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(xiàn)的設(shè)計(jì)

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(jì)的曲折型天線(xiàn)，并同鞭狀天線(xiàn)進(jìn)行尺寸比較。最后，仿真設(shè)計(jì)的曲折型天線(xiàn)，得到了適合應(yīng)用在特高頻（UHF）頻段無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的小尺寸天線(xiàn)，并且該天線(xiàn)也具有近似全向性能。

曲折型天線(xiàn)；UHF頻段；微帶天線(xiàn)；HFSS

（一）引言

隨著無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)（WLAN）、射頻標(biāo)簽（RFID）、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)等應(yīng)用中，天線(xiàn)作為無(wú)線(xiàn)電設(shè)備中發(fā)射和接收無(wú)線(xiàn)電波的裝置，將在很大程度上影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。這些應(yīng)用也對(duì)天線(xiàn)的小型化，全向性，多極化提出來(lái)較高的要求。微帶天線(xiàn)以其體積小，重量輕，便于集成等優(yōu)點(diǎn)，在無(wú)線(xiàn)通信應(yīng)用中得到了的大量的應(yīng)用與改進(jìn)。本文就應(yīng)用于特高頻（UHF）頻段的印刷天線(xiàn)進(jìn)行了小型化的設(shè)計(jì)改進(jìn)，在HFSS中設(shè)計(jì)并仿真了一個(gè)工作在 2.4GHz頻點(diǎn)的印刷曲折型天線(xiàn)。

（二）天線(xiàn)原理與結(jié)構(gòu)

印刷單極天線(xiàn)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(guò)微帶線(xiàn)或共面波導(dǎo)進(jìn)行饋電。

先比較一下曲折型天線(xiàn)相對(duì)于鞭狀天線(xiàn)在尺寸上的優(yōu)勢(shì)。早期采用的單極鞭狀天線(xiàn)，如圖1（a）所示，集成面積過(guò)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(xiàn)的尺寸。

圖1 （a）鞭狀天線(xiàn) （b）曲折型天線(xiàn)

單極鞭狀天線(xiàn)一般采用半波對(duì)稱(chēng)天線(xiàn)的單臂構(gòu)成，即天線(xiàn)臂長(zhǎng)L=λ/4，由于天線(xiàn)印制到電路板上，印制天線(xiàn)位于空氣與介質(zhì)板之間，且介質(zhì)板背面無(wú)金屬，因?yàn)槭馨宀挠绊懀炀€(xiàn)的諧振長(zhǎng)度L應(yīng)由經(jīng)驗(yàn)公式得出波長(zhǎng)的修正值來(lái)計(jì)算：

式中，λ0為真空中波長(zhǎng)，εre為有效介電常數(shù)。

有效介電常數(shù)εre由相對(duì)介電常數(shù)與微帶線(xiàn)線(xiàn)寬 w以及板厚度h確定

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

尺寸的縮減要以犧牲有效帶寬為代價(jià)，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(xiàn)的每一節(jié)曲折部分的長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，因此可以考慮用終端短路傳輸線(xiàn)模型等效成電感來(lái)考慮其結(jié)構(gòu)對(duì)天線(xiàn)的影響。因此，曲折型天線(xiàn)可等效為加載電感的鞭狀天線(xiàn)，曲折型部分正好平衡了單極天線(xiàn)的負(fù)虛阻抗部分。天線(xiàn)的輻射特性類(lèi)似于鞭狀天線(xiàn)，但天線(xiàn)的電流分布將發(fā)生改變，不會(huì)再是一個(gè)正弦函數(shù)。在此，由于其與鞭狀天線(xiàn)的類(lèi)似性，不再討論天線(xiàn)的輻射功率，輻射阻抗，以及電磁場(chǎng)的分布。

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

此處曲折線(xiàn)部分的特性阻抗為

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

天線(xiàn)設(shè)計(jì)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?yàn)榛牧系南鄬?duì)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(xiàn)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(guò)大會(huì)引起表面波的明顯激勵(lì)。采用較高的εr，微帶天線(xiàn)的尺寸較小，但帶寬較窄，E面的方向圖較寬。當(dāng)減小時(shí)，可以使輻射對(duì)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(jì)的曲折型天線(xiàn)直接印刷在厚度為1.6mm，相對(duì)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(xiàn)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(xiàn)由3個(gè)曲折部分與末端延長(zhǎng)的部分組成，由50歐姆微帶線(xiàn)饋電。通過(guò)調(diào)節(jié)每段曲折線(xiàn)的長(zhǎng)度與間距，以及末端延長(zhǎng)線(xiàn)的長(zhǎng)度，來(lái)調(diào)整天線(xiàn)達(dá)到合適的諧振長(zhǎng)度。

圖2 優(yōu)化后的天線(xiàn)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(xiàn)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(jì)算）為700MHz左右?？梢?jiàn)此曲折型天線(xiàn)的帶寬雖然比單極鞭狀天線(xiàn)帶寬減小很多，但對(duì)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(xiàn)在f=2.4GHz頻率點(diǎn)上的 E 面和 H 面方向圖。由天線(xiàn)輻射方向圖可以看出，該天線(xiàn)具有近似全向性能，能夠滿(mǎn)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(xiàn)在2.4GHz的方向圖

天線(xiàn)的最大增益仿真曲線(xiàn)如圖 5所示。在 2.4GHz 頻段內(nèi)，天線(xiàn)的增益變化范圍小于 0.2dB。與單極鞭狀天線(xiàn)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(xiàn)具有成本低、重量輕、易于加工與集成的優(yōu)點(diǎn)，采用曲折線(xiàn)結(jié)構(gòu)，使天線(xiàn)所占面積為：13.5mm×9.5mm，基本滿(mǎn)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(xiàn)。通過(guò)采用曲折線(xiàn)結(jié)構(gòu)縮小天線(xiàn)尺寸，與鞭狀天線(xiàn)相比較，該天線(xiàn)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于調(diào)整、制作方便的優(yōu)點(diǎn)。該天線(xiàn)在HFSS仿真測(cè)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(jìn)方面，對(duì)于天線(xiàn)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(xiàn)結(jié)構(gòu)與倒 F天線(xiàn)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，使天線(xiàn)尺寸得到進(jìn)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(wú)線(xiàn)通信天線(xiàn)手冊(cè)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2004.

TN820

A

1008-1151(2011)04-0023-02

2011-01-12

何?。?987－，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?yàn)樯漕l電路。