無線數據采集系統915MHz天線的設計*

陳　瓊，楊　杰，王善進，馮　軍(.東莞理工學院電子工程學院，廣東東莞53808; .東莞理工學院計算機學院，廣東東莞53808)

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無線數據采集系統915MHz天線的設計*

陳瓊1*，楊杰1，王善進1，馮軍2
(1.東莞理工學院電子工程學院，廣東東莞523808; 2.東莞理工學院計算機學院，廣東東莞523808)

摘要:提出了一種工作頻率為915 MHz的印刷偶極子天線。為了使天線獲得寬帶特性和平衡饋電，采用了微帶線到共面帶狀線的巴倫饋電。仿真表明天線在830 MHz～1 030 MHz左右范圍內，回波損耗低于－10 dB，相對帶寬可達22%。在中心工作頻點上，該天線具有良好的回波損耗，可達－50 dB。且結構簡單，易于制作和集成，可用于相關的無線數據采集系統中。

關鍵詞:共面帶狀線;印刷偶極子天線;巴倫;微帶

在一些無線電能數據采集系統中，可見利用電能采集芯片CS7760對用戶端的耗電量數據進行采集的情形，系統的無線收發單元一般會采用低功耗、多信道的FSK無線通信芯片IA4421完成電能相關數據的傳輸和接收。這款芯片由射頻功率放大器、低噪聲放大器、基帶濾波器及解調器等電路組成，芯片工作頻率可選擇在915 MHz。為了實現有效的無線通信，天線的設計是這種無線數據采集系統設計工作的重要一環?；谠O備的便攜性考慮，本文針對這個頻段對系統的天線部分進行小型平面化的設計。

眾所周知，偶極子天線是一類結構簡單而實用的天線，它具有低輪廓和便于與電路集成等優點，這種結構上的靈活性使其成為一種緊湊的線天線并應用于各種不同的場合［1－3］。在這類天線的頻帶寬度不能滿足實際工程的需求，或者要解決平衡饋電、阻抗匹配等問題的情況下，天線的饋電需要利用巴倫進行［4－8］。

巴倫是一種平衡非平衡轉換器，它可將不平衡信號轉換為兩路幅度相等、相位相差180度的信號，巴倫在平衡天線、推挽放大器和平衡混頻器等電路中是一個不可缺少的關鍵器件。平面微帶巴倫因為可以直接印刷在電路板上，從而具有加工簡單、結構緊湊的特點。

本文設計了一款結構簡單的利用共面帶狀線巴倫饋電的印刷偶極子天線。天線工作于915 MHz，輻射特性良好，易于加工制作，同時十分方便與系統其他電路集成。天線用于這類數據無線采集系統，可有效提高設備的便攜性、小型化和集成度設計。

1　天線結構

雖然單極子或者偶極子天線簡單實用，但它的缺點是阻抗帶寬很窄，難以滿足實際的工程需求，本設計基于天線帶寬的考慮，通過引入適當的漸變結構實現改善阻抗曲線，從而達到拓寬頻帶之目的。如圖1所示偶極子天線結構示意圖，

圖1　偶極子結構示意圖

天線的輻射單元采用了輸入端口至振子末端的漏斗形漸變結構，改變漸變的參數可以對其帶寬進行調整。該天線印刷在介電常數為4.4的FR4介質基片上，天線利用共面帶狀線饋電，入口處微帶線的線寬為W1，長度為L1，隨后線寬逐漸加寬，經過長度為L2的距離后，寬度變為W3，最后維持寬度不變，繼續延伸L3長度，最終形成天線。

2　巴倫

為了偶極子天線實現平衡饋電，同時進一步改善天線帶寬特性，本文借鑒文獻［7－8］研究結果，設計了一款巴倫作為功率分配器。該巴倫的結構見圖2所示，一段長度為Lb1，寬度為Wb1的共面帶狀線，其中一條帶狀線的末端連接一條扇形開路枝節，用以實現信號的調諧;另一條端連接一條長度分別為Lb2、Lb3和Lb4，寬度分別為Wb2、Wb3和Wb4的級聯枝節開路線，實現四分之一阻抗變換。同時在介質基板的另一面，利用一段類似于梯形結構的金屬帶狀線，構成該巴倫結構的接地面。最終由那段長度為Lb4、寬度為Wb4的開路枝節與該巴倫地形成微帶線結構。該巴倫可以把微帶線饋入的非平衡信號，轉變為一對大小相等，方向相反的平衡信號，實現信號的功率分配。

文獻［8］的研究表明，帶狀線的末端如果不連接扇形開路枝節，也可考慮端接一段開路的矩形微帶線，這段開路線的作用是用來改變從微帶線到共面帶狀線的電場分布的，至于是采用扇形還是矩形，要根據帶寬需求來定。文獻［8］借鑒了文獻［9］的結論，但對阻抗轉換器做了一定的改變，不過基本原理還是一樣，因為微帶線與共面帶狀線的特性阻抗不同，為了達到寬帶的要求，必須對兩者進行阻抗匹配。

