一種433.92 MHz印刷天線的設(shè)計(jì)

楊輝 凃玲英 豐勵(lì) 帥 亮 尹龍川 曾李 劉樞翰

摘? 要： 鑒于汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（TPMS）中發(fā)射天線在PCB板上走線的局限性，根據(jù)傳統(tǒng)倒L型印刷天線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，微帶線在介質(zhì)基板上模仿蛇形天線的走線形式設(shè)計(jì)了一種433.92 MHz小型化蛇形印刷天線，利用彎折技術(shù)極大地減小了天線的結(jié)構(gòu)尺寸，并使用加載匹配網(wǎng)絡(luò)的方法改善了天線的阻抗特性。使用Ansoft HFSS 15.0仿真軟件對(duì)天線加載的匹配網(wǎng)絡(luò)中無(wú)源集總元件進(jìn)行參數(shù)分析和優(yōu)化，推導(dǎo)出天線加載的最佳無(wú)源集總元件的匹配值，并對(duì)天線的回波損耗、駐波比、天線阻抗和方向圖進(jìn)行了仿真測(cè)試。結(jié)果表明，優(yōu)化后的天線在433.92 MHz諧振頻點(diǎn)處的回波損耗為-21.64 dB，工作頻段為432.84～435.00 MHz，并且具有良好的全向性，可應(yīng)用在汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之中。

關(guān)鍵詞： 小型化天線; 蛇形印刷天線; 回波損耗; 天線阻抗匹配; 參數(shù)優(yōu)化; 仿真結(jié)果分析

中圖分類號(hào)： TN82?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）13?0006?05

Design of a 433.92 MHz printed antenna

YANG Hui1， TU Lingying1， FENG Li1， SHUAI Liang1， YIN Longchuan1， ZENG Li1， LIU Shuhan2

（1. School of Electrical and Electronic Engineering， Hubei University of Technology， Wuhan 430068， China;

2. School of Economics and Management， Changsha University of Science and Technology， Changsha 410067， China）

Abstract： As the transmission antenna routing has a limitation on PCB in TPMS， a 433.92 MHz miniaturized serpentine printed antenna is designed in this paper by simulating the serpentine antenna on the dielectric substrate and according to the structural characteristics of traditional inverted L type printed antenna， which greatly reduces the structure size of the antenna by using the bending technology. The impedance characteristics of the antenna are improved by loading a matching network. Ansoft HFSS 15.0 simulation software is used to analyze and optimize the parameters of the passive lumped elements in the matching network loaded by the antenna. The optimal matching value of the passive lumped elements loaded by the antenna is derived. The return loss， standing wave ratio， antenna impedance and directional diagram of the antenna were simulated. The results proves that the optimized antenna has a return loss of -21.64 dB at the resonance frequency of 433.92 MHz， and its effective working frequency range is 432.84～435.00 MHz， and it has good omnidirectional performance. Therefore， the antenna can be used in automobile tire pressure monitoring system.

Keywords： miniaturized antenna; serpentine printed antenna; return loss; antenna impedance matching; parameter optimization; simulation result analysis

0? 引? 言

汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（TPMS）能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)汽車在行駛過(guò)程中每個(gè)輪胎中是否出現(xiàn)漏氣或低氣壓的狀態(tài)，當(dāng)輪胎出現(xiàn)異常狀態(tài)時(shí)將對(duì)駕駛員進(jìn)行報(bào)警提醒，不僅降低了對(duì)輪胎的損耗，還避免了交通事故的發(fā)生[1?2]。相應(yīng)地，也避免了交通事故的發(fā)生。為了保證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控與報(bào)警，離不開(kāi)一個(gè)具有良好性能的天線，使得對(duì)特定工作頻率天線的研究顯得尤為重要。汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)射天線的工作頻率為433.92 MHz，因?yàn)樘炀€安裝在輪胎內(nèi)部的空間較小，汽車在行駛過(guò)程中環(huán)境不斷變化，為了保證汽車在行駛時(shí)能夠使數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠傳輸，所以對(duì)胎壓天線的方向性和小型化的研究尤為關(guān)鍵。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中天線實(shí)際有效尺寸和方向特性是小型化印刷天線的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。本文以倒L型印刷天線為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種433.92 MHz小型化蛇形印刷天線。仿真結(jié)果表明，天線尺寸大小為30 mm×23.4 mm，回波損耗為-21.64 dB，最大增益為-6.3 dBi，且具有全向性。

