楊永俠，楊 琳

(西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，陜西西安 710032)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無線傳感網(wǎng)絡(luò)越來越多地被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、安全監(jiān)測等領(lǐng)域。對于一個無線系統(tǒng)來說，能正確地發(fā)送和接收信息是最基本的要求。天線作為無線通信中不可缺少的部分就是用來發(fā)送和接收電磁波，對無線系統(tǒng)起著非常重要的作用。而常用無線傳輸模塊中的直立式天線體積太大。為解決這一問題，文中選擇使用微帶天線，不僅可以減小無線傳輸設(shè)備的體積，也可降低設(shè)備功耗、降低成本。文中以CC2430射頻芯片的WSN節(jié)點為對象，完成基于CC2430芯片的2.4 GHz微帶天線的設(shè)計，從而為構(gòu)成小體積、低功耗的WSN測控系統(tǒng)節(jié)點基本硬件奠定了基礎(chǔ)。詳細(xì)論述微帶天線設(shè)計原理、設(shè)計過程以及阻抗匹配方案。

1 天線類型的選擇

1.1 微帶天線的輻射原理

微帶天線即在有金屬接地板的介質(zhì)基片上沉積或貼附所需形狀導(dǎo)體貼片構(gòu)成的微波天線，如圖1所示。通常通過微帶傳輸線或者同軸探針饋電，使導(dǎo)體貼片與接地板之間激勵起高頻電磁場，并通過貼片四周與接地板之間的縫隙向外輻射電磁波[1-2]。

圖1 微帶天線

1.2 參數(shù)要求

文中對天線的要求是工作在2.4 GHz，增益達(dá)到3 dB，方向性系數(shù)達(dá)到5.03 dB，阻抗能達(dá)到匹配，天線尺寸在5 mm×7 mm以內(nèi)。

1.3 天線形狀的選擇

貼片形狀多種多樣，其中圓形微帶天線的波瓣寬度較矩形的窄，但方向性系數(shù)幾乎相同[3]。矩形微帶天線所要求輻射元面積較圓形微帶天線大，但經(jīng)過計算，矩形貼片所需的尺寸在可以滿足要求的范圍內(nèi)，而且矩形微帶天線的效率、寬度都優(yōu)于圓形微帶天線[4]。

1.4 天線饋電方式的選擇

微帶天線有許多種饋電裝置形式，但主要分為微帶傳輸線饋電和同軸線探針饋電。其中微帶傳輸線饋電的饋線也是一導(dǎo)體帶，一般具有較窄的寬度。微帶傳輸線饋電制造簡單，易于匹配，也易于建模。同軸線探針饋電是將同軸線內(nèi)導(dǎo)體接到輻射貼片上，外導(dǎo)體接到接地面。同軸線饋電也具有制造簡單，易于匹配的優(yōu)點，同時帶寬比較窄，而且建模相對難些[5]。因此選擇傳輸線饋電，設(shè)計一個側(cè)饋的矩形微帶天線。

2 天線材料的選擇

基板材料的介電常數(shù)εr和其厚度h直接影響著微帶天線的一系列性能指標(biāo)。一般來說，h的取值決定著天線的體積和重量[6]。如果安裝面積有限，應(yīng)選擇εr較大的基板。陶瓷基片是比較常用的介電常數(shù)較高的介質(zhì)基片，其常用的厚度是 h =1.27 mm，0.635 mm，0.254 mm。其中1.27 mm的基片有較高的天線效率，較寬的帶寬以及較高的增益。因此選擇1.27 mm的陶瓷基片，其介電常數(shù)εr為9.8。

3 天線尺寸的計算

確定矩形貼片的尺寸，即單元長度L和單元寬度W。

3.1 寬度計算

W的大小影響著微帶天線的方向性函數(shù)、輻射電阻及輸入阻抗，從而也影響著頻帶寬度和輻射效率。另外，W的大小直接支配著微帶天線的總尺寸。在安裝條件允許的情況下W取適當(dāng)大一些對頻帶、效率、及阻抗匹配都有利，但當(dāng)W的尺寸大于式(1)給出的值時，將產(chǎn)生高次模，從而引起場的畸變[5]。

其中，c為光速;εr為介質(zhì)薄板的介電常數(shù);fr為諧振頻率。

3.2 長度計算

其中，λg為介質(zhì)內(nèi)波長;εe是有效介電常數(shù);Δl是實際受邊緣場的影響而算出的一個修正公式[5]，分別由式(3)～式(5)計算。

饋線寬度d可由Transmission Line Calculator軟件計算得出。

在設(shè)計中，εr=9.8;fr=2.4GHz;h=1.27 mm，把這些參數(shù)代入，計算得到矩形微帶貼片天線參數(shù):W=26.89 mm;L=19.71 mm;d=1.23 mm。

4 天線設(shè)計

圖2 天線的初步形成

對設(shè)計好的天線仿真，設(shè)置掃描類型為線型，頻率范圍1.4～2.4 GHz，掃描間隔為0.1 GHz，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 天線的初步仿真

從圖中可以看出，理論計算結(jié)果與實際相符，中心頻率約為2.4 GHz。只有天線的輸入阻抗等于饋線的特性阻抗時，饋線終端才沒有功率反射，饋線上沒有駐波，天線才能獲得最大功率[7-8]。從輸入阻抗圖得到，在2.4 GHz時天線輸入阻抗實部為8.55，虛部為-42.05，他與50 Ω饋電系統(tǒng)不匹配，反射系數(shù)S11較大，所以需要進(jìn)一步匹配。

