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适用于物联网多频段通信的矩形微带天线设计

更新时间：2019-12-21 16:10:13 大小：1M 上传用户：xiaohei1810查看TA发布的资源 标签：物联网 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

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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电 子 器 件  
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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