無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中天線設(shè)計(jì)與研究

胡金良

（天津鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院鐵道電信學(xué)院 天津市 300240）

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[1]在國(guó)際上被認(rèn)為是繼互聯(lián)網(wǎng)之后的第二大網(wǎng)絡(luò)，對(duì)人們的工作、學(xué)習(xí)、生活等方面產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)把大量的傳感器節(jié)點(diǎn)自由式進(jìn)行組織與結(jié)合形成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)被感知對(duì)象的信息。天線是無(wú)線通信系統(tǒng)中不可或缺的重要組成單元，作為一種變換器，在進(jìn)行無(wú)線電波發(fā)射時(shí)，天線將高頻電流或?qū)须姶挪ㄞD(zhuǎn)化為空中傳輸?shù)臒o(wú)線電波；當(dāng)進(jìn)行無(wú)線電波接收時(shí)，天線將空中傳輸?shù)臒o(wú)線電波轉(zhuǎn)化為高頻電流或?qū)须姶挪āＳ纱丝梢?jiàn)，天線作為無(wú)線電波進(jìn)行收發(fā)傳導(dǎo)的唯一通道，天線的結(jié)構(gòu)、參數(shù)等對(duì)實(shí)現(xiàn)收發(fā)功能具有至關(guān)重要的意義。

本文設(shè)計(jì)的倒F 天線適應(yīng)于IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802.15是針對(duì)個(gè)人域網(wǎng)絡(luò)（Personal Area Network，PAN，中文簡(jiǎn)稱“個(gè)域網(wǎng)”）的系列規(guī)范，其中IEEE802.15.4 是針對(duì)低數(shù)據(jù)速率個(gè)域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)。

1 倒F天線的基本原理

倒F 天線的發(fā)展過(guò)程可以看作是從1/4 波長(zhǎng)單極子天線轉(zhuǎn)變?yōu)榈筁 天線，再?gòu)牡筁 天線轉(zhuǎn)變?yōu)榈笷 天線，如圖1所示。圖1（a）結(jié)構(gòu)就是倒L 天線，由單極子天線進(jìn)行垂直彎折而成，而由于地面的鏡像作用，導(dǎo)致天線輻射強(qiáng)度減小，輻射電阻減小，該轉(zhuǎn)換減小了天線高度，但同時(shí)增加了天線的容性，阻抗太低。為了增加輻射電阻，在垂直單元的末端附加一段倒L 型貼片，以彌補(bǔ)折疊部分與地面之間產(chǎn)生的容性分量，使其在改變天線的輸入阻抗的同時(shí)，不改變天線的諧振頻率。由于該天線外形與字母F 相似，故稱此天線為倒F 天線，如圖1（c）所示。

倒F 天線通常借助PCB 板制作成印刷天線[2]，圖1（c）為倒F 天線的基本結(jié)構(gòu)圖，它可以看成是由長(zhǎng)度為L(zhǎng) 的終端開(kāi)路傳輸線與長(zhǎng)度為S 的終端短路傳輸線并聯(lián)組成的諧振器。開(kāi)路傳輸線到饋電點(diǎn)可以看作電阻與電容的并聯(lián)，諧振時(shí)近似開(kāi)路；短路傳輸線到饋電點(diǎn)可以看作電阻與電容的串聯(lián)，諧振時(shí)近似短路。當(dāng)?shù)笷 天線發(fā)生諧振時(shí)，電流主要流過(guò)天線的終端開(kāi)路傳輸線和終端短路傳輸線，而饋電點(diǎn)處的電流基本為0。

倒F 天線有三個(gè)主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，分別是天線的諧振長(zhǎng)度L，天線的高度H 及兩條垂直臂之間的距離S，這三個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)決定著天線的輸入阻抗、諧振頻率和天線帶寬等性能。

2 倒F天線設(shè)計(jì)

對(duì)倒F 天線進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)考慮天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)性能的影響。綜合對(duì)比天線的諧振長(zhǎng)度L、天線的高度H 和豎直臂間距S 對(duì)天線的諧振頻率和輸入阻抗的性能影響，發(fā)現(xiàn)諧振長(zhǎng)度L 影響最大。適當(dāng)增加L 時(shí)，發(fā)現(xiàn)天線的諧振頻率和輸入阻抗都會(huì)減小，同時(shí)天線表現(xiàn)為感性；適當(dāng)減小L 時(shí)，天線的諧振頻率和輸入阻抗都會(huì)增大，同時(shí)天線表現(xiàn)為容性。通常，L 和H 的長(zhǎng)度之和約為1/4 工作波長(zhǎng)，由于倒F 天線要蝕刻在PCB 介質(zhì)層上，所以除了考慮自由空間工作波長(zhǎng)以外，還要增加對(duì)介質(zhì)層導(dǎo)波波長(zhǎng)的考慮，實(shí)際應(yīng)用中，L 和H 的長(zhǎng)度通?？梢杂梢韵陆?jīng)驗(yàn)公式得出：