5 阻抗匹配

為進(jìn)一步減小反射系數(shù)，達(dá)到理想匹配，并且使中心頻率更加精確，要對天線進(jìn)行阻抗匹配。

5.1 匹配原理

在2.4 GHz微帶天線饋線后端串聯(lián)一根50 Ω的微帶傳輸線，使得S11在等反射系數(shù)圓上旋轉(zhuǎn)，到達(dá)g=1的等g圓上，然后再并聯(lián)一根50 Ω傳輸線，將S11參數(shù)轉(zhuǎn)移到接近處，這時就把輸入阻抗8.55-j42.05匹配到50+j0，達(dá)到了與50 Ω饋電系統(tǒng)的匹配，這實質(zhì)也是利用史密斯圓法進(jìn)行阻抗匹配的理論[9]。微帶線匹配法就是計算串聯(lián)的微帶傳輸線和并聯(lián)的微帶傳輸線的長度。

5.2 匹配的過程

天線輸入阻抗為8.55-j42.05，這樣天線可以等效為一個電阻和電容的串連，設(shè)電阻為R1，電容為C1。

由式(6)計算得到R1=8.55 Ω，C1=1.57 pF。

在ADS中新建一個Schematic文件，在這個原理圖中畫出天線所的等效電容和電感，并且添加一個MLIN元件一個MLEF元件。其中MLIN元件代表串聯(lián)傳輸線，MLEF元件代表并聯(lián)傳輸線，設(shè)定這兩個元件的寬度為1.23 mm，長度初值為10 mm，并設(shè)定優(yōu)化范圍為1～20 mm。再添加一個三端口連接器MTEE_ADS，3個端口的寬度都設(shè)定為1.23 mm。將電容、電感、MLEF元件、MLIN元件以及MTEE_ADS聯(lián)接起來，如圖4所示。

圖4 匹配電路

如圖4設(shè)置MSub元件介質(zhì)層和金屬層的各項參數(shù)，和S-Parameters元件中頻率范圍和掃描間隔。并在GOAL元件中設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)，即將反射系數(shù)S11優(yōu)化到-70dB。最后設(shè)置OPTM元件中的優(yōu)化方式，常用的優(yōu)化方法有Random(隨機(jī))、Gradient(梯度)等。隨機(jī)法通常用于大范圍搜索時使用，梯度法則用于局部收斂。文中選擇 Random，優(yōu)化次數(shù)為300，其他的參數(shù)一般設(shè)為缺省。

5.3 匹配結(jié)果

點擊仿真按鈕，信息欄中Currentef為0時，優(yōu)化完成。此時更新優(yōu)化結(jié)果，可以看到MLIN元件和MLEF元件的長度值已經(jīng)被優(yōu)化成最佳值，如圖5所示。MLIN元件的長度被優(yōu)化成7.47 mm，MLEF元件的長度被優(yōu)化成9.60 mm。即先串聯(lián)一段長度為7.47 mm的50 Ω微帶線，然后再并聯(lián)一段長度為9.60 mm的50 Ω微帶線。按照這個結(jié)果將這些微帶線添加到布局中，可以得到新的天線布局，如圖6所示。

圖5 優(yōu)化匹配結(jié)果

圖6 天線的布局修改

用上述方法對修改后的天線再次進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖7所示。在圖7中的反射系數(shù)圓圖中可以看到，歸一化阻抗等于1.092-j0.004，接近于1，反射系數(shù)接近于0，即天線的輸入阻抗基本接近50 Ω。說明阻抗匹配效果良好，反射系數(shù)圖中的中心諧振頻率為2.401 GHz，滿足設(shè)計頻率。

圖7 匹配后的仿真結(jié)果

天線3D模型如圖8所示，立體方向圖如圖9所示。天線的總輻射圖如圖10所示，可以看到天線的增益 4.399 dB，方向性系數(shù) 5.635 dB，效率75.319%，達(dá)到設(shè)計要求。

6 結(jié)束語

介紹了微帶天線的輻射原理，依據(jù)經(jīng)典設(shè)計矩形微帶天線的公式，按照設(shè)計要求計算出天線的理論物理尺寸。利用ADS軟件中建立天線模型，然后對天線輻射特性進(jìn)行仿真，通過不斷調(diào)整天線模型的各個物理尺寸參數(shù)，并對其進(jìn)行優(yōu)化匹配，使設(shè)計出的2.4 GHz微帶天線的各項性能參數(shù)都達(dá)到設(shè)計要求。

圖10 天線增益、方向性系數(shù)和天線效率

[1]殷際杰.微波技術(shù)與天線[M].北京:電子工業(yè)出版社，2004.

[2]宋錚，張建華，黃治.天線與電波傳播[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2002.

[3]謝處方，邱文杰.天線原理與設(shè)計[M].西安:西北電訊工程學(xué)院出版社，1985.

[4]謝處方.近代天線理論[M].成都:成都電訊工程學(xué)院，2009.

[5]鮑爾I J，布哈蒂亞 P.微帶天線[M].梁聯(lián)悼，寇廷耀，譯.北京:電子工業(yè)出版社，1985.

[6]張均，張克誠，張賢鐸，等.微帶天線理論與工程[M].北京:國防工業(yè)出版社，1988.

[7]王新穩(wěn)，李萍.微波技術(shù)與天線[M].北京:電子工業(yè)出版社，2004.

[8]黃秋原，董詩波.射頻電路中匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計和分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報:交通科學(xué)與工程版，2007，31(6):1061-1063.

[9]陳艷華，李朝輝，夏瑋.ADS應(yīng)用詳解與射頻電路設(shè)計與仿真[M].北京:人民郵電出版社，2008.