面向WiFi能量采集的双频段天线设计

1、本科生毕业论文论文题目面向wifi能量采集的双频段天线设计姓名张雨浩指导教师姓名刘昌荣学院名称电子信息学院年级/专业2014级电子科学与技术论文提交日期2018年5月目 录中文摘要1Abstract2第一章 绪论41.1研究的背景及意义41.2国内外研究现状.41.3论文的研究内容及安排计划5第二章 双频单极子天线的基本理论62.1天线概述62.2天线的电参数62.3半波偶极子天线82.4单极子天线8第三章 双频单极子天线设计与仿真93.1双频单极子天线的结构93.2天线尺寸与HFSS概述103.3 HFSS仿真设计11第四章 实物制作与讨论184.1讨论184.2实物制作与测试19第五章 总

2、结215.1研究创新、不足与展望215.2 全文总结21参考文献23致谢24苏州大学本科生毕业设计（论文）中文摘要手机、wifi、射频识别、蓝牙等产品与技术都需要使用天线来作为发射和接收信号，无线通信的发展越来越快，天线的设计在无限通信领域当中占据着及其重要的地位，作为发射电磁波和接收电磁波的一种设备，天线自身结构性能也十分关键。在社会生活生产中具有广泛应用的单极子天线近年来发展迅猛，特别在雷达、移动、卫星和微波遥测遥感等方面。我们所生存的空间中的能量分为以下几类：太阳能，振动能，风能以及射频能量等等。针对能量收集各种能量的选择，射频能量有巨大优势。在我们的生存环境当中无处不在，持续供能和几乎

3、不受任何限制的优点正是此种能量可以用来收集的一大优势。无线局域网，wifi信号源，手机 与基站之间的电磁波等等都是射频信号来源。这些是我们日常生活当中几乎一天一直会存在的能量来源，如果可以利用起这部分能量也是具有相当重要的意义。当前，天线的发展十分迅速，很多天线的双频化方法得到实现。多贴片，槽加载，集总元件加载等这些方式可以实现天线的双频工作，随着全世界对于无线局域网使用需求的提高，微带双频单极子天线的设计也要满足能覆盖不同频段和不同标准的需求。本次设计 的双频单极子天线的需要满足能够 覆盖低频部分2.4Ghz-2.4825Ghz和高频部分5.15Ghz-5.825Ghz以上两个频带的要求。关

4、键词：wifi，能量采集，双频，单极子天线Abstractphone, wifi, RFID, Bluetooth and other products and technologies will need to use an antenna to transmit and receive a signal, with the rapid development of wireless communication technology in recent years as a wireless communication antenna system a very important part

5、 in peoples work and life becomes more and more important. The antenna device itself as a transmitting and receiving signals, the kind and properties of the antenna itself, will also influence the quality of the wireless communication system itself. Monopole antenna has wide application in the produ

6、ction of social life is developing rapidly in recent years, particularly in radar, mobile, satellite and microwave telemetry remote sensing and so on.Categorized as energy space we live in: solar energy, vibrational energy, wind energy and radio frequency energy and so on. Unrestricted environment i

7、n which radio frequency energy and time, can continue to provide uninterrupted power in recent years, filled with a lot of RF signals in our living environment, a wireless local area network (wifi), Industrial Communication (ISM) and mobile station (gsm) and the like are more presence of some RF sig

8、nal source, some 24 hours continuously outwardly electromagnetic radiation can be considered as a good source. At 3present, the development of very rapid antenna, dual-band antenna to get a lot of methods to achieve. Typically the antenna may be achieved by dual ways: (1) multiple patches; (2) loadi

9、ng slots; (3) lumped elements such as load, and the personal area network WLAN facing increasing needs, bis frequency monopole designed to accommodate a wireless communication system and allocating different frequency bands depending on the specific design requirements of the standard. Since this de

