一种具有WiMAXWLAN频段双陷波功能的讲解.docx
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一种具有WiMAXWLAN频段双陷波功能的讲解
一种具有WiMAX/WLAN频段双陷波功能的
共面波导馈电超宽带天线
郭林黄风义*唐旭升
（东南大学信息科学与工程学院，南京210096）
摘要：
本文提出一种适用于超宽带（UWB）无线通信系统的共面波导馈电超宽带天线。
通过在圆形贴片上开两个嵌套的C形槽，可以实现在WiMAX和WLAN系统的工作频段的陷波功能。
采用电磁场仿真软件AnsoftHFSS10对所设计的天线进行仿真，天线具有很宽的阻抗带宽，在3-11GHz范围以内，两个陷波频带3.1-3.6GHz和5.15-5.85GHz以外，具有良好的全向辐射性能，回波损耗优于-15dB。
天线适用于多种UWB无线通信系统。
关键词：
超宽带天线，共面波导馈电的平面圆形单极子超宽带天线，C型槽，双陷波特性
ACPW-fedPlanarUltra-widebandAntennawithWiMAX/WLANDualband-NotchedCharacteristics
GuoLinHuangFengyi*TangXusheng
（SchoolofInformationScienceandEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096）
Abstract:
Thispaperpresentsacoplanarwaveguide（CPW）fedplanarcircularmonopoleantennasuitableforultra-wideband（UWB）wirelesscommunicationsystems.ByetchingtwonestedC-shapedslotsinthecircularpatch,band-rejectedfilteringpropertiesintheWiMAX/WLANbandsareachieved.SimulationbythefullwaveelectromagneticsimulatorAnsoftHFSS10,theproposedantennahaswideimpedancebandwidthfrom3GHzto11GHzwithbetterthan-15dBreturnlossandanomni-directionalradiationpattern,excludingdualnotchedbandin3.1-3.6GHzand5.15-5.85GHz.TheproposedantennaisexpectedtobeagoodcandidateinvariousUWBsystems.
Keywords:
UWBantenna,CPWfedplanarcircularmonopoleantenna,C-shapedslots,dualband-notchedcharacteristics.
1引言
随着无线通信系统的应用越来越广，超宽带（UWB）无线通信技术受到了更多关注。
超宽带技术具有体积小，传输速率高，功耗低，抗多径衰落，便于加密等优点。
显而易见，消费电子产业和个人计算机产业在未来将更多地利用超宽带技术来传输数据和多媒体信号[1]。
超宽带技术通常是指通信系统传输信号时占用很宽的带宽。
几十年来，这种技术一直应用在军事上。
2002年1月14日，美国联邦通信委员会将3.1-10.6GHz频带范围划为免许可证的超宽带应用，超宽带（UWB）系统的设计和应用成为了无线通讯领域激烈竞争的焦点[2]。
作为超宽带系统的重要组成部分，超宽带天线需要工作在3.1-10.6GHz频带范围之内。
超宽带天线设计的关键问题有：
在很宽的频带（3.1-10.6GHz）内进行阻抗匹配，具有稳定的增益和良好的辐射方向特性，并要求天线具有紧凑的结构和低廉的制造成本。
近年来，具有工艺简单、体积小、重量轻、加工成本低和便于集成等优点的平面单极子天线成为了超宽带天线领域的研究热点[3]。
在超宽带系统指定的频段内已经存在着一些窄带系统，例如在欧洲和美国被分配用于无线局域网（WLAN）服务的HIPERLAN/2频带（5.15-5.35GHz,5.470-5.725GHz）和IEEE802.11a频带（5.15-5.35GHz,5.725-5.825GHz），以及在一些欧洲和亚洲国家用于WiMAX服务的3.3-3.6GHz频带都工作在UWB频带内[4]。
这些系统的信号会对超宽带通信产生干扰。
