具有带阻特性的可穿戴超宽带单极子天线的研究
发布时间：2021-09-08 21:21
为降低窄带信号对超宽带的干扰,对具有带阻特性的超宽带天线进行了研究,提出了一种对WiMAX频段具有带阻特性的超宽带单极子天线.该天线采用了聚四氟乙烯玻璃纤维柔性材料作为介质基板,以铜作为辐射贴片和接地板材料,通过在天线的辐射贴片上刻蚀出开口谐振环,使得天线在3.25-3.9 GHz频段出现阻带,有效抑制了WiMAX无线通信（工作频段为3.3-3.7 GHz）窄带信号对超宽带的干扰.天线的整体尺寸为32 mm×40 mm×0.8 mm.仿真分析结果表明,天线带宽为2.7-12.3 GHz,阻带为3.25-3.9 GHz,实现了辐射方向图H面的全向特性和E面稳定性.通过建立人体组织模型,改变天线与人体的距离对天线工作特性进行对比分析,验证了可穿戴天线的可行性.
【文章来源】：南开大学学报(自然科学版). 2020,53(03)北大核心CSCD
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
具有带阻特性的超宽带单极子天线的几何结构图(单位,毫米)
图1 具有带阻特性的超宽带单极子天线的几何结构图(单位,毫米)设计了无矩形槽无切角、无矩形槽有切角、有矩形槽无切角和有矩形槽有切角的结构并对这4种情况进行了仿真对比分析.采用了对辐射单元的切角和对接地板开槽相结合来增加天线的有效带宽和降低回波损耗值,使得天线拥有良好的阻抗匹配.作为可穿戴天线需根据人体组织电磁参数建立人体组织模型[12],改变天线与人体之间的距离对天线的工作性能进行对比分析,验证可穿戴天线的可行性.
利用全波电磁仿真软件HFSS,对天线的无矩形槽无切角、无矩形槽有切角、有矩形槽无切角和有矩形槽有切角结构(图3(a-d))进行仿真比较.图4为4种天线结构全波仿真得到的回波损耗.(1)无矩形槽和切角时,天线的带宽为2.9-8.2 GHz,不符合设计目的及要求,也不能覆盖3.1-10.6 GHz的超宽带范围;(2)无矩形槽有切角时,天线的带宽为2.9-8.8 GHz和10.3-12.3GHz,不能覆盖3.1-10.6 GHz的超宽带要求范围;(3)有矩形槽无切角时,天线的带宽为2.7-8 GHz和9.6-11.3 GHz,不能覆盖3.1-10.6 GHz的超宽带要求范围;(4)同时有矩形槽和切角时,天线的带宽为2.7-12.3 GHz,符合设计目的及要求,能完全覆盖3.1-10.6 GHz的超宽带范围.可见,当天线同时有矩形槽和切角时,梯形的结构可以改变贴片上电流的分布特性,可以提高低频和中频,对高频有一定的影响.另外,在接地板开矩形槽可以改变接地板上电流的分布特性,可以提高天线的中高频.合理地调节切角和矩形槽尺寸就可以实现天线的设计要求.在2.7-12.3GHz,天线回波损耗均在-10 d B以下,在3、5.2、8和9.6 GHz频率附近甚至达到了-30、-42、-23和-30 d B,达到了良好的阻抗匹配.图5(a-c)为超宽带天线分别在3.5、6.5、9.5 GHz处的E面和H面的辐射方向图,实线代表E面,虚线代表H面.通过图5可以看出:在3.5、6.5、9.5 GHz处天线的E面辐射方向图皆为类似"8"字型,H面辐射方向图都呈现出全向的辐射特性,都具备良好的辐射增益.为了实现超宽带天线的带阻特性,在辐射单元刻蚀开口谐振环如图6(a)所示.其电压驻波比(VSWR)随频率的变化如图6(b)所示.刻蚀了开口谐振环影响了辐射单元和接地板的电磁耦合以及电流的路径,从而影响了天线Wi Max频段内的阻抗匹配.天线在除阻带外的有效带宽内的电压驻波比均小于2,达到良好的阻抗匹配.在3.25-3.9 GHz频段内,天线的电压驻波比均大于2,产生阻带,从而避免了Wi Max频段对UWB通信的干扰.对于天线的可穿戴性,图7(a)为天线与人体组织模型,皮肤、脂肪和肌肉的厚度分别为1、3和20 mm,改变天线与人体之间的距离h.图7(b)为不同距离h的情况下,天线的电压驻波比VSWR与频率的对应关系图.随着天线与人体组织距离的增大,人体组织对天线的工作性能的影响越来越小.在h=8 mm时,该天线除了在阻带频段外,还存在7、9 GHz附近的VSWR大于2,使得天线不能实现超宽带的特性.当h=9 mm时该天线除了阻带频段外,该天线的VSWR均小于2,使得天线达到良好的阻抗匹配.随着h的增大即h=10 mm时,天线的VSWR更小,受人体影响更小.