10、sign is oriented wifi, the operating frequency of 2.4Ghz2.4825Ghz WiFi and 5.15Ghz5.825Ghz, so this dual-band monopole antennas can be designed to meet the need for more than two bands of coverage requirements.Keywords:wifi, energy harvesting, dual-band monopole antenna第1章 绪论1.1 研究的背景及意义近年来，无线通信技术快速

11、发展，在无线通信系统中极为重要的天线部分的研究也变得十分重要，在人们的生活工作当中有着极为重要的地位。天线本身就是发射和接收无线信号的的设备。在我们生存的环境中充斥着大量的无限电磁波，倘若可以利用起这部分能量意义也是十分重大，成为人类的一个新的能量来源，这些能量的持续性很强，一天当中在我们的生存空间一直存在着，例如，我们平常的WiFi机顶盒即便是在闲置的时候也会向外发出无限电磁波，而且是24小时从来不间断，手机与基站之间的无线电磁波也如此。倘若能将这部分能量收集利用起来，它的潜在价值将会十分巨大。面向wifi的天线通常比较好的选择是单极子天线，之所以选择这类天线，是因为单极子天线便携性高、使用

12、比较简单、这类天线的构造也比较简单，辐射还比较强，常常被使用作为无线局域网的天线部分。1.2 国内外研究现状印刷单极子天线有很多种结构，其中有矩形环、T型、L型等一些常用的结构，在双频段天线的设计当中，印刷单极子天线也成为很多设计者的选择。对实际应用和研究设计双频单极子天线具有非常重要的应用意义。在无线通信领域中，微带天线是较高频率的天线。通过微带天线的概念于1953年被提出，历经十几年，研究微带天线的意义也十分巨大。微带天线的构成是建立在薄介质上。其中一个平面薄金属层和这样的天线的方向被连接作为接地面，而相反的是使用光刻技术的金属材料的贴片蚀刻，随后是同轴探针或微带线的特定形状，并形成金属贴

13、片天线馈电结构。容易实现双频微带天线，其主要方法是：多目的插槽贴片辐射元件和负载的总负载电流。射频能量收集可追溯到赫兹电火花试验，紧接着磁控管天线就出现和发展，射频能量收集技术大概在上个世纪50年代开始发展。能量收集可以分为两个过程：一是通过在自由空间磁控管和RF能量传播的直流电转换;通过整流二极管被转换为直流电。国内的无线能量转移的研究起步比较晚，在2007年前后，我国中科院研究所设计了一种5.8GHz左右，采用的是圆极化的接收整流天线，通过截获该矩形的角部出现，来产生两个相等的振幅，垂直于所述方向的直线偏振波。而在国外这几年的研究重点正在往小型低功耗设备供电方向转变。2007年荷兰学者在满

14、屋子WiFi信号的房间成功为壁挂式电子钟供电使其工作。1.3 论文的研究内容及安排计划本次论文设计的是面向wifi能量采集系统的双频段天线设计。本毕业设计主要研究设计一款面向wifi能量采集的工作在双频段的天线。首先通过文献调研学习已有学者对双频单极子天线的研究0-Error! Reference source not found.，利用HFSS软件Error! Reference source not found.进行天线的仿真设计，满足天线的设计要求，即天线的工作频段覆盖2.4GHz2.4825GHz和5.15GHz5.825GHz，实现双频工作的天线的工作频率应为wifi的工作频率为2.

15、4Ghz和5.0Ghz,，并运用这些知识分析研究能量采集双频天线的工作机理，然后确定天线设计方案并给出天线初始结构尺寸的估算值，再借助HFSS仿真工具，完成天线的仿真和优化设计在天线仿真设计完成的基础上，整理归纳资料，对整个研究工作进行总结。本毕业设计内容安排详细如下：第一章，有关射频能量收集技术的研究背景意义和国内外当前的关于能量收集的研究现状介绍。第二章，介绍了天线辐射与接收的相关基本理论，重点对于涉及到半波偶极子天线和单极子天的结构和原理进行了概括。梳理找出本次设计当中采取的办法。第三章，利用HFSS软件进行天线的建模与仿真，并生成相应的模型图、s11仿真图等，并通过优化设计将得到了S1