圖2　巴倫結構

3　天線設計及分析

天線整體結構如圖3所示。利用HFSS13建模分析，圖4給出了共面帶狀線間距對天線性能的影響，該間距決定了兩條線之間的電磁耦合程度，可見對天線的影響十分敏感。圖5和圖6表明了扇形開路枝節對天線的影響，因為該枝節起到將微帶線的電磁場結構逐步調整為共面帶狀線的電磁場結構，它們需要有90°的旋轉，尺寸形狀的選擇至關重要，因此細微的變化帶來了天線回波損耗的劇烈改變。

圖3　天線仿真結構圖

圖4　共面帶狀線間距對天線回波損耗的影響

由圖7可見天線的輸入阻抗在0.6 GHz～1.2 GHz頻段內變化還是比較平緩的，同時曲線表明在中心頻點915 MHz附近阻抗非常接近50 Ω，顯示匹配良好。圖8和圖9是天線的輻射方向圖曲線，圖8表明共面帶狀線間距雖然對天線回波損耗影響敏感，但對天線的輻射方向圖的影響還是細微的。

圖5　扇形開路枝節角度對回波損耗的影響

圖6　扇形開路枝節半徑對回波損耗的影響

圖7　天線的阻抗曲線

圖8　共面帶狀線間距對天線輻射方向圖的影響

圖9說明天線在整個工作頻段內輻射方向圖保持較好，具有良好的一致性。同時曲線也說明了天線在E平面表現出全向輻射的特性。

最后，通過軟件進一步的優化可以實現天線在中心頻點的回波損耗低于－50 dB以上，工作帶寬可在830 MHz～1 030 MHz的范圍，且在E平面實現全向輻射。如果是對天線增益有特殊要求的場合，則可通過加發射板的方法提高該項指標。

圖9　天線輻射方向圖與頻率的關系

4　結論

本文基于無線電能數據采集系統的需求，設計了一款工作在915 MHz的微帶天線。利用一種微帶線到共面帶狀線的巴倫結構，實現了信號非平衡到平衡的轉換，從而達到了寬帶饋電的目的。仿真表明，天線在中心頻點的回波損耗可達－50 dB，表明匹配良好，且天線在E平面可實現全向輻射，且通信帶寬完全能滿足實際情況的需求。該天線結構簡單、易于與系統其他電路實現集成

參考文獻:

［1］朱永志，李萍.一種新型超寬帶平面單極子天線［J］.電子器件，2007，30(3):804－807.

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［3］宋立眾，馬寧，吳群.一種915MHz印刷偶極子標簽天線的分析與設計［J］.微波學報，2008，24(6):51－55.

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［7］周鋆，楊雪霞，呂艷青，等.一種共面帶狀線饋電的圓極化雙頻微帶天線［J］.微波學報，2011，27(4):73－76.

［8］Tu W H，Chang K.Wide-Band Microstrip-to-Coplanar Stripline/Slotline Transitions［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2006，54(3):1084－1089.

陳　瓊(1972－)，女，高級實驗師，碩士，東莞理工學院電子工程學院教師。主要從事電子、通信系統測量方面的教學和研究工作。作為主要研究人員參與完成了一項“廣東省自然科學基金項目”的研究工作。目前主持“東莞市高等院?？蒲袡C構項目”一項，參與國家自然科學基金項目一項;

楊　杰(1963－)，男，副教授，碩士，東莞理工學院電子工程學院教師，主要從事嵌入式系統應用等方面的研究。主持完成“廣東省科技計劃項目”和“東莞市高等院?？蒲袡C構項目”各一項，在專業期刊發表論文十余篇。

The EDA Plug-in for Three Dimensional Integrated Circuit Design*

CHEN Juan1*，ZHU Xingmei1，DUAN Qianni2
(1.Department of Electronic Engineering，Nanjing Engineering Vocational College，Nanjing 211135，China;
2.College of Electronic and Information Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China)

Abstract:To stand in need of the designers in the 3D IC design，an EDA plug-in is provided based on Cadence Virtuoso by SKILL language.Three main functions are developed in the EDA plug-in which are automatic alignment，automatic punching and 3D visualization.Finally，two parallel inverters are designed in a three-dimensional environment to verify the function of algorithm.The experiment shows that the EDA plug-in can meet the requirements of 3D IC layout design and simplify the design process of 3D IC layout design.

Key words:three dimensional integrated circuit; plug-in; SKILL; through Si via; layout design

doi:EEACC:1265Z10.3969/j.issn.1005－9490.2015.04.007

收稿日期:2014－10－04修改日期:2014－10－14

中圖分類號:TN827.2

文獻標識碼:A

文章編號:1005－9490(2015)04－0746－03

項目來源:東莞市高等院?？蒲袡C構科技計劃項目(2012108102002);廣東省自然科學基金項目(S2011010000300)