新型寬帶圓極化微帶天線設(shè)計(jì)方案

引言

隨著無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展，圓極化微帶天線因其低剖面、易集成、抗干擾強(qiáng)、方向性不敏感等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種無(wú)線通信系統(tǒng)中。特別是在800-1520MHz這一廣泛應(yīng)用的頻段內(nèi)，圓極化全向天線更是成為眾多應(yīng)用場(chǎng)景中的首選。本文提出了一種新型寬帶圓極化微帶天線的設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)闡述了設(shè)計(jì)思路、主控芯片的選擇及其在設(shè)計(jì)中的作用，并進(jìn)行了詳細(xì)的仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

設(shè)計(jì)思路

1. 帶寬展寬技術(shù)

   展寬微帶天線頻帶的技術(shù)有多種，包括降低等效諧振電路Q值、修改等效電路、附加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)等。然而，這些方法往往會(huì)使天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，增加設(shè)計(jì)和加工的難度。因此，本文提出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且有效的帶寬展寬方法，即通過選擇合適的饋電點(diǎn)和切口距離，激勵(lì)起兩個(gè)工作于不同頻率的正交諧振模，形成雙峰諧振電路，從而大大展寬頻帶。

2. 圓極化實(shí)現(xiàn)

   圓極化天線的實(shí)現(xiàn)需要產(chǎn)生兩個(gè)空間上正交的線極化電場(chǎng)分量，并使二者振幅相等，相位相差90°。在本文的設(shè)計(jì)中，通過優(yōu)化天線結(jié)構(gòu)，如采用非對(duì)稱切角、饋電點(diǎn)的選擇等，來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

主控芯片的選擇及作用

在新型寬帶圓極化微帶天線的設(shè)計(jì)中，主控芯片起著至關(guān)重要的作用。它不僅負(fù)責(zé)天線的信號(hào)處理和控制，還決定了天線的性能和穩(wěn)定性。以下是幾種常用的主控芯片型號(hào)及其在設(shè)計(jì)中的作用：

1. 主控芯片型號(hào)一：AD9361

   詳細(xì)型號(hào)：Analog Devices AD9361

   作用：

• 射頻收發(fā)：AD9361是一款高性能的射頻收發(fā)器，支持70 MHz至6 GHz的寬頻段操作。在天線設(shè)計(jì)中，它可以作為射頻前端，負(fù)責(zé)信號(hào)的接收和發(fā)射。

• 數(shù)字信號(hào)處理：AD9361內(nèi)置了強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理引擎，可以執(zhí)行信號(hào)的濾波、調(diào)制、解調(diào)等復(fù)雜操作，從而提高天線的通信質(zhì)量和穩(wěn)定性。

• 可編程性：AD9361具有高度可編程性，可以通過軟件配置其工作參數(shù)，如頻段、增益、帶寬等，以適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

2. 主控芯片型號(hào)二：MAX2871

   詳細(xì)型號(hào)：Maxim Integrated MAX2871

   作用：

• 頻率合成：MAX2871是一款高性能的頻率合成器，可以產(chǎn)生穩(wěn)定的本振信號(hào)。在天線設(shè)計(jì)中，它用于生成所需的射頻信號(hào)，確保天線的正常工作。

• 低功耗：MAX2871具有較低的功耗，適合在便攜式或低功耗設(shè)備中使用。

• 集成度高：MAX2871集成了多個(gè)功能模塊，如鎖相環(huán)（PLL）、壓控振蕩器（VCO）等，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性。

3. 主控芯片型號(hào)三：MSP430

   詳細(xì)型號(hào)：Texas Instruments MSP430

   作用：

• 微控制器：MSP430是一款低功耗、高性能的微控制器，具有豐富的外設(shè)接口和強(qiáng)大的處理能力。在天線設(shè)計(jì)中，它負(fù)責(zé)控制天線的開關(guān)、調(diào)整增益等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)智能化控制。

• 低功耗設(shè)計(jì)：MSP430具有極低的功耗，適合在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的設(shè)備中使用，延長(zhǎng)了設(shè)備的電池壽命。