1? 天線結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的天線是根據(jù)傳統(tǒng)倒L型印刷天線經(jīng)過(guò)變形而得到的一種新結(jié)構(gòu)的天線。即把印制在PCB板上的倒L型天線采用彎折技術(shù)，將倒L型天線的水平部分折彎，變成蛇形即可，其主要目的是為了降低天線所占PCB板的面積。

由電磁學(xué)知識(shí)可知，當(dāng)電磁波在介電常數(shù)為[εr]的介質(zhì)中傳播時(shí)，其介質(zhì)波長(zhǎng)[λ]為：

式中[c]表示光在真空中傳播的速度。

對(duì)于PCB印刷天線，不僅要考慮介質(zhì)板材的介電常數(shù)對(duì)天線的影響，還要考慮天線周邊空氣的影響。

根據(jù)文獻(xiàn)[3]可知，印刷天線介質(zhì)基板的有效介電常數(shù)為：

式中：[εe]為介質(zhì)基板的有效介電常數(shù);[εer]為微帶線的有效介電常數(shù);[h]為介質(zhì)基板的厚度;[w]為印刷天線的線寬。

根據(jù)文獻(xiàn)[4?6]可知，在PCB蛇形印刷天線的設(shè)計(jì)過(guò)程中，其輻射貼片長(zhǎng)度通常取為[14]介質(zhì)波長(zhǎng)[λ]。

則天線的理論計(jì)算長(zhǎng)度[Lεr]為：

本文所設(shè)計(jì)的433.92 MHz蛇形PCB印刷天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用玻璃纖維環(huán)氧樹(shù)脂（FR?4）為介質(zhì)基板，介質(zhì)基板的介電常數(shù)[εr]=4.6，PCB板厚度[h]為1.6 mm。為了滿足所設(shè)計(jì)天線的增益要求，通常天線寬度[w]與介質(zhì)基板厚度[h]的比值需大于1，則取天線的寬度[w]為1.7 mm，通過(guò)對(duì)式（1）～式（3）天線的數(shù)值分析公式的計(jì)算，最終得到的天線理論計(jì)算長(zhǎng)度為172 mm，天線結(jié)構(gòu)參數(shù)值如表1所示。

2? 天線模型建立與仿真結(jié)果分析

2.1? 初始天線模型建立

采用Ansoft HFSS（High Frequency Structure Simulator，高頻結(jié)構(gòu)仿真器）15.0仿真軟件，根據(jù)表1結(jié)構(gòu)參數(shù)建立的433.92 MHz印刷天線模型如圖2所示，采用集總端口饋電。模型結(jié)構(gòu)分為三層：天線層、介質(zhì)層和接地層。

2.2? 初始天線仿真結(jié)果分析

回波損耗仿真結(jié)果如圖3所示?？梢缘贸觯禾炀€的中心頻率為1.086 1 GHz，回波損耗為-4.909 2 dB。此時(shí)的中心頻率與預(yù)期的中心頻率433.92 MHz相差較大，并且沒(méi)有滿足回波損耗低于-10 dB。

天線阻抗仿真結(jié)果如圖4所示?？梢缘贸觯寒?dāng)頻率為433.92 MHz時(shí)，天線的阻抗值為（3.77-j266.11） Ω，偏離了天線標(biāo)準(zhǔn)阻抗50 Ω。

由圖3、圖4的仿真結(jié)果分析可以得出：該結(jié)構(gòu)尺寸下的天線諧振頻率和回波損耗都不能滿足預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