16、1仿真进行更进一步的完善。仿真结束后，考虑天线的各项性能参数，将仿真结果与设计目标进行对比，并进一步完成仿真设计的优化；第四章，根据优化后的仿真设计模型，使用快速线路板刻制机完成实物的制作，并对实物进行各项性能的检测，与仿真设计结果进行对比、分析和总结；第五章，本章对于此次的毕业设计进行了一次总结，提出了设计过程中的不足之处，并提出展望，有待于进一步的解决问题。第2章 双频单极子天线的基本理论2.1天线概述天线可以看作是一个良好的电磁开放系统，对于天线的研究，实质上就是研究天线在空间当中所产生的电磁场分布。天线通常是可逆的，相同的一副天线既可以用作发射也可以用作接收。2.2天线的电参数1.辐射

17、强度辐射强度指的是天线每单位立体角内辐射出的功率，辐射强度与距离无关，坡印廷幅值与距离平方成反比关系。单位为W/Sr（瓦/立方弧度）。其表达式如下： （2-2-1）2.方向性函数方向性函数表示为辐射场量在空间中相对分布的量，也就是所谓的归一化，数学上可以表示为 (2-2-2)天线的方向图是由天线的方向性函数，在不同坐标系中绘出的表示天线的方向特性的图形。辐射最强的部分在天线方向图中被称为方向图的主瓣，此外辐射较弱的部分称为天线的副瓣3.天线增益天线增益指的是在输入功率相等的情况下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点所产生的信号功率密度之比，其表达式如下所示： (2-2-3)天线的增益还有一种

18、表达，定义为某点产生相等电场强度的全向点源天线输入功率Pin0与一般天线的总的输入功率Pin的比值，表达式如下： (2-2-4)从理论分析得知，增益与方向性系数的关系如下式所示(为天线效率，D为方向性系数)： (2-2-5) (2-2-6)4.天线输入阻抗输入阻抗对于频率的变化比较敏感，如果天线馈线两者能够良好匹配，这时候的天线的输入阻抗与传输线特性阻抗相等，天线也能获得最大的功率。此时通过传输线到天线馈送能量辐射到整个空间。否则，供给到天线的能量将被完全反射回。工程测量天线匹配状态指示灯是好还是坏天线的回波损耗和电压驻波比，回波损耗，更好的匹配状态。 5.频带宽度 天线在实际工作当中，天线不

19、是在某一个确定的频率点工作，天线的工作实际上是一个范围，一个天线的其他性能参数保持在正常规定范围内的频率范围，这就是天线的频带宽度。2.3半波偶极子天线半波偶极子天线具有结构简单的特性，半波偶极子天线之所以常用，是因为它的阻抗特性和方向性，对于如下图2.1所示的从中心馈电的半波偶极子来说，这类天线的两端是开路的，所以没有电流，在工程的实际应用上，将它的电流分布近似成为 正弦分布。另外，半波偶极子天线的输入阻抗是纯电阻的，实现和馈电线的匹配比较简单，这也是它经常会被用来设计天线的原因之一。 图2.1 文献2半波偶极子天线结构2.4单极子天线 有关单极子天线的研究涉及到在2.3节当中的半波偶极子天

20、线，单极子天线的发展是基于偶极子天线的发展演变过来的，根据镜像原理，在偶极子天线上侧那一部分的下面加一块金属板，就可以得到了单极子天线。至于其他方面的电性能，两者基本相似。如下图2.2所示。 图2.2 文献2单极子天线以及等效 第3章 双频单极子天线的设计与仿真3.1双频单极子天线的结构 微带双频单极子天线的构成主要分为5个部分，分别是微带馈线、介质层、高频贴片、低频贴片以及GND，单极子天线的结构模型如下图3.1所示。 图3.1 文献【2】单极子天线的结构模型本次设计中介质材料是介电常数为3.38的Rogers RO4003，介质层厚度为1.52mm，其下面为参考地，上面是微带馈线和单极子天