【参考文献】：
博士论文
[1]小型化可植入柔性射频天线研究[D]. 邱义杰.电子科技大学 2015
[2]可控带宽的陷波超宽带天线研究[D]. 杨光.华南理工大学 2012
[3]人体中心网络可穿戴天线及传播特性研究[D]. 刘宁.北京邮电大学 2012
本文编号：3391506
【文章来源】：南开大学学报(自然科学版). 2020,53(03)北大核心CSCD
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
具有带阻特性的超宽带单极子天线的几何结构图(单位,毫米)
图1 具有带阻特性的超宽带单极子天线的几何结构图(单位,毫米)设计了无矩形槽无切角、无矩形槽有切角、有矩形槽无切角和有矩形槽有切角的结构并对这4种情况进行了仿真对比分析.采用了对辐射单元的切角和对接地板开槽相结合来增加天线的有效带宽和降低回波损耗值,使得天线拥有良好的阻抗匹配.作为可穿戴天线需根据人体组织电磁参数建立人体组织模型[12],改变天线与人体之间的距离对天线的工作性能进行对比分析,验证可穿戴天线的可行性.
利用全波电磁仿真软件HFSS,对天线的无矩形槽无切角、无矩形槽有切角、有矩形槽无切角和有矩形槽有切角结构(图3(a-d))进行仿真比较.图4为4种天线结构全波仿真得到的回波损耗.(1)无矩形槽和切角时,天线的带宽为2.9-8.2 GHz,不符合设计目的及要求,也不能覆盖3.1-10.6 GHz的超宽带范围;(2)无矩形槽有切角时,天线的带宽为2.9-8.8 GHz和10.3-12.3GHz,不能覆盖3.1-10.6 GHz的超宽带要求范围;(3)有矩形槽无切角时,天线的带宽为2.7-8 GHz和9.6-11.3 GHz,不能覆盖3.1-10.6 GHz的超宽带要求范围;(4)同时有矩形槽和切角时,天线的带宽为2.7-12.3 GHz,符合设计目的及要求,能完全覆盖3.1-10.6 GHz的超宽带范围.可见,当天线同时有矩形槽和切角时,梯形的结构可以改变贴片上电流的分布特性,可以提高低频和中频,对高频有一定的影响.另外,在接地板开矩形槽可以改变接地板上电流的分布特性,可以提高天线的中高频.合理地调节切角和矩形槽尺寸就可以实现天线的设计要求.在2.7-12.3GHz,天线回波损耗均在-10 d B以下,在3、5.2、8和9.6 GHz频率附近甚至达到了-30、-42、-23和-30 d B,达到了良好的阻抗匹配.图5(a-c)为超宽带天线分别在3.5、6.5、9.5 GHz处的E面和H面的辐射方向图,实线代表E面,虚线代表H面.通过图5可以看出:在3.5、6.5、9.5 GHz处天线的E面辐射方向图皆为类似"8"字型,H面辐射方向图都呈现出全向的辐射特性,都具备良好的辐射增益.为了实现超宽带天线的带阻特性,在辐射单元刻蚀开口谐振环如图6(a)所示.其电压驻波比(VSWR)随频率的变化如图6(b)所示.刻蚀了开口谐振环影响了辐射单元和接地板的电磁耦合以及电流的路径,从而影响了天线Wi Max频段内的阻抗匹配.天线在除阻带外的有效带宽内的电压驻波比均小于2,达到良好的阻抗匹配.在3.25-3.9 GHz频段内,天线的电压驻波比均大于2,产生阻带,从而避免了Wi Max频段对UWB通信的干扰.对于天线的可穿戴性,图7(a)为天线与人体组织模型,皮肤、脂肪和肌肉的厚度分别为1、3和20 mm,改变天线与人体之间的距离h.图7(b)为不同距离h的情况下,天线的电压驻波比VSWR与频率的对应关系图.随着天线与人体组织距离的增大,人体组织对天线的工作性能的影响越来越小.在h=8 mm时,该天线除了在阻带频段外,还存在7、9 GHz附近的VSWR大于2,使得天线不能实现超宽带的特性.当h=9 mm时该天线除了阻带频段外,该天线的VSWR均小于2,使得天线达到良好的阻抗匹配.随着h的增大即h=10 mm时,天线的VSWR更小,受人体影响更小.
【参考文献】：
博士论文
[1]小型化可植入柔性射频天线研究[D]. 邱义杰.电子科技大学 2015
[2]可控带宽的陷波超宽带天线研究[D]. 杨光.华南理工大学 2012
[3]人体中心网络可穿戴天线及传播特性研究[D]. 刘宁.北京邮电大学 2012
本文编号：3391506
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