在一些应用中，引入了滤波器以抑制这些窄带系统的干扰，这样就增加了超宽带系统的成本和复杂性。
一种简单而有效的方法就是使超宽带天线在WiMAX和WLAN的频段内均呈现较大的发射系数，即具有双陷波功能。
近年来，出现了一些具有陷波功能的超宽带天线[5]。
设计具有陷波功能的超宽带天线的方法有很多，最常用的是在辐射贴片或接地面上开槽的方法。
本文首先提出了一种共面波导馈电的平面圆形单极子天线。
这种天线有很宽的阻抗带宽和很好的全向辐射特性。
通过在圆形辐射贴片上开两个嵌套的C形槽，可以实现在WiMAX和WLAN系统的工作频段的双陷波功能，以抑制UWB通信系统和这两种系统之间的干扰。
2天线设计
没有开C形槽的共面波导馈电圆形单极子天线如图1所示，记为天线I。
其主要辐射单元是一个半径为10mm的圆形贴片。
共面波导传输线具有50
图1共面波导馈电圆形单极子天线
特性阻抗，与接地面间隔0.25mm,传输线宽度1.04mm。
共面波导传输线长度25mm。
靠近下缘的矩形贴片为接地面,它与圆形贴片及共面波导传输线都印制于材料为RogersRT/duroid6006，相对介电常数r=6.15，介质损耗角正切tan=0.0019，厚度H为2.54mm的介质基板的同一侧。
天线结构参数如表1所示。
表1共面波导馈电圆形单极子天线结构参数
对象名
值
W（mm）
42
L（mm）
25
Wd（mm）
20.23
Wr（mm）
1.04
d（mm）
6
h（mm）
0.35
g（mm）
0.25
H（mm）
2.54
参考文献[6]中的讨论，通过在辐射贴片上开C形槽的方法，可以实现带阻滤波的功能。
开槽实现陷波特性的基本原理是在天线结构中引入半波长的谐振结构，当调整C形槽的总长约为需要抑制频率的半波长时，在该频率及其附近输入阻抗异常，阻抗失配。
据此设计出的具有双陷波功能的天线如图2和图3所示，记为天线II。
C形槽的结构参数如表2所示。
在天线的辐射贴片上开了两个嵌套的C形槽，以实现在WiMAX和WLAN系统工作频段的双陷波功能。
图2带C形槽的共面波导馈电圆形单极子天线
图3C形槽的结构
表2C形槽的结构参数
对象名
值
L1（mm）
8.4
G1（mm）
3.8
S1（mm）
3
T1（mm）
0.4
L2（mm）
6.6
G2（mm）
2
S2（mm）
2.6
T2（mm）
0.24
3天线仿真结果
采用电磁场仿真软件AnsoftHFSS10对天线I和天线II进行仿真，仿真结果如图4-图8所示。
（a）
（b）
图4天线阻抗的（a）实部（b）虚部，这里Zt代表
天线I，Zi代表天线II
从图4中可以看出，天线的输入阻抗在整个UWB频段（3.1-10.6GHz）的大部分地方均接近50。
但是天线II的输入阻抗在3.1-3.6GHz和5.15-5.85GHz的频带范围内产生了突变，阻抗失配从而得到陷波功能。
图5天线的S参数，这里St11代表天线I，Si11代表天线II
如图5和图6所示，天线的回波损耗优于-15dB，电压驻波比低于1.5。
而天线II的仿真结果在3.1-3.6GHz和5.15-5.85GHz的频带范围内出现了尖峰，说明天线在这两个频段上具有良好的陷波特性，完全满足了设计目标。
图6天线的电压驻波比（VSWR），这里VSWRt代表天线I，VSWRi代表天线II
图7天线I在3.6GHz的辐射方向图
（a）
（b）
（c）
图8天线II在（a）7.2GHz（b）3.4GHz（c）5.4GHz的辐射方向图
如图7和图8所示，本文所设计的天线具有良好的全向辐射特性和大于1.5dB的增益。
而且在所设计的陷波频段，天线增益低于-1dB。
4结论
本文提出了一种具有双陷波功能的共面波导馈电的平面圆形单极子超宽带天线。
并采用电磁场仿真软件AnsoftHFSS10对天线进行仿真。
天线具有很宽的阻抗带宽，回波损耗优于-15dB，电压驻波比低于1.5，且具有良好的全向辐射特性。
通过在天线的辐射贴片上开两个嵌套的C形槽的方法，天线具有了在3.1-3.6GHz和5.15-5.85GHz的频带范围内的带阻滤波功能，从而可以抑制WiMAX和WLAN系统对UWB系统的干扰。
非常适合应用于各种UWB通信系统。
参考文献
[1]AnpingZhaoandJussiRahola,“Compactprintedpatchandbent-patchmonopoleUltra-Wideband（UWB）antennasformobileterminals,”AntennasandPropagationInternationalSymposium,pp.5135–5138,June2007.
