专利名称：：一种微带天线结构及优化调整方法
技术领域：
：本发明属于无线通信设备领域，特别涉及到一种微带天线结构及其参数的优化调整方法。
背景技术：
：天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备。无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线(电缆)输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波传播到接收地点后，由天线接收，并通过馈线送到无线电接收机。天线品种繁多，对于不同应用频率、不同场合、用途、不同要求情况下，所使用的天线结构是不相同的。和天线有着密切关联的人体中心网络系统，其天线起到了极其重要的作用。所述人体中心网络技术是一种新兴的具有广泛应用前景的无线通信技术，其主要的研究方向是无线通信技术中最后一米的接入问题。随着电子产品的小型化和其价格的降低，为组建个人信息和通信系统提供了可能。目前可构建人体中心网络的产品包括手机，个人数字助理(PDA),微型无线传感器等。这些在人体附近的无线设备以及微型无线传感器可以通过共享数据来监测人体的健康状况。在网络中天线的选取，主要依据网络传输数据的要求和系统辐射标准。具体而言，天线需要工作在相应的工作频段，满足一定的传输距离，并且天线对人体的电磁辐射必须满足NRPB(英国辐射防护局)和ICNIRP(国际非电离辐射防护委员会)规定限度标准之下。与上述类型天线具有同等地位的，是本发明提及的平面倒F微带天线，微带天线是二十世纪中后期逐渐发展起来的一种新型天线，近距离无线通信在物理层发送和接收射频信号时，普遍采用的射频单元是微带天线。其中平面倒F天线(PlanarInverted-FAntenna,PIFA)是微带天线中尺寸比较小的常用天线。作为微带天线的一个已知技术的实例，可参照表示在附图l上的结构示意图。图中所示介质基片尺寸为110mmX50mmXlmm,采用介电常数^=3.15的FR4材料实现。图中黑色部分为金属层，无色部分为介质层。介质基片顶面的倒F型金属贴片占据整个基片25mmX5mm的空间，是天线的主要辐射部分，馈点和接地点如图1所示。介质基片底面的接地板是一个与基片同样尺寸的矩形金属片，在与介质基片上面的F区域相对的介质基片的底面上有一个与F区域对应的矩形缺口。天线各个部分参数的尺寸如下所示dl=lmm,d2=lmm,1=23mm，wl==3mm，w2=lmm,s==3mm，h2=4mm，w3=lmm。此款天线结构中心频率是2.45GHz，相对带宽大于5%，驻波比小于1.5，天线增益2.85dB，中心频率上的输入阻抗接近50欧姆纯电阻，效率是79%。这种倒F天线虽然可以用在近距离无线通信方面，特别是用在人体中心网络中。但是，它还存在很多不足之处，尤其在低介电常数(&-3.15)下，它的介质基片尺寸大，天线系统效率低。对于射频集成电路，为了避免电路本身辐射带来的干扰，同时也为了减小电路尺寸，需要选用高介电常数的介质材料作为电路基板，但是，在高介电常数下，天线的工作带宽变窄，小于3%，很难满足蓝牙频段要求。因此，获得足够宽的带宽，是这种结构天线中急需解决的问题。
发明内容本发明需要解决的技术问题，是针对现有技术中所采用微带天线存在的不足之处，这些不足主要是带宽窄，效率低，尤其是随着基板的介电常数的升高，带宽更难保证，效率很低，发热量大。针对以上情况，本发明的目的，在于提供一种微带天线结构及其参数的优化调整方法。本发明设计了一款反射系数小，匹配良好，体积小、重量轻，频带宽，性能优异的天线结构。该天线可以应用于近距离无线通信领域，比如应用于人体中心无线网络中。本发明的目的是采用以下技术方案来实现的，一种微带天线结构，该结构属于驻波型微带缝隙天线，包括单面覆铜介质基板制成的天线面板及馈电源，其特征在于，所述缝隙天线，是矩形直角连续缝隙构成的中心对称的弓形辐射结构；所述馈电源，是由端部连有SMA接头的同轴电缆，它连接在天线面板上的确定位置A、B两处并向天线面板外引出。针对近距离无线通信的各种天线应用，大多设备使用2.4GHz频段进行通信。本发明天线的设计，是一种驻波型微带缝隙天线结构，它由一个天线面板和一个带同轴电缆的SMA接头组成。天线面板由单面覆铜介质基板制成，在介质基板一恻印制的金属板上开矩形直角连续缝隙，以此作为主要辐射源，获得较稳定的宽波束方向图；本天线采用同轴线馈源，并与SMA接头连接，以获得宽带阻抗特性；通过弓形缝隙全向辐射，也提高了天线的增益。设计时选用绝缘性能较好的陶瓷做介质层，其介电常数为9.6。该微带缝隙天线中心频率设计为2.4GHz频段。在天线的设计过程中，需要对其中的参数进行调整以求达到更加适合应用于人体网络。具体而言，按照如下考虑，A)分别对天线的实际尺寸参数X，a，b，c进行优化设计，可以使天线的增益达到实际需求。本发明所论述的天线数据如表l所示。表l天线各参数详细数据表<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>天线的尺寸对天线的频率影响明显，通过等比放大或缩小整个天线的尺寸可以对天线中心频率进行调节。