天线adsl原理

浙江理工大学学报(自然科学版),第33卷,第4期,2015年7月JournalofZhejiangSci-TechUniversity(NaturalSciences)Vol.
33,No.
4,Jul.
2015文章编号:1673-3851(2015)04-0543-04收稿日期:2014-09-29基金项目:国家自然科学基金项目(1104688-A);浙江省教育厅项目(13036068-F)作者简介:杨俊秀(1976-),女,河南开封人,硕士,主要从事电磁场理论及射频通信方面的研究.
通信作者:赵文来,E-mail:zhwlai@126.
com一种宽带平面单极子天线设计杨俊秀,赵文来,李霖(浙江理工大学信息学院,杭州310018)摘要:设计了一种介质基板尺寸为80.
0mm*70.
0mm*1.
6mm,材料是相对介电常数为4.
4的FR4的宽带微带天线.
基于软件HFSS对天线进行仿真,结果表明:天线工作带宽可达到0.
79~2.
81GHz(回波损耗dB(S(1,1))≤-10dB,驻波比VSWR≤2),相对带宽达112%,覆盖GSM900、CDMA800、DCS1800及PCS1900通信波段,同时包含无线局域网WLAN2.
45GHz波段,在工作频段内具有良好的辐射方向性和增益,可用于手机信号屏蔽仪天线设计.
结果同时表明接地面尺寸比辐射贴片尺寸改变对天线带宽的影响大.
关键词:反射损耗;超宽带;单极子天线;HFSS;驻波比中图分类号:TN82文献标志码:A0引言手机信号屏蔽仪能实现人为的破坏或限制移动网络,"切断"基站与手机的通信,防止如情报窃取、泄露机密、考试作弊等事件的发生.
商用手机屏蔽仪覆盖GSM900、CDMA800、DCS1800及PCS1900波段,靠四幅天线完成,每个波段对应一副天线,在屏蔽仪有限的结构内设置多幅天线,硬件成本及体积增大,且操作繁琐;同时各辐射功率相互叠加,造成不必要的电磁污染[1-2].
借鉴超宽带天线的设计思路及实现方法,设计了一款微带天线,仿真结果表明天线覆盖GSM900、CDMA800、DCS1800及PCS1900波段,同时包含了无线局域网WLAN波段,且比较了贴片尺寸及接地面尺寸改变对天线带宽的影响[3-4].
1天线结构超宽带天线作为超宽带通信的关键技术之一,其设计和研究成为通信领域的一个研究热点,国内外许多天线设计者尝试了多种不同的结构和技术.
拓宽天线工作带宽的传统方法有:增加介质基板厚度、增大贴片长宽比、降低天线等效损耗电阻等,但上述方法在拓宽天线工作带宽的效果有限;通过辐射贴片或接地板尺寸采用新型结构也可以展宽天线工作频带,曾有人通过在阶梯状天线和切角处插入"倒π"枝节,或将接地板结构设计成方形槽和切掉贴片两角而形成阶梯等拓宽天线工作频带,有学者采用倒"H"贴片展宽天线带宽[5];还有通过采用附加寄生贴片或附加阻抗匹配网络扩展频带,由于结构复杂或与其它指标矛盾,不常用;大多研究者通过在辐射贴片或接地板上开缝或槽展宽天线带宽[5-8],在不同位置开不同外形的槽等效于引入了阻抗匹配元器件,改变了天线原有的阻抗特性,从而有效拓宽频带,金属单元开槽后,改变了电流分布,路径的加长而诞生了新频率的谐振点,使天线带宽拓宽.
借鉴超宽带天线通过开缝或槽,使得电流路径改变,阻抗渐变展宽带宽的实现方法,文献[4]作者基于HFSS设计并制作了一款微带馈电的平面单极子天线,该天线主辐射部分由六边形辐射贴片构成,且两底端形成阻抗阶梯形结构,并在接地面顶端加入对称的分形结构,实际测试结果表明该天线频带宽度达到3.
0~13.
1GHz(dB(S(1,1))≤-10dB),相对带宽达125%,达到超宽带天线的范围(3.
1~10.
6GHz).
基于相同设计思想,以对称梯形贴片和矩形地板结构的平面单极子天线为原型,基板材料为聚四氟乙烯FR4,相对介电常数为4.
4,厚度为1.
6mm,对于单极子天线,若采用正方形贴片,矩形地板,则贴片大小与低点谐振频率关系为:fL=72L+g+h.
其中:L为正方形贴片边长,g为贴片到接地板的间隙,取5mm;h为介质板厚度1.
6mm.
当下限频率为0.
8GHz时,则真空中L=83.
4mm,介质中L=83.
44.
4≈39mm;厚度为1.
60mm、宽度为2.