[2]ZhiNingChen,“UWBantennas:
Designandapplication,”Information,Communications&SignalProcessing,pp.1-5,Dec2007.
[3]T.WEIandZR.HU,“ACWPfedcircularmonopoleantennaforultrawidebandwirelesscommunications”[C].IEEEAntennasandPropagationSocietyInternationalSymposium,Vol.3A,pp.528-531,Jul.2005.
[4]KihunChang,HyungrakKim,andYoungJoongYoon,“Multi-resonanceUWBantennawithimprovedbandnotchcharacteristics,”AntennasandPropagation,pp.3063–3068,Sept.2008.
[5]YanZhang,WeiHong,ChenYu,Zhen-QiKuai,Yu-DanDon,andJian-YiZhou,“PlanarUltrawidebandAntennasWithMultipleNotchedBandsBasedonEtchedSlotsonthePatchand/orSplitRingResonatorsontheFeedLine,”[J].RadioScienceJournalofResearchNBS/USNC-URSI,1964,68D
（1）:
27~33.
[6]Q.X.ChuandY.Y.Yang,“ACompactPlanarUltra-WidebandAntennawithNotchCharacteristics,”[J].JournalofSouthChinaUniversityofTechnology（NaturalScienceEdition）,Vol.36,No.9,pp.77-80,Sep.2008.
作者简介：
郭林，男，博士，主要研究领域为微波电路、天线等。
黄风义，男，教授、博士生导师，主要研究领域为射频微波集成电路的芯片设计、器件、工艺、模型等。
唐旭升，男，博士，主要研究领域为集成电路、宽带无线通信等。
一种922MHz平面倒F型标签天线
潘雯冯全源
（西南交通大学信息科学与技术学院，成都610031）
摘要：
本文针对射频识别系统（RFID）标签天线的设计要求，设计了一种基于平面倒F型结构的标签天线。
对称的结构设计对标签芯片形成了平衡馈电使标签天线在金属材料表面也能保持较好的工作性能，匹配负载网络在实现天线谐振频率调节的同时增强天线的回波损耗和增益性能。
本文使用HFSS软件仿真，结果表明此标签能很好的工作在922MHz频率上，具有60MHz的带宽，最大回波损耗值达到-28dB。
关键词：
射频识别，标签天线，平面倒F天线
DesignandAnalysisForakindofInverted-FRFIDtagantenna
PanWenFengQuanyuan
（SchoolofInformationScience&Technology,SouthwestJiaoTongUniversityofChina,Chengdu610031）
Abstract:
Thispaperdesignsakindoftagantennabasedoninverted-FantennatomeettheneedsoftagantennausedinRFID（Radiofrequencyofidentification）system.Forthesymmetricalstructuregivessymmetricalpowersupplytothemicrochip,theproposedantennashowsacceptableperformancevariationwhenattachedonmetallicsurface.Theloopimpedance-matchingadjuststheoperatingfrequencyandincreasesthereturelossandgainoftagantenna.ThesimulationresultsofsoftwareHFSSshowthatthistagantennaoperateswellat922MHzwithabandwidthof60MHzandthemaximumreturnlosscanreach-28dB.