在调整天线尺寸时，天线的频率特性是沿着频谱进行了线性的平移，根据此方法，可以设计出满足人体网络的天线尺寸。最后天线的馈电点对天线的性能有一定的调整作用，可以通过不同位置的馈电点的选取实现不同中心频率的天线。根据实际的需求调节这些参数，实现对天线的频率进行调整，设计出最优化的天线。B)以所测试的干扰性能作为参数优化调整的标准，采用电磁仿真软件CST对该天线进行电磁仿真设计，可以得到该微带缝隙天线的参数回波损耗S"的状态图，如附图4所示天线的中心频率正好处于2.45GHz，-10dB带宽约为115MHz，这一点可获得最小的回波损耗值，而其余频带的回波损耗明显上升，说明了天线具有较好的抗干扰性能。C)调整天线的馈电点，实现天线中心频率的调节。概括而言，按照上述微带天线结构所对应的参数优化调整，其特征在于，按如下步骤操作，A)分别对天线的实际尺寸参数X，a，b，c进行优化设计；B)以所测试的干扰性能作为参数优化调整的标准；C)调整天线的馈电点，实现天线中心频率的调节。该天线可以为未来高速数据传输提供带宽保证。具体的天线的设计如图1所示，其中设计图的灰色部分为介质层，白色部分为铜膜，在天线的中间部分，A点和B点与同轴馈线连接。本天线尺寸小，结构简单，容易加工，便于与有源电路集成。图1为已知技术中平面倒F天线结构示意图；图2为本发明所设计的微带天线图3为本发明所设计的微带天线结构示意图；图4为天线回波损耗曲线；图5为对縮放参数SCA的变化曲线；图6为Su随馈电点横向移动的变化；图7为Su随馈电点纵向移动的变化；图8为天线阻抗Smith圆图。具体实施例方式参照图l，表示已知技术中平面倒F天线结构示意图，它无法满足宽频带的要求，参照图2、图3，表示本发明所设计的微带天线结构示意图，图中l为驻波型微带缝隙天线组件，图中空白部分2，代表天线面板上的介质层部分，阴影部分3代表铜膜部分，连接A、B两确定位置点之间的馈电缆4由相同的同轴馈电缚5及其端部的SMA接头6引向外部端口。参照图4至图8，表示所测量的特性曲线图及Smith圆图，从研究天线电尺寸的角度出发，若天线结构保持不变，当天线的电尺寸变大，一般来讲天线所能辐射的电磁波的波长变长，其频率就相应降低。在实施例的基础上，保持天线设计结构不变，同比放大或缩小天线的尺寸，可以设计不同中心频率点的天线。当天线整体尺寸变大，天线中心频率相应降低，而且在小范围内变化时天线的带宽亦保持不变(天线的带宽基本在100MHz)。如在天线縮放参数sca为0.7的时候，即天线的尺寸为原来尺寸的0.7倍，此时天线的中心频点为2.42GHz。天线的馈电点对天线的频率有微调的作用(如图6，图7所示)，这使得天线制作完成以后，可以在不改变天线设计参数的前提下对天线的频率进行调整，实现应用于不同频率的天线。本发明所论述的天线的馈电端口电压驻波比小于1.5的带宽和天线回波损耗所确定的带宽一致，天线的匹配性能优良。天线输入阻抗的Smith圆图如图8所示，在频率2.45G处的输入阻抗为(45.56欧姆，-1.046j欧姆)，在忽略极小值虚部阻抗-1.046欧姆的近似条件下，实部45.56欧姆已经相当接近标准纯电阻50飲姆模式的阻抗。获得的辐射效率和整体的系统效率都分别达到了较高的99.51%和99.29%。由此可见所述天线的阻抗匹配非常好。在今后的可植入人体的无线模块中具有较好的兼容性，这是由于人体对陶瓷介质和镀金表面的天线排异性较小。而且天线的频率可调性非常好，适合研究和实际工程制作，这种天线将是很适用于小型宽带通信设备。权利要求1.一种微带天线结构，该结构属于驻波型微带缝隙天线，包括单面覆铜介质基板制成的天线面板及电缆馈线，其特征在于，所述微带缝隙天线，是矩形直角连续缝隙构成的中心对称的弓形辐射结构；所述电缆馈线，是端部连有SMA接头的同轴电缆，它连接在天线面板上的确定位置A、B两处并向天线面板外引出。2.根据权利要求1所述的微带天线结构所对应的参数优化调整方法，其特征在于，按如下步骤操作，A)分别对天线的实际尺寸参数X，a，b，c按满足天线增益的要求进行优化设计；B)以所测试的干扰性能作为参数优化调整的标准；C)调整天线的馈电点，实现天线中心频率的调整。全文摘要一种微带天线结构及优化调整方法，属于无线通信设备领域，是驻波型微带缝隙天线，包括单面覆铜介质基板制成的天线面板及馈电源，所述缝隙天线，是矩形直角连续缝隙构成的中心对称的弓形辐射结构；所述电缆馈线，是由端部连有接头的同轴电缆，它连接在天线面板上的确定位置A、B两处并向天线面板外引出。该微带天线结构所对应的参数优化调整方法，按如下步骤操作，分别对天线的实际尺寸参数X，a，b，c进行优化设计；以所测试的干扰性能作为参数优化调整的标准；调整天线的馈电点，实现天线中心频率的调节。该天线可以为未来高速数据传输提供了带宽保证，天线尺寸小，结构简单，容易加工，便于与有源电路集成。文档编号H01Q13/10GK101533958SQ20091008213公开日2009年9月16日申请日期2009年4月16日优先权日2009年4月16日发明者吕英华,张洪欣,张金玲,莉李,郑占奇申请人:北京邮电大学