一種無線智能網(wǎng)絡(luò)傳感器彎曲微帶天線設(shè)計(jì)

陳曉飛，凌有鑄

（安徽工程大學(xué)　電氣傳動(dòng)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽　蕪湖　241000）

一種無線智能網(wǎng)絡(luò)傳感器彎曲微帶天線設(shè)計(jì)

陳曉飛，凌有鑄

（安徽工程大學(xué)電氣傳動(dòng)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽蕪湖241000）

設(shè)計(jì)了一種適用于無線智能網(wǎng)絡(luò)傳感器的彎曲微帶貼片天線，該天線能夠滿足無線智能網(wǎng)絡(luò)傳感器小型化，耗低功，高集成度等方面的要求.通過HFSS軟件進(jìn)行仿真優(yōu)化，該天線中心頻率滿足ISM規(guī)定的2.45G Hz，回波損耗、帶寬、方向、增益均達(dá)到了較好的效果.實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果表明此彎曲微帶天線設(shè)計(jì)可以適用于無線智能網(wǎng)絡(luò)傳感器模塊.

天線；無線智能網(wǎng)絡(luò)傳感器；HFSS

隨著互聯(lián)網(wǎng)和智能通信技術(shù)的不斷發(fā)展，人類社會(huì)的生產(chǎn)生活也在不斷提高.無線傳感器在科技日星月異的今天承擔(dān)的重要的作用，已經(jīng)成為國(guó)防軍事，生物醫(yī)療，環(huán)境保護(hù)，交通管理等領(lǐng)域不可或缺的力量.而在無線智能網(wǎng)絡(luò)傳感器系統(tǒng)中，天線是一個(gè)需要高度重視的元件，它是無線傳感器節(jié)點(diǎn)之間相互通信的紐帶，用于發(fā)射和接收無線電信號(hào).微帶貼片天線體積小，功耗低，可高度集成，因而也成為了無線智能網(wǎng)絡(luò)傳感器的較好選擇.

對(duì)無線智能網(wǎng)絡(luò)傳感器天線的研究，許多國(guó)內(nèi)外專家任在設(shè)計(jì)研究：文獻(xiàn)［1］提出了一種適用于無線網(wǎng)絡(luò)的倒F天線，結(jié)構(gòu)緊湊，采用同軸線匹配無需匹配電路，滿足了距離、適應(yīng)性、功耗等要求；文獻(xiàn)［2］利用共面帶狀饋電，設(shè)計(jì)了一種印制折合偶極天線，實(shí)現(xiàn)了天線與饋電的較好匹配；文獻(xiàn)［3］對(duì)無線智能網(wǎng)絡(luò)傳感器天線的應(yīng)用選擇給出了很好的意見，對(duì)比了全天向天線和定向天線在不同環(huán)境下，工作效率的差異；文獻(xiàn)［4］提出的一種用于無線傳感器的印制天線，設(shè)計(jì)工作頻率2.45G Hz，具有小型化，高集成度等要求.

本文針對(duì)無線智能網(wǎng)絡(luò)傳感器天線設(shè)計(jì)的要求，設(shè)計(jì)并仿真了一種可適用于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的彎曲微帶貼片天線.該天線非常薄，出了滿足天線本身小型化，低功耗，高集成度的要求外，對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)體積來說也是一個(gè)很好的優(yōu)點(diǎn).

1　天線設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的彎曲微帶天線工作于ITU-R所定義的ISM頻段，其中心頻率為2.45GHZ，可適用于無線局域網(wǎng)（WLAN）、ZigBee、藍(lán)牙等無線網(wǎng)絡(luò).根據(jù)天線設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，在給定了介質(zhì)厚度（h）、材料（相對(duì)介電常數(shù)）的條件下，彎曲微帶天線輻射元的長(zhǎng)度L、寬度W和工作頻率相關(guān).寬度W的尺寸大小還對(duì)微帶天線的輻射電阻、方向性函數(shù)以及輸入阻抗值都有著相當(dāng)大的影響.考慮到減小此種影響，通常要求寬度W滿足公式（1）的要求：

在（2）式中λg為fr相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，εe為彎曲微帶天線采用基片的有效介電常數(shù)，取值大小由公式（3）決定：

其中，h、w分別是天線的高度和寬度.但在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮到邊緣場(chǎng)對(duì)天線主體部分的影響，因而需要對(duì)天線單元長(zhǎng)度L的取值進(jìn)行誤差修正，如公式（4）所示Δl即為L(zhǎng)的修正量：

