何 俊 唐 廣

（電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，四川 成都 611731）

基于HFSS的UHF頻段印刷天線的設(shè)計

何 俊 唐 廣

（電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，四川 成都 611731）

文章基于HFSS軟件設(shè)計的曲折型天線，并同鞭狀天線進行尺寸比較。最后，仿真設(shè)計的曲折型天線，得到了適合應(yīng)用在特高頻（UHF）頻段無線通信系統(tǒng)的小尺寸天線，并且該天線也具有近似全向性能。

曲折型天線；UHF頻段；微帶天線；HFSS

（一）引言

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，基于此技術(shù)的各種應(yīng)用得到迅速發(fā)展。在無線局域網(wǎng)（WLAN）、射頻標(biāo)簽（RFID）、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)等應(yīng)用中，天線作為無線電設(shè)備中發(fā)射和接收無線電波的裝置，將在很大程度上影響整個系統(tǒng)的性能。這些應(yīng)用也對天線的小型化，全向性，多極化提出來較高的要求。微帶天線以其體積小，重量輕，便于集成等優(yōu)點，在無線通信應(yīng)用中得到了的大量的應(yīng)用與改進。本文就應(yīng)用于特高頻（UHF）頻段的印刷天線進行了小型化的設(shè)計改進，在HFSS中設(shè)計并仿真了一個工作在 2.4GHz頻點的印刷曲折型天線。

（二）天線原理與結(jié)構(gòu)

印刷單極天線一般由覆在介質(zhì)層同側(cè)或兩側(cè)的單極貼片和導(dǎo)體地板構(gòu)成，通過微帶線或共面波導(dǎo)進行饋電。

先比較一下曲折型天線相對于鞭狀天線在尺寸上的優(yōu)勢。早期采用的單極鞭狀天線，如圖1（a）所示，集成面積過大，不利于小型化與低成本生產(chǎn)；而采用曲折型結(jié)構(gòu)，如圖1（b）所示，就有效地縮減了單極鞭狀天線的尺寸。

圖1 （a）鞭狀天線 （b）曲折型天線

單極鞭狀天線一般采用半波對稱天線的單臂構(gòu)成，即天線臂長L=λ/4，由于天線印制到電路板上，印制天線位于空氣與介質(zhì)板之間，且介質(zhì)板背面無金屬，因為受板材影響，天線的諧振長度L應(yīng)由經(jīng)驗公式得出波長的修正值來計算：

式中，λ0為真空中波長，εre為有效介電常數(shù)。

有效介電常數(shù)εre由相對介電常數(shù)與微帶線線寬 w以及板厚度h確定

當(dāng)采用厚度為1.6mm，相對介電常數(shù)為4.4的FR-4材質(zhì)的介質(zhì)板時，根據(jù)公式計算數(shù)據(jù)在 HFSS中優(yōu)化后得到的2.4GHz的諧振天線臂長約為27.5mm，天線尺寸較大，使得應(yīng)用上限制了節(jié)點器件的尺寸大??；而采用曲折型結(jié)構(gòu)改進，使天線的諧振長度縮短到了13.5mm，這樣的尺寸與它的結(jié)構(gòu)使得在無線模塊集成天線時，電路的設(shè)計可以更為緊湊。

尺寸的縮減要以犧牲有效帶寬為代價，此處有效帶寬定義為S11<-10dB的頻帶寬度。在仿真結(jié)果中可以看到有效帶寬隨著尺寸的縮減而下降。

天線的每一節(jié)曲折部分的長度遠(yuǎn)小于頻點對應(yīng)的波長，因此可以考慮用終端短路傳輸線模型等效成電感來考慮其結(jié)構(gòu)對天線的影響。因此，曲折型天線可等效為加載電感的鞭狀天線，曲折型部分正好平衡了單極天線的負(fù)虛阻抗部分。天線的輻射特性類似于鞭狀天線，但天線的電流分布將發(fā)生改變，不會再是一個正弦函數(shù)。在此，由于其與鞭狀天線的類似性，不再討論天線的輻射功率，輻射阻抗，以及電磁場的分布。

下面以傳輸線理論簡要分析曲折型天線。根據(jù)傳輸線理論，每一段曲折線部分的輸入阻抗為

此處曲折線部分的特性阻抗為

由上述計算式可見，曲折線的間距、線寬、每段長度以及段數(shù)的不同，將改變影響天線的電抗部分，從而影響阻抗匹配到50歐姆的傳輸線。通過計算與軟件仿真，得出匹配到50歐姆傳輸線時的參數(shù)值為： =3mm，β=1mm，Lm=4mm，段數(shù)為3。

