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适用于物联网多频段通信的矩形微带天线设计

摘要：在信息技术发展过程中，物联网通信技术成为促进各领域快速发展重要的载体。基于物联网通信技术，设计新型矩形微带单级天线，可以使物联网通信技术由单频状态转变为多频状态，利用多频段通信技术，进而衍生出其它技术，包括射频识别技术、无线局域网技术以及全球定位技术等。在设计多频段通信技术时，使用一个U形槽与两个长方形槽，在地面上发射出不同的品吨，从而性矩形微带频段网络，有效扩大通信范围。
关键词：物联网，多频段，通信，矩形，天线设计
基金项目：2016年校级重点学科平台项目：《移动通信中的小型MIMO天线设计研究（项目编号：2016WXYB005）》
一、天线设计与结构
进行矩形微带天线设计过程中，设计人员应首先考虑矩形微带天线的长度，然后根据实际情况，设计出用于工作的天线长度，以便提高矩形微带天线的应用价值。设计出适用于物联网多频段通信矩形微带天线，将有效长度作为设计的重点，要求设计人员确定馈电带线长度和微带线长度，馈电带线长度和微带线长度为有效长度，在有效长度的基础上，设计人员应计算辐射单元长度，综合有效长度和辐射单元长度，设计人员通过电磁仿真软件，进一步优化和调整有效长度和辐射单元长度。
设计人员使用电磁仿真软计算有效长度过程中，在软件内会设有计算公式，计算公式是由两个部分组成，第一个为Leffc/2fres√εeff，第二个为εeff=（1+εr）/2+（εr-1）/2·（1+10h/W）1/2。
在上述公式中，天线有效辐射电长度使用Leff表示，单位为毫米；谐振频率使用fres表示，单位为GHz；有效介电常数使用εeff表示；真空中的光速使用c表示；介质板厚度使用h表示，超小A型（SMA）接头处微带线的宽度使用W表示，单位为毫米。
根据上述公式设计矩形微带天线的结构，矩形微带天线结构是由两个部分组成，一个是矩形微带天线的正面图，另一个是矩形微带天线的背面图。矩形微带天线的正面图和背面图，组成构件包括U形槽和矩形槽，其中U形槽数量为两个，矩形槽是由两个小型矩形槽组成。两个U形槽和两个小型矩形槽连接在地面上，作为固定装置，设计人员按照计算结果，分别在正面和背面进行结构组装。
通过计算矩形微带天线正面结构参数如下，Ls为52毫米，Ws为71毫米，LP为32毫米，WP为51毫米，Ux为32毫米，Uy为27毫米，矩形微带天线背面结构参数如下，Ux1为20毫米，Uy1为19.5毫米，L1为15毫米，W1为2.5毫米，Ut为2毫米，C为4.3毫米。
上述数据在计算过程中，设定计算参数如下，一是介电常数εr为4.4，二是介质耗损常数为0.02、三是FR4介质板厚度为1毫米，四是介质板规格为71×52毫米。
在U形槽和矩形槽连接过程中，设定在接地部位U形槽的尺寸为71×12毫米，在切槽部位的尺寸为15×2毫米。矩形微带天线的馈入宽度设定为2.5毫米，长度设定为15毫米。
矩形微带天线设计过程中，利用电磁仿真软件设定参数，按照参数设计人员在地面上设定矩形槽的连接口，一般设定两个连接口，通过连接口既能增加阻抗，还能减少回波过程中产生的损耗。在设定的两个连接口安装矩形贴片，即可通过安装的矩形微带天线获得四个频段。
在天线设计过程中，深入分析对应的回波损耗特性，需要设计人员根据产生的参数，检测不同参数产生的回波损耗特性。设计人员使用矩形贴片镶嵌在两个U形槽内，在对比产生的回波损耗特性时，该中连接方式获得良好的回波损耗特性，并且产生的回波的损耗较低。在使用一个U形槽连接矩形贴片时，在地面开设一个地槽的情况下，回波损耗变化较大。如果未能在地面开设两个地槽，矩形贴片只能产生一个频段，并且产生的回波损耗要大于其它连接方式。在地面开设一个地槽时，可以有效控制矩形微带天线产生的回波损耗，如果在地面增加一个地槽，在原有产生的一个射频段基础上，会增设出至少三个射频段。设计人员将地面开设的两个地槽进行连接，深入分析连接状态下四个射频段产生的回波损耗。
在四个射频段产生回波损耗过程中，由于每个射频段会产生抗阻，并且每个抗阻与射频段相互匹配，可以有效控制产生的回波损耗。在分析第一个射频段时，该射频段的频率范围为2毫米，产生的阻抗带宽为25.7%。在分析第二个射频段时，该射频段的频率范围为0.5毫米，产生的阻抗带宽为25.3%。在分析第三个射频段时，该射频段的频率范围为1.0毫米，产生的阻抗带宽为15.7%。在分析第四个射频段时，该射频段的频率范围为1.5毫米，产生的阻抗带宽为1.36%。
上述射频段的S11均小于210dB。此外根据回波损耗特性，不同射频段的矩形微带天线的射频范围如下，第一个射频段相应带宽频率在1.09-1.45GHz范围内，谐振频率为1.22GHz；第二个射频段相应带宽频率在2.28-2.89GHz范围内，谐振频率为2.58GHz；第三个射频段相应带宽频率在3.40-3.98GHz范围内，谐振频率为3.62GHz；第四个射频段相应带宽频率在521-5.97GHz范围内，谐振频率为5.59GHz。
二、仿真与实测结果
