無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)915MHz天線的設(shè)計(jì)*

陳　瓊，楊　杰，王善進(jìn)，馮　軍(.東莞理工學(xué)院電子工程學(xué)院，廣東東莞53808; .東莞理工學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東東莞53808)

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無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)915MHz天線的設(shè)計(jì)*

陳瓊1*，楊杰1，王善進(jìn)1，馮軍2
(1.東莞理工學(xué)院電子工程學(xué)院，廣東東莞523808; 2.東莞理工學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)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(nèi)，回波損耗低于－10 dB，相對(duì)帶寬可達(dá)22%。在中心工作頻點(diǎn)上，該天線具有良好的回波損耗，可達(dá)－50 dB。且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制作和集成，可用于相關(guān)的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。

關(guān)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，可見利用電能采集芯片CS7760對(duì)用戶端的耗電量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集的情形，系統(tǒng)的無線收發(fā)單元一般會(huì)采用低功耗、多信道的FSK無線通信芯片IA4421完成電能相關(guān)數(shù)據(jù)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(diào)器等電路組成，芯片工作頻率可選擇在915 MHz。為了實(shí)現(xiàn)有效的無線通信，天線的設(shè)計(jì)是這種無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作的重要一環(huán)?；谠O(shè)備的便攜性考慮，本文針對(duì)這個(gè)頻段對(duì)系統(tǒng)的天線部分進(jìn)行小型平面化的設(shè)計(jì)。

眾所周知，偶極子天線是一類結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而實(shí)用的天線，它具有低輪廓和便于與電路集成等優(yōu)點(diǎn)，這種結(jié)構(gòu)上的靈活性使其成為一種緊湊的線天線并應(yīng)用于各種不同的場(chǎng)合［1－3］。在這類天線的頻帶寬度不能滿足實(shí)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(jìn)行［4－8］。

巴倫是一種平衡非平衡轉(zhuǎn)換器，它可將不平衡信號(hào)轉(zhuǎn)換為兩路幅度相等、相位相差180度的信號(hào)，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(gè)不可缺少的關(guān)鍵器件。平面微帶巴倫因?yàn)榭梢灾苯佑∷⒃陔娐钒迳?，從而具有加工?jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)。

本文設(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shí)十分方便與系統(tǒng)其他電路集成。天線用于這類數(shù)據(jù)無線采集系統(tǒng)，可有效提高設(shè)備的便攜性、小型化和集成度設(shè)計(jì)。

1　天線結(jié)構(gòu)

雖然單極子或者偶極子天線簡(jiǎn)單實(shí)用，但它的缺點(diǎn)是阻抗帶寬很窄，難以滿足實(shí)際的工程需求，本設(shè)計(jì)基于天線帶寬的考慮，通過引入適當(dāng)?shù)臐u變結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)改善阻抗曲線，從而達(dá)到拓寬頻帶之目的。如圖1所示偶極子天線結(jié)構(gòu)示意圖，

圖1　偶極子結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，改變漸變的參數(shù)可以對(duì)其帶寬進(jìn)行調(diào)整。該天線印刷在介電常數(shù)為4.4的FR4介質(zhì)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(zhǎng)度為L(zhǎng)1，隨后線寬逐漸加寬，經(jīng)過長(zhǎng)度為L(zhǎng)2的距離后，寬度變?yōu)閃3，最后維持寬度不變，繼續(xù)延伸L3長(zhǎng)度，最終形成天線。

2　巴倫

為了偶極子天線實(shí)現(xiàn)平衡饋電，同時(shí)進(jìn)一步改善天線帶寬特性，本文借鑒文獻(xiàn)［7－8］研究結(jié)果，設(shè)計(jì)了一款巴倫作為功率分配器。該巴倫的結(jié)構(gòu)見圖2所示，一段長(zhǎng)度為L(zhǎng)b1，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(jié)，用以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)諧;另一條端連接一條長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)b2、Lb3和Lb4，寬度分別為Wb2、Wb3和Wb4的級(jí)聯(lián)枝節(jié)開路線，實(shí)現(xiàn)四分之一阻抗變換。同時(shí)在介質(zhì)基板的另一面，利用一段類似于梯形結(jié)構(gòu)的金屬帶狀線，構(gòu)成該巴倫結(jié)構(gòu)的接地面。最終由那段長(zhǎng)度為L(zhǎng)b4、寬度為Wb4的開路枝節(jié)與該巴倫地形成微帶線結(jié)構(gòu)。該巴倫可以把微帶線饋入的非平衡信號(hào)，轉(zhuǎn)變?yōu)橐粚?duì)大小相等，方向相反的平衡信號(hào)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的功率分配。

