm 2 mm。 天线
由微带线馈入，其宽度为 2ꢀ5 mm，长度为 15 mm。
天线的全部具体尺寸如表 1 所示。
1 天线设计与结构
图 2 提出天线的背面图
表 1 提出的天线的尺寸
在天线的设计过程中需要分析天线的有效电长
度。 也就是说，首先根据贴片微带线长度与相应馈
电带线长度之和，即天线有效电长度，计算出辐射单
元的初始长度，才能根据电磁仿真软件对参数进一
参数
Ls
尺寸/ mm
参数
Ux1
Uy1
Ll
尺寸/ mm
52
71
32
51
32
27
20
19.5
15
Ws
LP
步优化。 而天线的有效电长度的计算公式如下［10］
:
c
WP
Ux
Wl
2.5
2
=
Leff
(1)
Ut
2fres εeff
Uy
C
４ꢀ3
1/ 2
＋
－
1
1 εr εr
10h
æ
è
ö
ø
=
＋
＋
εeff
1
(2)
该天线应用 ＨFSSv13 软件作参数分析以完成
设计。 通过在接地面中开出两个矩形槽，我们减小
了接地面的尺寸，回波损耗得以改善，因为阻抗带宽
增加了。 然后，在矩形贴片开出两个 U 形槽获得 3
个频段，通过连接这些 U 形槽得到了 ４ 个频段。
天线设计过程中各种参数所对应的回波损耗特
性如图 3 和图 ４ 所示，当我们将两个 U 形槽切入矩
形贴片并且将 U 形槽与矩形槽连接的时候，得到了
更好的结果。 图 3 显示了一个 U 形槽，不连接的两
个 U 形槽，连接的两个 U 形槽，接地面无开槽情况
下的回波损耗曲线。 当接地面没有开槽时候，产生
更差的结果。 贴片开一个 U 形槽只覆盖一个频段，
2
2
W
式中:Leff 表示天线有效辐射电长度，单位为 mm;fres
表示谐振频率，单位 GＨz;εeff 为有效介电常数;c 是
真空中的光速;h 和 W 分别是介质板厚度和超小 A
型(SMA)接头处微带线的宽度，单位 mm。
图 1 与图 2 分别显示了本文设计天线结构的正
面图与背面图，天线由带两个 U 形槽的矩形贴片
(两个 U 形槽由一个小矩形槽相连) 和一个带两个
矩形槽的平接地面组成。 该天线被印制在相对介电
图 1 本文提出天线的正面图
图 3 天线的设计过程及对应的回波损耗特性
万方数据
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