在设计适用于物联网多频段通信矩形微带天线过程中，设计人员使用全波仿真软件，对设计的内容以及实际操作进行仿真实验。在仿真实验过程中，将安装的矩形的微带天线放置在亮度教案的环境中，营造出真实的使用环境，在该环境中实际检测矩形微带天线的使用效果。设计人员需要逐步检测四个射频段，根据四个射频段的谐振频率，按照相应的带宽对矩形微带天线进行优化，最终形成适合使用的矩形微带天线。
矩形微带天线在相应的射频段内工作过程中，由于整个实验过程花费较多的时间，不同的射频段产生的频率，会随着时间的变化而变化。
谐振频率在1.12-145GHz范围内，最大增益实际值为4.12dBi，其中谐振频率在1.12GHz时，增益最大变化量为2dBi；谐振频率在2.24-2.89GHz范围内，最大增益实际值为0.41dBi，其中谐振频率在2.89GHz时，增益最大变化量为2.38dBi；谐振频率在3.40-3.89GHz范围内，最大增益实际值为0.41dBi，其中谐振频率在3.89GHz时，增益最大变化量为4.22dBi；谐振频率在5.21-5.97GHz范围内，最大增益实际值为4.08dBi，其中谐振频率在5.97GHz时，增益最大变化量为8.98dBi。
在不同射频段产生的增益变化可知，第一射频段和第四射频段，增益会出现明显的变化，在第二射频段和第三射频段，增益会产生较为稳定的变化。在整个增益变化中，谐振频率为5.97GHz时，产生的最大增益为8.98dBi。
现阶段我国物联网多频段通信技术应用过程中，会广泛使用2.45GHz谐振频率，设计人员对2.45GHz谐振频率进行分析，主要分析内容为表面电流的分布情况。基于2.45GHz谐振频率表面电流分布情况看，设计人员分布分析1.22GHz谐振频率、2.47GHz谐振频率、3.61GHz谐振频率以及5.60GHz谐振频率的表面电流分布情况。
在分析不同谐振频率表面电流分布情况时，使用仿真软件产生的仿真数据，与实际检测获得的数据进行对比，通过对比表面电流分布情况的同时还需要对比回波损耗时产生的参数。
通过对比发现，实际检测获得的表面电流分布情况、回波损耗参数，与仿真软件中获得的表面电流分布情况、回波损耗参数产生一定的误差，产生误差的主要原因，是由于制作天线使用的材料与仿真软件中设定的材料存在差异。设计人员将实际使用的天线材料更换成与仿真软件中设定的天线相同的材料，进而消除影响对比效果的不利因素，重新进行检测后，仿真检测的表面电流分布、回波损耗参数，与实际检测的表面电流分布、回波损耗参数产生的差异控制在合理的范围内。
在对比上述参数过程中，在不同的谐振点产生的回波损耗会产生对应的数值，产生的数值如下，一是-16.2dB、二是-26.4dB、三是-20.1dB、四是-39.3dB。根据上述数值，设计人员设计的矩形微带天线具备较强的适应能力，可以与不同多频段通信系统连接。
由于仿真软件内获得的表面电流分布、回波损耗参数与实际检测获得的表面电流分布、回波损耗参数产生的差异控制在合理的范围内，设计人员设计的矩形微带天线具备实际应用能力，并且在实际应用中会获得良好的效果。此外不同频率下的射频段，会产生不同的辐射方向，一般会呈现出上下以及左右的辐射状态，并且覆盖的范围较广，完全满足实际使用需求。
本文设计的矩形微带天线与已经投入使用的矩形微带天线进行对比，本文矩形微带天线的尺寸设定为70×52×1立方毫米，频段数量为4个，相对带宽分别为25.7%、25.3%、15.7%以及13.6%。
已经投入使用的矩形微带天线分别为三种，第一种矩形微带天线尺寸为34×23×1.6立方毫米，频段数量为3个，相对带宽分别为4.45%、24.71%以及20.0%；第二种矩形微带天线尺寸为76.8×76.8×11.7立方毫米，频段数量为2个，相对带宽大约为20%；第三种矩形微带天线尺寸为27.5×3.38×3.5立方毫米，频段数量为4个，相对带宽分别为2.1%、3.3%、7.1%以及5.0%。
三、结论
综上所述，本文在设计适用于物联网多频段通信矩形微带天线过程中，设计出的矩形微带天线，可以适用在不同的射频段，如1.2GHz的GPS、2.45GHz的RFID、2.4/5.5GHz的WLAN以及2.4/3.5/5.5GHz的WiMAX等。在设计矩形微带天线过程中，在地面开设接地槽，使用两个U形槽和长方形槽，配合使用矩形贴片，在地面上会利用安装的结构产生四个射频段，每个射频段在运行过程中，由于射频段不同，产生的抗阻带也会发生变化，基于射频段和抗阻带，在实际工作中会产生较大的覆盖范围，根据不同谐振频率产生的辐射方向以及范围，将上述四个射频段联合使用，可以扩大物联网通信区域，使更多的区域纳入到物联网中。此外矩形微带天线设计简单，成本较低，在物联网通信领域具有广泛的应用空间。
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：范荣，女（1988.8—），汉族，籍贯新疆维吾尔自治区吉木萨尔县，硕士，讲师，研究方向：电子与通信工程

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