文獻(xiàn)［8］的研究表明，帶狀線的末端如果不連接扇形開路枝節(jié)，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(chǎng)分布的，至于是采用扇形還是矩形，要根據(jù)帶寬需求來定。文獻(xiàn)［8］借鑒了文獻(xiàn)［9］的結(jié)論，但對(duì)阻抗轉(zhuǎn)換器做了一定的改變，不過基本原理還是一樣，因?yàn)槲Ь€與共面帶狀線的特性阻抗不同，為了達(dá)到寬帶的要求，必須對(duì)兩者進(jìn)行阻抗匹配。

圖2　巴倫結(jié)構(gòu)

3　天線設(shè)計(jì)及分析

天線整體結(jié)構(gòu)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(duì)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(duì)天線的影響十分敏感。圖5和圖6表明了扇形開路枝節(jié)對(duì)天線的影響，因?yàn)樵撝?jié)起到將微帶線的電磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)逐步調(diào)整為共面帶狀線的電磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，它們需要有90°的旋轉(zhuǎn)，尺寸形狀的選擇至關(guān)重要，因此細(xì)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(jié)構(gòu)圖

圖4　共面帶狀線間距對(duì)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(nèi)變化還是比較平緩的，同時(shí)曲線表明在中心頻點(diǎn)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(duì)天線回波損耗影響敏感，但對(duì)天線的輻射方向圖的影響還是細(xì)微的。

圖5　扇形開路枝節(jié)角度對(duì)回波損耗的影響

圖6　扇形開路枝節(jié)半徑對(duì)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(duì)天線輻射方向圖的影響

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

最后，通過軟件進(jìn)一步的優(yōu)化可以實(shí)現(xiàn)天線在中心頻點(diǎn)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(shí)現(xiàn)全向輻射。如果是對(duì)天線增益有特殊要求的場(chǎng)合，則可通過加發(fā)射板的方法提高該項(xiàng)指標(biāo)。

圖9　天線輻射方向圖與頻率的關(guān)系

4　結(jié)論

本文基于無線電能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的需求，設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)非平衡到平衡的轉(zhuǎn)換，從而達(dá)到了寬帶饋電的目的。仿真表明，天線在中心頻點(diǎn)的回波損耗可達(dá)－50 dB，表明匹配良好，且天線在E平面可實(shí)現(xiàn)全向輻射，且通信帶寬完全能滿足實(shí)際情況的需求。該天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于與系統(tǒng)其他電路實(shí)現(xiàn)集成

參考文獻(xiàn):

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陳　瓊(1972－)，女，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，碩士，東莞理工學(xué)院電子工程學(xué)院教師。主要從事電子、通信系統(tǒng)測(cè)量方面的教學(xué)和研究工作。作為主要研究人員參與完成了一項(xiàng)“廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目”的研究工作。目前主持“東莞市高等院?？蒲袡C(jī)構(gòu)項(xiàng)目”一項(xiàng)，參與國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目一項(xiàng);

楊　杰(1963－)，男，副教授，碩士，東莞理工學(xué)院電子工程學(xué)院教師，主要從事嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用等方面的研究。主持完成“廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目”和“東莞市高等院?？蒲袡C(jī)構(gòu)項(xiàng)目”各一項(xiàng)，在專業(yè)期刊發(fā)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(hào):TN827.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1005－9490(2015)04－0746－03

項(xiàng)目來源:東莞市高等院?？蒲袡C(jī)構(gòu)科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012108102002);廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(S2011010000300)