Keywords:
RFID（Radiofrequencyofidentification）,tagantenna,plannarinverted-Fantenna
1引言
随着微电子技术迅猛发展，射频识别技术（RFID）已经渗透到生产，销售，流通等各领域，有着广阔的应用前景。
目前RFID系统主要有两种工作模式。
一种是适于低频和高频（如6.78MHz,13.56MHz）的感应耦合模式，也称近场工作模式。
另一种是超高频和微波波段（860～960MHz,2.4GHz）的反向散射模式也称远场工作模式是目前研究的热点。
RFID系统主要由读写器，标签和中间件构成[1][2]。
其中标签由集成芯片和天线组成，反向散射模式通过改变标签天线等效负载把芯片中存储的信息调制到反射信号的振幅上，这种模式决定了天线工作过程中天线谐振频率必然有漂移所以较宽的工作频带才能保证天线能够很好的与芯片共轭匹配从而将从阅读器发射的电磁场中转化来的能量最大限度的供给芯片。
此外实际应用还要求天线的尺寸小，增益高，具有全向性以及附着在不同材料物品上能保持较好工作性能。
本文设计了一种工作在922MHz基于倒F型结构的标签天线。
通过匹配负载获得较高增益和宽频带特性，平衡馈电结构保证其贴敷在金属表面的工作性能。
选用输入阻抗值为6.2-j127Ω的芯片（ALN-9338-R）。
HFSS软件仿真结果显示这种标签天线结构的各项性能均达到设计要求。
2天线结构和性能分析
基本的平面倒F型天线（PIFA）包括矩形贴片，接地板和短路带，具有体积小，增益高，剖面低，带宽相对较宽的特点[3][4]。
图1平衡馈电倒F天线的平面结构
当金属物质靠近标签天线时，由于电磁感应作用，其接地板会产生涡流，吸收的射频能量转换为自身的电场能导致原有射频场强的总能量下降。
同时涡流又有自身的感生磁场，该磁场的磁力线与金属表面垂直，且方向与射频场强相反对原磁场的阻碍效果使得射频场强的分布在金属表面发生“变形”，磁力线在金属表面时候几近平行，贴在或靠近金属表面的标签由于无法“切割”磁感线而不能获得激活自身电路的射频能量。
使天线不能正常工作。
本文提出的微带天线结构如图1所示，采用2片关于中心轴对称的倒F天线，该结构对称轴也是贴片天线的奇模对称轴等效于虚地短路，形成一种平衡馈电结构[5]。
相对于单个倒F天线由辐射贴片和接地板构成的不平衡馈电结构，平衡馈电可以有效的改善金属材料对标签天线的影响。
两条连接辐射贴片与芯片的对称传输线起到调节天线输入阻抗达到和芯片阻抗共轭匹配的作用。
该天线结构采用FR4（
=4.4）基片厚度1.5mm,尺寸为80mm×40mm。
天线各部分参数如表1所列。
表1天线的平面结构参数（单位mm）
W1
W2
W3
W4
h1
h2
h3
80
22
38.5
3.3
40
20
18
调整短路带宽度w4可以改变辐射源表面电流的有效路径长度从而调整天线的谐振频率，w4越宽电流路径越短，谐振频率越高，w4越窄谐振频率越低。
调整w2即调整用于匹配的传输线宽可以有效的调整天线的谐振频率，w2越宽频率越高，越窄频率越低。
同样可以由改变面电流有效路径原理解释同时w2改变匹配传输线的特性阻抗值以及因传输线不连续性引入的寄生电抗值从而达到调整工作频率的作用[6][7]。
用HFSS软件仿真w2从20.5mm到23.5mm变化情况,谐振频率从860MHz变化到960MHz,回波损耗（returnloss）特性曲线变化如图2。
选择w2为21.5mm谐振频率为920MHz,此时回波损耗为-23dB。
天线输入阻抗特性如图3。
图2天线谐振频率随w2变化情况
图3天线输入阻抗特性曲线
3加载环形结构的倒F天线结构
上述天线结构通过改变w2或w4来调整工作频率会使天线增益减小且不易做到对谐振频率做细微的调整。
通过加载一条窄的贴片，构成环形匹配负载网络，通过调整环形的大小和加载贴片的宽度可以改变天线谐振频率并有效增加增益。
结构如图4所示。
图4加载环形匹配负载的倒F天线结构
芯片的输入阻抗显示高容性，因此标签天线输入阻抗应是感性的才能与之共轭匹配，环形负载的匹配结构是等效于电感耦合的匹配网络[8]，等效电路如图5所示。