為了降低天線的諧振頻率，由于天線安裝空間的局限性，根據(jù)微波網(wǎng)絡(luò)理論[7?8]，在不改變天線物理長(zhǎng)度的前提條件下，本文采用在天線輸入端加載匹配電路的方法，通過(guò)優(yōu)化調(diào)節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)中各無(wú)源集總元件的數(shù)值大小使得天線的輸入阻抗達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的50 Ω，使工作頻率和回波損耗達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.3? 加載匹配網(wǎng)絡(luò)后的天線模型建立與仿真結(jié)果分析

2.3.1? 微帶線饋線的設(shè)計(jì)

通常印刷天線的輸入阻抗設(shè)計(jì)目標(biāo)都是50 Ω，以便于通過(guò)50 Ω微帶饋線進(jìn)行阻抗匹配。在通信系統(tǒng)中，信號(hào)在天線與電路系統(tǒng)之間是否能高質(zhì)量傳遞的關(guān)鍵在于饋線上損耗的大小，饋線上損耗越小信號(hào)質(zhì)量越高，反之亦然。所以天線阻抗匹配的優(yōu)劣直接影響整個(gè)通信系統(tǒng)的質(zhì)量。

在50 Ω微帶饋線的設(shè)計(jì)中，借助APPCAD微帶傳輸線計(jì)算工具進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過(guò)程如圖5所示。

從圖5的計(jì)算結(jié)果中可得：帶饋線的厚度為[T=]0.2 mm，微帶線寬度為2.777 mm。

2.3.2? 匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

通常設(shè)計(jì)天線的匹配網(wǎng)絡(luò)要考慮到設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單性、可實(shí)現(xiàn)性、可調(diào)整性，本次匹配網(wǎng)絡(luò)采用L型匹配網(wǎng)絡(luò)[9]。使用Advanced Design System（先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)）2016.01中Smith Chart工具[10]對(duì)L型匹配電路進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證。

ADS仿真原理圖如圖6所示，利用Smith Chart工具如圖7所示，在Smith Chart Utility窗口中采用集總參數(shù)元件的手動(dòng)匹配。負(fù)載首先沿著等電阻圓順時(shí)針旋轉(zhuǎn)串聯(lián)一個(gè)電感[L]，然后又沿著等電導(dǎo)圓順時(shí)針旋轉(zhuǎn)并聯(lián)一個(gè)電容[C]。

如圖8所示，L型匹配電路中電感[L]值的大小為102.46 nH，電容[C]值的大小為25.63 pF。

天線在加載L型匹配網(wǎng)絡(luò)后，通過(guò)使用ADS仿真得到的[S]參數(shù)結(jié)果如圖9所示，其中心頻率為433.92 MHz，回波損耗達(dá)到了-53.343 dB。

2.3.3? 加載匹配網(wǎng)絡(luò)后的天線模型建立

為了不影響天線本身的輻射性能，在HFSS軟件中將ADS設(shè)計(jì)出的L型匹配網(wǎng)絡(luò)的無(wú)源集總元件加載到50 Ω微帶饋線上。加載集總元件后的天線模型如圖10所示。首先在天線的輸入端與50 Ω微帶饋線之間串聯(lián)一個(gè)匹配電感[L]，然后在50 Ω微帶饋線與接地板之間并聯(lián)一個(gè)匹配電容[C]。

2.3.4? 加載匹配網(wǎng)絡(luò)后的天線仿真結(jié)果分析

如圖11，圖12所示，天線在加載了無(wú)源集總元件匹配網(wǎng)絡(luò)后，天線的工作頻率為445.5 MHz，天線阻抗為（1.64-j2.93） Ω。與中心頻率433.92 MHz相差較大，并且天線輸出阻抗與標(biāo)準(zhǔn)50 Ω也存在較大差別。

接下來(lái)將對(duì)匹配網(wǎng)絡(luò)中電感[L]和電容[C]的數(shù)值對(duì)天線[S]參數(shù)的影響進(jìn)行分析和優(yōu)化。