21、线。左边的L型结构为高频部分（5.15Ghz-5.825Ghz），右边的L行部份为低频部分（2.4Ghz-2.4825Ghz）。3.2天线尺寸与HFSS概述 设计的双频单极子天线要工作与IEEE 802.11a频段和IEEE802.11b频段，IEEE802.11b频段对应的在介电常数为 3.38的介质中的波长大小为30毫米，IEEE802.11a频段对应的在介电常数为3.38的介质中传播的波长大小则是66.4毫米。低频部分采用介电常数为3.38的介质，那么1/4波长的单极子天线长度为16.6mm。高频部分如采用介质中波长，那么1/4波长的单极子天线长度为7.5mm。为了方便后面 的参数优化，

22、也就是对于各项结构参数来分析天线的性能影响，HFSS设计建模表示的使用单极子天线的设计模型如下图3.2。 图3.2 文献【2】单极子天线的参数化模型对于上图的参数化结构模型当中各项参数表如下表3.3所示表3.3 参数示意变量名称字母值(单位：mm)介质厚度H1.52微带馈线的宽S3.5微带馈线的长L14单极子天线金属片宽W2高频部分水平长度L14.25高频部分垂直长度L27低频部分水平长度R110.25低频部分垂直长度R2233.3 HFSS仿真设计1.新建工程并添加定义设计变量从HFSS主菜单栏中选择design properties命令，打开对话框，然后单击Add，打开Add Proper

23、ty对话框，然后在文本框中输入变量名称H，初始值1.52mm，然后单击OK。采用相同的方法按照表3.3将表内的变量全部添加进去，最终完成设计对话框图下图3.4所示 图3.4最后，单击确定完成所有变量的添加工作。2.添加新的介质材料 在设计材料仓库中引入介质材料。具体操作如下：打开View/Edit Material对话框。向设计库中添加一个介电常数为3.38的介质材料，关于新添加的介质材料按如下图所示进行设置，并命名为My_R4003.如图3.5所示是新添加的介质材料 图3.5 新添加的介质材料3. 设计建模此部分设计分以下几个部分：1.创建介质板2.介质板上面的天线贴片模型3.创建介质层下表

24、面参考地模型.最后，调整到全屏显示状态下的视图展示微带双频单极子天线物体模型，如图3.6所示 图3.6 微带单极子天线模型4. 设置边界条件对于Substrate层的上下两侧表面的贴片为金属，所以需要进行以下两个步骤：（1）要为其分配理想导体边界条件，（2）天线分析还要设置辐射边界。对于（1）步骤：将历史操作树中sheets下的rectangle1和GND设置成理想导体边界条件。对于（2）步骤：设置辐射边界条件是必要的在HFSS分析天线问题的时候，需要新建一个长方体模块，并把其表面设置为辐射边界条件。边界条件设置好之后的模型图如下图3.7图3.7添加边界条件后的模型图5. 设置激励方式由于设计

25、的双频单极子天线的输入端口在天线内部，我们需要先在该天线的馈电线端口创建一个馈电面，这一个馈电面的激励方式设置为集总端口激励，如下图3.8所示为添加激励方式后的模型图。 图3.8添加激励后的双频单极子天线模型6. 求解设置双频单极子天线工作于IEEE 802.11a和IEEE 802.11b两个频段，天线的求解频率为5.8Ghz。并添加1-8Ghz的扫频设置，扫描类型选择FAST类型，分析天线在1-8Ghz的回波损耗结果.（1） 求解频率和网格剖分设置如下图3.9.步骤：右击工程树下的Analysis节点，然后选择【Add Solution Setup】命令，打开这一个对话框如图3.9，按照对