98mm的FR4微带线对应特性阻抗为50Ω,取W1=3mm;微带线在0.
8GHz时1/4介质波长对应的长度约为44.
7mm,即取L2=45mm.
则天线结构如图1所示,天线具体尺寸见表1[9-10].
图1天线结构表1天线尺寸1(mm)LWW1W2L1L2L3bch9070335394540241.
62分析与仿真设天线系统输入端口为1,由于天线与前端传输线特征阻抗不匹配会造成加到传输线的功率不能全部被天线吸收并辐射,S(1,1)即表征了系统入射端口的损耗,也称为反射损耗或回波损耗,分贝表示为dB(S(1,1))=201gS(1,1),通过仿真软件HFSS对图1中结构的天线进行了仿真,回波损耗结果如图2所示[8-11].
由图2所示满足dB(S(1,1))≤-10dB频率范围为0.
64~2.
33GHz,为使频带内包含2.
45GHz,需将频带上移,为此,缩减天线尺寸优化如下图3所示.
图2dB(S(1,1)随频率的变化曲线图3不同L1对应的dB(S(1,1)曲线为兼顾天线尺寸与带宽,优化天线结构如下表2所示,回波损耗如图4所示,驻波比如图5所示.
表2天线尺寸2(mm)LWW1W2L1L2L3bch8070325294540241.
6图4dB(S(1,1)随频率的变化曲线图5驻波比随频率的变化曲线445浙江理工大学学报2015年第33卷由图4、图5及标识点可看出,满足dB(S(1,1))≤-10dB且驻波比VSWR≤2的频率范围为0.
79~2.
81GHz,相对带宽达112%,大大拓展了微带天线带宽,且覆盖GSM900、CDMA800、DCS1800及PCS1900通信波段,同时包含了无线局域网WLAN波段2.
45GHz.
为了解其空间辐射方向性,仿真其E面及H面的辐射方向图及三维辐射方向图分别如下图6所示.
图6辐射增益方向图天线辐射表面电流分布如下图7所示.
图7天线表面电流分布由图7可看出,辐射贴片切角处电流分布较小,下面观察贴片形状完整时各参数随频率的变化,以比较贴片尺寸对天线的影响,修改天线结构,尺寸如下表3所示.
表3天线尺寸3(mm)LWW1W2L1L2L3bch8070325294540001.
6通过仿真软件HFSS对表3中结构的天线进行仿真,回波损耗仿真结果如图8所示,驻波比结果如图9所示.
图8dB(S(1,1)随频率的变化曲线图9驻波比随频率的变化曲线由图8图9及标识点可看出,辐射贴片完整时满足dB(S(1,1))≤-10dB且驻波比VSWR≤2的频率范围为0.
79~2.
77GHz,相对带宽达111%,同样覆盖GSM900、CDMA800、DCS1800及PCS1900通信波段,且包含了无线局域网WLAN波段2.
45GHz.
比较图3、图4可知,辐射贴片切除顶端某确定尺寸时,天线带宽稍微扩展,但影响不大.
同时,贴片完整时天线在E面及H面的辐射方向图及贴片电流分布分别如下图10、图11所示.
图10xz面和yz截面上的增益方向图545第4期杨俊秀等:一种宽带平面单极子天线设计图11天线表面电流分布由图10可看出,辐射贴片完整及切角对辐射方向图及贴片电流一样影响较小.
下面比较贴片形状完整且接地平面完整时各参数随频率的变化曲线,修改天线尺寸如下表4所示.
表4天线尺寸4(mm)LWW1W2L1L2L3bch8070325294580001.
6通过仿真软件HFSS对表4中结构的天线进行仿真,回波损耗仿真结果如图12所示,平面辐射方向图如图13所示.
图12dB(S(1,1)随频率的变化曲线图13xz面和yz截面上的增益方向图由图12可看出,对应表4尺寸的天线无法实现有效辐射,且对照图13及图10可知辐射方向图也大大变样,表明接地面尺寸改变对天线辐射特性的影响较大,而天线结构贴片尺寸改变对天线带宽的影响不及天线接地面尺寸结构影响大.
3结语商用手机屏蔽仪覆盖GSM900、CDMA800、DCS1800及PCS1900波段,靠四幅天线完成,每个波段对应一副天线.
借鉴超宽带天线的设计思路,基于HFSS设计了一款回波损耗dB(S(1,1))≤-10dB时带宽为0.
79~2.
81GHz的宽带微带天线,仿真结果表明该天线频带内驻波比VSWR≤2,相对带宽达112%,覆盖GSM900、CDMA800、DCS1800及PCS1900通信波段,且包含了WLAN波段2.
45GHz.
同时表明辐射贴片顶端切角对天线带宽的影响不及天线接地面尺寸压缩对带宽的影响大.
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