无线数据采集系统915MHz天线的设计*

陈　琼，杨　杰，王善进，冯　军(.东莞理工学院电子工程学院，广东东莞53808; .东莞理工学院计算机学院，广东东莞53808)



无线数据采集系统915MHz天线的设计*

陈琼1*，杨杰1，王善进1，冯军2
(1.东莞理工学院电子工程学院，广东东莞523808; 2.东莞理工学院计算机学院，广东东莞523808)

摘要:提出了一种工作频率为915 MHz的印刷偶极子天线。为了使天线获得宽带特性和平衡馈电，采用了微带线到共面带状线的巴伦馈电。仿真表明天线在830 MHz～1 030 MHz左右范围内，回波损耗低于－10 dB，相对带宽可达22%。在中心工作频点上，该天线具有良好的回波损耗，可达－50 dB。且结构简单，易于制作和集成，可用于相关的无线数据采集系统中。

关键词:共面带状线;印刷偶极子天线;巴伦;微带

在一些无线电能数据采集系统中，可见利用电能采集芯片CS7760对用户端的耗电量数据进行采集的情形，系统的无线收发单元一般会采用低功耗、多信道的FSK无线通信芯片IA4421完成电能相关数据的传输和接收。这款芯片由射频功率放大器、低噪声放大器、基带滤波器及解调器等电路组成，芯片工作频率可选择在915 MHz。为了实现有效的无线通信，天线的设计是这种无线数据采集系统设计工作的重要一环。基于设备的便携性考虑，本文针对这个频段对系统的天线部分进行小型平面化的设计。

众所周知，偶极子天线是一类结构简单而实用的天线，它具有低轮廓和便于与电路集成等优点，这种结构上的灵活性使其成为一种紧凑的线天线并应用于各种不同的场合［1－3］。在这类天线的频带宽度不能满足实际工程的需求，或者要解决平衡馈电、阻抗匹配等问题的情况下，天线的馈电需要利用巴伦进行［4－8］。

巴伦是一种平衡非平衡转换器，它可将不平衡信号转换为两路幅度相等、相位相差180度的信号，巴伦在平衡天线、推挽放大器和平衡混频器等电路中是一个不可缺少的关键器件。平面微带巴伦因为可以直接印刷在电路板上，从而具有加工简单、结构紧凑的特点。

本文设计了一款结构简单的利用共面带状线巴伦馈电的印刷偶极子天线。天线工作于915 MHz，辐射特性良好，易于加工制作，同时十分方便与系统其他电路集成。天线用于这类数据无线采集系统，可有效提高设备的便携性、小型化和集成度设计。

1　天线结构

虽然单极子或者偶极子天线简单实用，但它的缺点是阻抗带宽很窄，难以满足实际的工程需求，本设计基于天线带宽的考虑，通过引入适当的渐变结构实现改善阻抗曲线，从而达到拓宽频带之目的。如图1所示偶极子天线结构示意图，

图1　偶极子结构示意图

天线的辐射单元采用了输入端口至振子末端的漏斗形渐变结构，改变渐变的参数可以对其带宽进行调整。该天线印刷在介电常数为4.4的FR4介质基片上，天线利用共面带状线馈电，入口处微带线的线宽为W1，长度为L1，随后线宽逐渐加宽，经过长度为L2的距离后，宽度变为W3，最后维持宽度不变，继续延伸L3长度，最终形成天线。

2　巴伦

为了偶极子天线实现平衡馈电，同时进一步改善天线带宽特性，本文借鉴文献［7－8］研究结果，设计了一款巴伦作为功率分配器。该巴伦的结构见图2所示，一段长度为Lb1，宽度为Wb1的共面带状线，其中一条带状线的末端连接一条扇形开路枝节，用以实现信号的调谐;另一条端连接一条长度分别为Lb2、Lb3和Lb4，宽度分别为Wb2、Wb3和Wb4的级联枝节开路线，实现四分之一阻抗变换。同时在介质基板的另一面，利用一段类似于梯形结构的金属带状线，构成该巴伦结构的接地面。最终由那段长度为Lb4、宽度为Wb4的开路枝节与该巴伦地形成微带线结构。该巴伦可以把微带线馈入的非平衡信号，转变为一对大小相等，方向相反的平衡信号，实现信号的功率分配。