26、话框里面的进行设置，求解频率设置为5.8Ghz，其它保留默认。然后单击确定，完成求解设置，在这一步骤完成后，会有一个名为Setup1自动添加到工程树下的Analysis节点下面。 图3.9 求解设置（2）扫频设置如下图3.10。其中扫频步进为0.01Ghz，范围设置为1-8Ghz。 图3.10 扫频设置7. 天线仿真性能分析S11仿真分析结果图如下图3.11，在S11扫频结果中可以发现，在低频段2.4Ghz附近，S11小于-10dB，而在低频部分反射系数最小的频率点为2.2Ghz左右，这是不符合我们的回波损耗要求，而且低频波段的谐振点也不符合要求，在高频段5.2Ghz附近S11小于-15dB，

27、在高频波段，谐振频率为5.25Ghz，所对应的S11为-27dB，高频段符合设计要求，低频段需要进行优化调整，明显是低频段单极子天线的长度需要优化。图3.11 S11仿真结果图8. 天线的优化设计通过分析低频段单极子天线的长度R2变化是如何影响低频段 谐振频率的仿真结果，对于微带双频单极子天线，该类天线的谐振频率应该和天线的长度大小关系是成反比关系，找出一个合适的R2值是得天线的低频谐振频率落在IEEE 802.11a频段中，因此就需要对R2变量进行调整。我们可以借助HFSS软件中的参数扫描，通过不断调整该R2的数值，得出几组不同的S11扫描结果，以下是测得数据结果图如图3.11 图3.11

28、S11扫描结果虽不同R2取值变化通过对上图进行分析，看出低频段谐振频率会受到R2变量影响变化，两者间是反比关系。在低频段当中，随着R2的逐渐减小，低频段S11最小所对应的频率点逐渐增大，而对于高频段的影响并不是很大。最终选择当R2等于19mm时的波形最好，当R2为19mm时，低频段S11最小值所对应的频率点为2.4Ghz，此时的S11为-30dB，而在高频部分S11为-23dB，满足设计要求。第4章 实物制作与讨论4.1讨论制作实物之前和毕设小组内的其他几位同学讨论后，考虑到方便大家一起进行实物制作和省时，大家决定统一采用介电常数为4.4的FR4介质材料。所以我对于上述自己已经用4003的介质

29、材料重新做了修改设计和仿真，修改为FR4的介质材料，基板厚度也由原来的1.52mm修改为1.6mm。下图4.1是采用介质材料为FR4的S11扫频分析结果。图4.2是采用FR4的双频单极子天线的设计模型。图4.1 介质材料为FR4的S11扫频分析 观察上图4.1新的回波损耗仿真结果，在低频段S11最低的频率点为2.42Ghz左右，在2.42Ghz左右的S11为-21dB。在高频段S11最低的频率点为5.2Ghz，在5.2Ghz左右的S11为-20dB，可以看出，无论是在低频段还是高频段，两个频段的S11仿真结果都小于-10dB，满足本次设计的要求。 图4.2 采用介质材料为FR4的设计模型4.2

30、实物制作与测试制作实物时，需要将HFSS设计当中的天线各个部分（顶层贴片、介质基板、GND）分别单独导出dxf文件，在AUTOcad当中进行填充处理并生成相应的cad文件，将用cad处理过的文件导入Altium designer当中进行PCB板的搭建，最后生成相应的PCB文件。接下来就是快速线路板刻制机加工实物，本次设计的是40mm*40mm的FR4介质板进行双面加工处理，在使用快速线路板刻制机雕刻之前，先人工切割一块60mm*60mm的FR4介质板，基板厚度为1.6mm，选取相应的钻头加工，将之前切割的板子放置在快速线路板刻制机上并固定好，加工结束之后选择合适的接口焊接在已经雕刻出模型的天线