图5匹配网络等效电路图
耦合系数为M可以通过调整h4以及窄贴片宽度来调整[5]。
芯片输入端阻抗
（电感L），环路匹配网阻抗值
，天线输入阻抗
，则有：
其中
于是可得
；
调整h4和加载的窄贴片宽度可以改变耦合系数M及环形匹配网络的电感值从而改变芯片输入端阻抗值。
h4增大谐振频率降低。
HFSS仿真回波损耗对于h4从33mm到34.5mm的变化情况如图6。
回波损耗对于加载窄贴片宽度从0.5mm到1.5mm的变化情况如图7。
图6回波损耗对于h4的变化曲线
图7回波损耗对于窄贴片宽度的变化曲线
最终选择最优的匹配网络参数加载窄贴片宽度0.5mm，h4为34.5mm。
回波损耗和阻抗特性如图8，图9。
通过加载环形匹配网络实现微调谐振频率到922MHz时使增益从原来的-23dB提高到-28dB。
回波损耗小于-3dB的频带宽度有60MHz。
通过HFSS软件仿真在金属物质表面性能如图10。
回波损耗变化到-23dB，带宽基本不变，能很好的满足设计要求，在金属材料表面保持各工作参数的性能。
图8回波损耗的性能
图9天线输入阻抗特性曲线
图10贴敷在金属表面与自由空间回波损耗特能曲线比较
4结论
本文设计了一种基于倒F型结构的超高频标签天线。
使用HFSS软件进行了一系列仿真，调节该结构的几个重要敏感参数可使天线工作在所需频段并能够在金属物质表面保持良好的工作性能。
通过加载环形匹配负载实现微调天线谐振频率在922MHz的同时使回波损耗值达到-28dB，工作带宽达到60MHz的宽频特性，基本满足RFID标签天线的设计需求。
参考文献
[1]FinkenzellerKlaus.RFIDHandbook[M].London:
Wiley,1999
[2]FinkenzellerKlaus.射频识别（RFID）技术:
无线电感应的应答器和非接触Ic卡的原理与应用[M].北京:
电子工业出版社,2001
[3]赖晓铮,刘焕彬,张瑞娜,等.一种平面倒F纸基RFID标签天线[J].东南大学学报:
自然科学版,2008,38（3）:
3762379.
[4]H.HarukiandA.Kobayashi,“TheInverted-FAntennaforPortableRadioUnits,”Conv.Rec.IECEofJapan（inJapanese）,March1982,p.613.
[5]刘志飞，王玲.多应用环境下超高频RFID标签天线设计.工程设计学报2008年2月:
第15卷第1期
[6]G.Dubost,“ShortorOpen-CircuitedDipoleParalleltoPerfectReflectorPlaneandEmbeddedinSubstrateandActingatResonance,Electron.Lett,Vol.17,No.24,November1981,pp.914-916.
[7]清华大学微带电路编写组.微带电路。
人民邮电出版社.1976.
[8]GaetanoMarrocco.TheArtofUHFRFIDAntennaDesign:
Impedance-MatchingandSize-ReductionTechniques。
IEEEAntennasandPropagationMagazine,Vol.50,No.1,February2008.
作者简介：
潘雯，女，硕士研究生，主要研究领域为标签天线，移动天线等。
冯全源，男，教授、博士生导师，主研国家自然科学基金重点项目“自动跟踪同步通信卫星平板相控天线阵”获四川省科技进步一等奖。
研究领域为集成电路设计，RFID技术，嵌入式系统，移动天线与智能天线系统，微波及毫米波技术，自适应信息处理，微波器件及材料等。
一种新型并馈高增益全向微带天线
罗章杰陈星
（四川大学电子信息学院，成都610064）
摘要：
微带天线具有加工容易和价格低廉优势，但目前多数微带全向天线采用串馈形式，存在方向图主瓣指向随频率不稳定的缺陷。
本文设计了一种新型全向微带天线，它由刻蚀在
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