文献［8］的研究表明，带状线的末端如果不连接扇形开路枝节，也可考虑端接一段开路的矩形微带线，这段开路线的作用是用来改变从微带线到共面带状线的电场分布的，至于是采用扇形还是矩形，要根据带宽需求来定。文献［8］借鉴了文献［9］的结论，但对阻抗转换器做了一定的改变，不过基本原理还是一样，因为微带线与共面带状线的特性阻抗不同，为了达到宽带的要求，必须对两者进行阻抗匹配。

图2　巴伦结构

3　天线设计及分析

天线整体结构如图3所示。利用HFSS13建模分析，图4给出了共面带状线间距对天线性能的影响，该间距决定了两条线之间的电磁耦合程度，可见对天线的影响十分敏感。图5和图6表明了扇形开路枝节对天线的影响，因为该枝节起到将微带线的电磁场结构逐步调整为共面带状线的电磁场结构，它们需要有90°的旋转，尺寸形状的选择至关重要，因此细微的变化带来了天线回波损耗的剧烈改变。

图3　天线仿真结构图

图4　共面带状线间距对天线回波损耗的影响

由图7可见天线的输入阻抗在0.6 GHz～1.2 GHz频段内变化还是比较平缓的，同时曲线表明在中心频点915 MHz附近阻抗非常接近50 Ω，显示匹配良好。图8和图9是天线的辐射方向图曲线，图8表明共面带状线间距虽然对天线回波损耗影响敏感，但对天线的辐射方向图的影响还是细微的。

图5　扇形开路枝节角度对回波损耗的影响

图6　扇形开路枝节半径对回波损耗的影响

图7　天线的阻抗曲线

图8　共面带状线间距对天线辐射方向图的影响

图9说明天线在整个工作频段内辐射方向图保持较好，具有良好的一致性。同时曲线也说明了天线在E平面表现出全向辐射的特性。

最后，通过软件进一步的优化可以实现天线在中心频点的回波损耗低于－50 dB以上，工作带宽可在830 MHz～1 030 MHz的范围，且在E平面实现全向辐射。如果是对天线增益有特殊要求的场合，则可通过加发射板的方法提高该项指标。

图9　天线辐射方向图与频率的关系

4　结论

本文基于无线电能数据采集系统的需求，设计了一款工作在915 MHz的微带天线。利用一种微带线到共面带状线的巴伦结构，实现了信号非平衡到平衡的转换，从而达到了宽带馈电的目的。仿真表明，天线在中心频点的回波损耗可达－50 dB，表明匹配良好，且天线在E平面可实现全向辐射，且通信带宽完全能满足实际情况的需求。该天线结构简单、易于与系统其他电路实现集成

参考文献:

［1］朱永志，李萍.一种新型超宽带平面单极子天线［J］.电子器件，2007，30(3):804－807.

［2］王善进，杨雷，陈琼，等.一种宽带UHF印刷偶极子天线的设计［J］.微波学报，2013，29(2):30－34.

［3］宋立众，马宁，吴群.一种915MHz印刷偶极子标签天线的分析与设计［J］.微波学报，2008，24(6):51－55.

［4］Chao-Hsiung Tseng，Yu-Chih Hsiao.A New Broadband Marchand Balun Using Slot-Coupled Microstrip Lines［J］.IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2010，20(3):157－159.

［5］Ma Q，Sun B H，Li J F，et al.Broadband Arrary Antenna with Marchand Balun for 5.8 GHz Band Notched UWB Application［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2009，51(6):1537－1539.

［6］Lindberg P，Ojefors E，Barna Z，et al.Dual Wideband Printed Dipole Antenna with Integrated Balun［J］.IET Microw Antennas Propag，2007，1(3):707－711.

［7］周鋆，杨雪霞，吕艳青，等.一种共面带状线馈电的圆极化双频微带天线［J］.微波学报，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.

陈　琼(1972－)，女，高级实验师，硕士，东莞理工学院电子工程学院教师。主要从事电子、通信系统测量方面的教学和研究工作。作为主要研究人员参与完成了一项“广东省自然科学基金项目”的研究工作。目前主持“东莞市高等院校科研机构项目”一项，参与国家自然科学基金项目一项;

杨　杰(1963－)，男，副教授，硕士，东莞理工学院电子工程学院教师，主要从事嵌入式系统应用等方面的研究。主持完成“广东省科技计划项目”和“东莞市高等院校科研机构项目”各一项，在专业期刊发表论文十余篇。

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

中图分类号:TN827.2

文献标识码:A

文章编号:1005－9490(2015)04－0746－03

项目来源:东莞市高等院校科研机构科技计划项目(2012108102002);广东省自然科学基金项目(S2011010000300)