31、板子上，最后就可以接入到矢量网络分析中测试。实物模型图如下图4.1，用矢量网络分析仪的测试结果如图4.2。图4.1实物模型图4.2矢量网络分析仪测试结果通过上图所示的矢量网络分析仪所示的测试结果图，我们可以发现，当低频波段的频率为2.4Ghz时S11为-18.194dB，而S11最小时所对应的谐振点略大于2.4Ghz，在误差范围内，在高频波段当中，波形比较杂乱，频率为5.3Ghz时的S11为-11.655dB，整个高频波段S11的最小值为-20dB。第五章 结 论5.1研究创新、不足与展望 本次研究设计的双频单极子天线在HFSS软件中虽然得到了符合要求的仿真设计，低频谐振频率以及高频谐振频率都

32、在规定的范围内，回波损耗的仿真结果也符合设计要求，但在实物制作上还是存在一定的误差，在实物加工完成后，使用矢量网络分析仪测试的结果，只有低频段符合设计要求，波形也比较理想，而高频段的波形比较杂乱不能满足此次设计的要求，有待进一步改善。 在今后的天线设计中，设计的要求会更加高，天线的成本也会逐渐降低，软件的更新也会使得设计不断的优化，仿真的结果更加准确，效率也会逐步提升。5.2全文总结本文介绍了射频能量收集技术研究意义与目前国内外的发展现状，并设计了一款工作在IEEE 802.11a和IEEE 802.11b两个频段的双频单极子天线用以面向wifi信号能量采集。针对在天线设计的过程的理论知识进行

33、了介绍，天线的概述，天线的电参数与各项性能指标以及偶极子天线和单极子天线的结构和原理等等。对天线设计当中的HFSS软件相关操作说明进行了介绍，并用HFSS设计建模了一款面向wifi的射频能量收集的双频单极子天线，该天线的谐振频率分为高频部分和低频部分，高频部分的谐振频率为5.15Ghz到5.825Ghz，低频部分的谐振频率为2.4Ghz到2.4825Ghz，最后换成FR4介质板的S11仿真结果为低频部分的回波损耗为21dB,而高频部分的回波损耗为20dB，满足回波损耗低于10dB的要求，在HFSS天线设计的过程中完成了对于双频单极子天线的建模，运行仿真以及优化设计，最终达到了规定的回波损耗仿真

34、结果，符合了设计的要求。在实物制作部分，由于考虑和组内同学共同制作实物，制定了统一的介质材料，并重新修改了设计。在实物制作的过程当中也学习了如何将HFSS设计当中的天线加工成实物的步骤，实物制作完成后，学习了如何利用矢量网络分析仪测试自己所设计天线实物的回波损耗波形，虽然只有低频部分的波形比较理想，符合设计的要求，而高频部分的波形比较杂乱。实物用矢量网络分析仪测得的低频部分的回波损耗为18.194dB，而高频部分的回波损耗为11.655dB，然而高频部分波形比较杂乱，反射系数最低的频率点为5.3Ghz，亲身经历了一次天线实物加工的过程，了解了快速线路板刻制机的操作步骤。参考文献1刘学观,郭辉萍

35、. 微波技术与天线(第三版)M. 西安电子科技大学出版社, 20122李明洋. HFSS天线设计M. 电子工业出版社, 20113张申. 微带双频天线的研究与设计D. 西安电子科技大学, 20124高向军,王聪敏. 两种双频微带天线的分析与设计J. 雷达与对抗, 2003(01)5孙吉楠； 应用于WLAN的小型双频微带天线设计J. 百度学术，2014；6王国超 许家栋； 改进共面波导馈电的双频单极子天线设计J西北工业大学学报；2003年S1期：109-123. 7胡俊；双频印刷天线的设计与实现J 苏州大学通信与信息系统期刊 ；2009年09期：25-28.8宋小弟, 冯恩信, 傅君梅. 一种用于WLAN的小型双频宽带印刷单极天线.微波学报, 2009, 25(3)9王国超, 许家冻. 改进共面波导馈电的双频单极子天线设计. 信息安全与通信保密, 2010(07)10普远航. 双频微带天线的研究.南京理工大学,200811J. Zhu and G. V. Eleftheriades, “Dual-band metamaterial-inspired small monopole antenna for WiFi applications,” Electron. Lett., vol.