2.4? [L]，[C]值對(duì)[S]參數(shù)的影響

為了獲得最優(yōu)的天線匹配網(wǎng)絡(luò)中電感和電容的數(shù)值，在之前HFSS建立的加載了無(wú)源集總元件的天線模型如圖10所示，對(duì)其匹配網(wǎng)絡(luò)中的電感電容參數(shù)進(jìn)行仿真和優(yōu)化。

2.4.1? 電感[C]值對(duì)天線[S]參數(shù)的影響

保持天線結(jié)構(gòu)參數(shù)以及匹配網(wǎng)絡(luò)中電感[L=]102.46 nH不變，借助HFSS軟件的參數(shù)掃描功能對(duì)天線的[S]參數(shù)進(jìn)行仿真。設(shè)置電容[C]的掃描范圍為23.63～27.63 pF，掃描間隔為1 pF。結(jié)果如圖13所示，天線的中心頻率隨電容[C]值的增大而減小，回波損耗值也隨電容[C]值的增大而減小。

2.4.2? 電感[L]值對(duì)天線諧振頻率的影響

保持天線結(jié)構(gòu)參數(shù)以及匹配網(wǎng)絡(luò)中電感[L]=25.63 nH不變，借助HFSS軟件的參數(shù)掃描功能對(duì)天線的[S]參數(shù)進(jìn)行仿真。設(shè)置電感[L]的掃描范圍為108.46～112.46 nH，掃描間隔為1 nH。結(jié)果如圖14所示，天線的中心頻率隨電容[C]值的增大而減小，而回波損耗值變化較小，可忽略不計(jì)。

由圖14可得：隨著電容[C]值的增大，天線的工作頻率和其回波損耗都在逐漸降低，而隨著電感[L]值的增大，天線的工作頻率在逐漸降低但其回波損耗保持不變。最終經(jīng)過(guò)優(yōu)化得到電感[L]=110.09 nH，電容[C]=25.63 pF。

2.5? 優(yōu)化后仿真結(jié)果

使用HFSS軟件仿真已經(jīng)優(yōu)化了的天線模型，在仿真過(guò)程中選取天線掃頻范圍為400～500 MHz，并分析仿真結(jié)果。

2.5.1? [S]參數(shù)結(jié)果分析

從圖15的[S]參數(shù)仿真結(jié)果得出：天線的中心頻率為433.92 MHz，工作頻段為432.84～435.00 MHz，回波損耗為-21.64 dB。

2.5.2? 駐波比結(jié)果分析

如圖16所示天線在433.92 MHz時(shí)的駐波比為1.180 6，滿足天線的設(shè)計(jì)要求。

2.5.3? 阻抗結(jié)果分析

如圖17所示天線在433.92 MHz時(shí)的阻抗值為（42.75-j2.56） Ω，與標(biāo)準(zhǔn)阻抗50 Ω匹配結(jié)果較好。

2.5.4? 方向圖結(jié)果分析

天線在工作頻率為433.92 MHz時(shí)的[xOy]平面和[xOz]平面的輻射方向圖分別如圖18，圖19所示?？傻贸觯涸赱xOy]面方向上的最大增益為-6.34 dBi，在[xOz]面方向上的最大增益為-6.21 dBi;[xOy]面方向圖以及[xOz]面方向圖曲線整體較為平穩(wěn)光滑且具有全向性。

3? 結(jié)? 論

本文首先對(duì)天線理論進(jìn)行分析，計(jì)算出天線的實(shí)際物理長(zhǎng)度，根據(jù)傳統(tǒng)的倒L型天線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，把印刷在PCB板上的傳統(tǒng)倒L型天線采用彎折技術(shù)，然后通過(guò)加載L型的匹配網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了一款小型化蛇形印刷天線。最終的仿真測(cè)試結(jié)果表明：天線的工作頻率為433.92 MHz，回波損耗達(dá)到-21.64 dB，駐波比為1.18，并且天線具有全向性，可應(yīng)用在汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之中，作為其發(fā)射天線。

注：本文通訊作者為豐勵(lì)。

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