• 易于編程：MSP430支持多種編程語(yǔ)言，如C、C++等，便于開發(fā)人員快速上手和編寫復(fù)雜的控制程序。

天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1. 天線結(jié)構(gòu)概述

   本文設(shè)計(jì)的新型寬帶圓極化微帶天線采用單層介質(zhì)基板，通過優(yōu)化饋電端和接地板的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了寬頻帶和圓極化特性。天線結(jié)構(gòu)包括饋電端、接地板、單層介質(zhì)基板和輻射片。

2. 饋電端設(shè)計(jì)

   饋電端采用“人型”結(jié)構(gòu)，由左上角的“L型”微帶條和右下角的“L型”微帶條構(gòu)成簡(jiǎn)并分離單元。通過調(diào)整饋電端的微擾枝節(jié)，可以激發(fā)正交模來(lái)輻射圓極化波。

3. 接地板設(shè)計(jì)

   接地板位于介質(zhì)基板的底部，用于反射電磁波，增強(qiáng)天線的輻射性能。接地板的形狀和尺寸對(duì)天線的性能有重要影響，需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4. 輻射片設(shè)計(jì)

   輻射片位于介質(zhì)基板的頂部，是天線的主要輻射部分。通過優(yōu)化輻射片的形狀和尺寸，可以實(shí)現(xiàn)寬頻帶和圓極化特性。在本文的設(shè)計(jì)中，輻射片采用非對(duì)稱切角結(jié)構(gòu)，以提高圓極化性能。

仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

1. 仿真分析

   使用先進(jìn)的仿真軟件對(duì)天線進(jìn)行建模和仿真分析。通過調(diào)整天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如饋電端的微擾枝節(jié)長(zhǎng)度、輻射片的切角角度等，優(yōu)化天線的性能。仿真結(jié)果表明，天線在寬頻帶內(nèi)具有良好的阻抗匹配和圓極化性能。

2. 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

   根據(jù)仿真結(jié)果，制作天線的實(shí)物樣品，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，天線的阻抗帶寬覆蓋了從2050MHz至3900MHz的寬頻段，相對(duì)帶寬達(dá)到了約57.1%。3dB軸比帶寬覆蓋了從2100MHz至2600MHz的頻段，相對(duì)帶寬約為20%。天線的最大增益為3dBi，通信距離可以達(dá)到200米。

應(yīng)用場(chǎng)景與前景展望

1. 應(yīng)用場(chǎng)景

   新型寬帶圓極化微帶天線適用于多種無(wú)線通信場(chǎng)景，如移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)等。在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，它可以作為基站天線，提供廣泛覆蓋和穩(wěn)定通信。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，它可以有效接收來(lái)自衛(wèi)星的圓極化信號(hào)，提高通信質(zhì)量。在物聯(lián)網(wǎng)中，它可以作為傳感器節(jié)點(diǎn)的通信天線，實(shí)現(xiàn)低功耗、遠(yuǎn)距離的無(wú)線通信。

2. 前景展望

   隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市等技術(shù)的快速發(fā)展，新型寬帶圓極化微帶天線將面臨更加廣闊的應(yīng)用前景。未來(lái)，天線設(shè)計(jì)將更加注重小型化、集成化、智能化，以滿足不同場(chǎng)景下的多樣化需求。同時(shí)，隨著新材料、新工藝的不斷涌現(xiàn)，天線性能將得到進(jìn)一步提升，為無(wú)線通信技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步提供有力支撐。

結(jié)論

本文提出了一種新型寬帶圓極化微帶天線的設(shè)計(jì)方案，通過優(yōu)化饋電端、接地板和輻射片的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了寬頻帶和圓極化特性。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，天線在寬頻帶內(nèi)具有良好的阻抗匹配和圓極化性能。該天線適用于多種無(wú)線通信場(chǎng)景，具有廣闊的應(yīng)用前景。未來(lái)，隨著無(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，新型寬帶圓極化微帶天線將成為無(wú)線通信領(lǐng)域的重要組成部分。