其中，εr是介質(zhì)板材的介電常數(shù)，λ0是自由空間波長(zhǎng)。

圖1：倒F 天線的衍變過(guò)程

圖2：天線3D 模型

圖3：S11 掃頻分析結(jié)果

圖4：輸入阻抗結(jié)果報(bào)告

由于天線印制在PCB 板上，印制電路板的某些參數(shù)會(huì)影響天線的輻射特性。一般常用的PCB 其介質(zhì)層材料是玻璃纖維環(huán)氧樹(shù)脂（FR4），對(duì)應(yīng)的介電常數(shù)為εr=4.3，損耗正切tanδ=0.02，介質(zhì)層的厚度為1.6mm，長(zhǎng)度和寬度分別為40mm 和45mm。由于印制天線存在于空氣和介質(zhì)板中間，同時(shí)介質(zhì)板的背面沒(méi)有金屬材料，所以受板材材質(zhì)的影響，天線的波長(zhǎng)λ 不能用真空中波長(zhǎng)λ0和按微帶線中的任一計(jì)算，通常天線的波長(zhǎng)λ 可以由以下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算：

圖5：W 對(duì)天線性能的影響

圖6：Smith 圓圖

圖7：PCB 板厚度對(duì)天線諧振頻率的影響

圖8：天線三維增益方向圖

除了天線的波長(zhǎng)λ 以外，天線的3 個(gè)參數(shù)L、H 和S 也會(huì)因板材材質(zhì)的不同發(fā)生變化。在2.45GHz 時(shí)，λ0≈122.4mm，代入公式（2）得到λ ≈75.19mm。根據(jù)板子尺寸限制，初步設(shè)定L=14.8mm，H=4mm，S=5.1mm，天線寬度W=0.49mm，利用HFSS 仿真軟件驗(yàn)證各參數(shù)尺寸對(duì)天線的諧振頻率及輸入阻抗影響如表1所示：

通過(guò)分析得出，適當(dāng)調(diào)整倒F 天線的L、H 和S 參數(shù)，可將天線諧振在任何頻率上，同時(shí)使天線的輸入阻抗近似等于50Ω。換句話說(shuō)，本次設(shè)計(jì)的倒F 天線可以不需要額外增加任何外圍電路就可以很容易地實(shí)現(xiàn)與微波傳輸線的阻抗相匹配，增加了天線設(shè)計(jì)的自由性。

表1：結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)天線性能的影響

3 倒F天線仿真

首先，對(duì)天線進(jìn)行3D 建模，建模效果如圖2所示。建模完成后需要進(jìn)行集總端口激勵(lì)和理想邊界條件創(chuàng)建，并完成分析參數(shù)設(shè)置。由于本次設(shè)計(jì)的印制倒F 天線工作在2.4GHz ISM 頻段，其中心工作頻率為2.45GHz，所以將本次設(shè)計(jì)的頻率設(shè)置為2.45GHz，同時(shí)添加頻率范圍為1.8GHz ～3.2GHz 的掃描設(shè)置。最后，用HFSS 進(jìn)行數(shù)值分析計(jì)算。

HFSS 仿真結(jié)束后，經(jīng)過(guò)頻率掃描分析和輸入阻抗分析，得到S11曲線和輸入阻抗結(jié)果如圖3、圖4所示。從仿真結(jié)果報(bào)告中可以看出，天線諧振頻率為2.45GHz，10dB帶寬約為400MHz。在2.45GHz時(shí)，S11=-28.33dB，天線的輸入阻抗為（50.77+j3.2）Ω，天線的輸入阻抗和50Ω 匹配良好[3]。

除此之外，在天線設(shè)計(jì)時(shí)，還要考慮結(jié)構(gòu)參數(shù)W 對(duì)天線性能的影響，仿真結(jié)果如圖5所示，觀察可知，當(dāng)W=0.49mm 時(shí)，可以取得較好的匹配效果，此時(shí)的Smith 圓圖如圖6所示，在2.45GHz時(shí)，天線的歸一化輸入阻抗為1.0153+0.0638i，近似為1，說(shuō)明端口阻抗匹配良好。

最后，在天線整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，還需要考慮PCB 板的厚度對(duì)天線諧振頻率影響，因?yàn)镻CB 板厚度將直接關(guān)系到發(fā)射機(jī)輸出端到天線饋電點(diǎn)50Ω 微帶線的走線寬度，走線寬度不宜過(guò)寬，通常為1mm ～2mm。PCB 板厚度對(duì)天線諧振頻率的影響仿真報(bào)告如圖7所示。從仿真結(jié)果中能發(fā)現(xiàn)，在保證其他參數(shù)不變的情況下，當(dāng)PCB 板的厚度增加時(shí)，天線諧振頻率在慢慢地減小，其原因是由于材料介質(zhì)層厚度的增加，對(duì)介質(zhì)中的波長(zhǎng)產(chǎn)生影響，從而影響天線的諧振頻率。

天線3D 增益方向圖如圖8所示，從仿真圖可見(jiàn)，倒F 天線的方向圖近似為全向，最大增益達(dá)到2.9dB。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的倒F 天線，該天線具有低功耗、低速率傳輸、低成本、小型化、帶寬高等優(yōu)點(diǎn)。倒F 天線性能穩(wěn)定，在工作頻段內(nèi)dB（S11）均小于-10dB。從仿真結(jié)果可知，設(shè)計(jì)的倒F 天線性能良好且具有工程實(shí)用價(jià)值。