我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)，考慮到彎曲微帶天線應(yīng)用在無線智能網(wǎng)絡(luò)傳感器上應(yīng)有小型化，高集成等特點(diǎn).根據(jù)上述公式計(jì)算出天線的實(shí)際尺寸，選定了一些位置坐標(biāo)，如下表1所示，然后在HFSS上建模，仿真優(yōu)化得到此彎曲微帶天線的模型.該天線中心工作頻率2.45GHz，尺寸長(zhǎng)度15mm，寬為9.3mm，基板長(zhǎng)度29mm，寬為15mm，基板厚度為1mm.在確定了彎曲微帶天線的長(zhǎng)度L和寬度W之后，還需要確定饋點(diǎn)的位置，此彎曲微帶天線采用的是單點(diǎn)直接饋電的方式，貼片中心距離饋電點(diǎn)的距離為5.8mm.為了保證天線體積的穩(wěn)定性，饋線末端需要接地孔，以便和接地層相連，我們采用的是一個(gè)半徑0.25mm的圓形孔.饋點(diǎn)的位置也會(huì)影響天線的輸入阻抗.在設(shè)計(jì)天線時(shí)，為了防止饋電的位置對(duì)信號(hào)反射的影響，計(jì)算得出線路的阻抗為82.26歐姆.

表1　彎曲微帶天線設(shè)計(jì)參數(shù)表

2　仿真建模

高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件HFSS（High Frequency Structure Simulator）可精確計(jì)算、仿真天線的各種性能，包括遠(yuǎn)場(chǎng)（近場(chǎng)）輻射方向、天線阻抗、電壓駐波比、天線增益、S參數(shù)等.在高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件HFSS中采用有限元法建立一個(gè)二維平面模型，依據(jù)設(shè)計(jì)設(shè)定理想條件下導(dǎo)體邊界條件，使用理想薄導(dǎo)體來代替參考地和彎曲微帶貼片.建立的模型與仿真如圖1所示.

圖1　天線仿真圖

彎曲線微帶貼片天線的方向圖如圖2所示，從圖中仿真結(jié)果可以看出，彎曲微帶天線的方向性效果很好，沒有波瓣產(chǎn)生，在Z軸方向上輻射強(qiáng)度達(dá)到了最大，其他方向輻射較為分散（紅色部分表示輻射強(qiáng)度較大的區(qū)域，黃色部分為輻射強(qiáng)度相對(duì)較低的區(qū)域，而綠色區(qū)域輻射強(qiáng)度則表示達(dá)到最低）.

圖2　天線方向圖

輸入反射系數(shù)（S參數(shù)）圖如圖3所示，它是表示電磁波在波端口處的反射功率和入射功率的比值.為了彎曲微帶天線中心頻率處的情況能被更好的觀察，我們選取了兩個(gè)相差比較大的頻率掃描范圍.結(jié)果顯示回波損耗為-21db，滿足在一般通信系統(tǒng)中反射系數(shù)小于-14dB的要求.

圖3　天線S參數(shù)直角圖

天線結(jié)果參數(shù)統(tǒng)計(jì)如下表2所示：

表2　仿真結(jié)果參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

3　結(jié)論

建模仿真結(jié)果分析表明：本文設(shè)計(jì)的一種無線智能網(wǎng)絡(luò)傳感器天線，從頻點(diǎn)位置可看出該天線中心工作頻率達(dá)2.45G Hz，回波損耗-21db，增益、駐波比均達(dá)到較好的效果，且工作效率也滿足實(shí)際應(yīng)用.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明此天線設(shè)計(jì)適用于無線智能網(wǎng)絡(luò)傳感器模塊，接下來的工作重點(diǎn)是對(duì)事物進(jìn)行實(shí)測(cè)加工，驗(yàn)證其實(shí)際性能和工作效率.

〔1〕李茂，張弘，李智.一種適用于無線網(wǎng)絡(luò)的倒F天線設(shè)計(jì)［J］.信息與電子工程，2006（12）：4-6.

〔2〕邱金燕，張子文，毛善國(guó).無線傳感網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)天線設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2009，45（32）：65-68.

〔3〕張衡，陳東義，劉冰.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)天線的應(yīng)用選擇研究［J］.電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，4（5）:39.

〔4〕劉輝，俞萍，郭有環(huán).一種基于智能家居無線傳感器的印制天線設(shè)計(jì)［J］.科技廣場(chǎng)，2015，3（15）:81-84.

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