天線設(shè)計的第一步一般是選擇合適的介質(zhì)基片并確定其厚度 h，因為基片材料的相對介電常數(shù)εr、損耗正切角 tan δ和厚度 h將直接影響微帶天線的性能指標(biāo)。采用較厚的基片，可以展寬工作頻帶，效率也較高，但是h/λ0過大會引起表面波的明顯激勵。采用較高的εr，微帶天線的尺寸較小，但帶寬較窄，E面的方向圖較寬。當(dāng)減小時，可以使輻射對應(yīng)的Q 值下降，從而使頻帶變寬，降低還將減小表面波的影響。

本文所設(shè)計的曲折型天線直接印刷在厚度為1.6mm，相對介電常數(shù)為4.4的FR-4材質(zhì)的介質(zhì)基板上，介質(zhì)板的尺寸為32mm*18mm。具體天線結(jié)構(gòu)與在 HFSS中仿真優(yōu)化后使用的尺寸數(shù)據(jù)如圖 2 所示。天線由3個曲折部分與末端延長的部分組成，由50歐姆微帶線饋電。通過調(diào)節(jié)每段曲折線的長度與間距，以及末端延長線的長度，來調(diào)整天線達(dá)到合適的諧振長度。

圖2 優(yōu)化后的天線結(jié)構(gòu)與尺寸

（三）仿真結(jié)果與分析

借助仿真軟件 HFSS，天線的S11參數(shù)的仿真結(jié)果如圖 3所示。在2.4G處，S11=-32.7dB。有效帶寬（按-10dB計算）為700MHz左右?？梢姶饲坌吞炀€的帶寬雖然比單極鞭狀天線帶寬減小很多，但對于該頻段的應(yīng)用仍是足夠?qū)挼摹?/p>

圖3 S11參數(shù)仿真結(jié)果

圖 4 給出了天線在f=2.4GHz頻率點上的 E 面和 H 面方向圖。由天線輻射方向圖可以看出，該天線具有近似全向性能，能夠滿足引言中提到的該頻段的一些應(yīng)用的全向性要求。

圖4 天線在2.4GHz的方向圖

天線的最大增益仿真曲線如圖 5所示。在 2.4GHz 頻段內(nèi)，天線的增益變化范圍小于 0.2dB。與單極鞭狀天線相比，增益總體有所下降。

XY Plot 3 HFSSDesign2 Name X Y m1 2.4400-1.9198 m2 2.4000-2.0147 m4 2.4800-1.8336-1.75 Ansoft LLC m4-1.90 m1 dB(G-1.95-2.00-1.85-1.80 dB(GainTotal)S etup1 : S weep1 Max-2.05 o ta l)ainT Curv e Info 2.4 00 2.425 2.450 2.475 2.500 Freq [GHz]

該天線具有成本低、重量輕、易于加工與集成的優(yōu)點，采用曲折線結(jié)構(gòu)，使天線所占面積為：13.5mm×9.5mm，基本滿足了小型化的要求，易于集成在射頻電路板上。

（四）結(jié)論

本文研究了一種曲折型印刷天線。通過采用曲折線結(jié)構(gòu)縮小天線尺寸，與鞭狀天線相比較，該天線具有結(jié)構(gòu)簡單、易于調(diào)整、制作方便的優(yōu)點。該天線在HFSS仿真測試中的數(shù)據(jù)顯示其能夠使用在 UHF頻段的一些應(yīng)用中。在改進方面，對于天線可以在饋電位置上做一些調(diào)整，以獲得更好的性能。并且可以將曲折線結(jié)構(gòu)與倒 F天線結(jié)構(gòu)相結(jié)合，使天線尺寸得到進一步的縮小。

[1]Warnagiris, T.J. and Minardo, T.J..Performance of a Meandered Line as an Electrically Small Transmitting Antenna[C].IEEE Transactionson Anrennas and Propagation,vol.46,no.12,pp.1797 - 1801,1998.

[2]左群聲,金林,胡明春,趙玉潔,等譯.無線通信天線手冊[M].北京:國防工業(yè)出版社,2004.

TN820

A

1008-1151(2011)04-0023-02

2011-01-12

何俊（1987－，男，四川成都人，電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院碩士研究生，研究方向為射頻電路。