2.45 GHz倒F型彎折印刷天線研究與應(yīng)用*

柳敏瑞，田銘興，陳小強(qiáng)，祁永超

(1.蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省軌道交通電氣自動(dòng)化工程實(shí)驗(yàn)室(蘭州交通大學(xué))，甘肅 蘭州730070)

0 引 言

作為自由空間與無線電設(shè)備的媒介，天線是限制終端設(shè)備具有高集成度及小型化的主要因素[1]。而小型化天線的性能是確定節(jié)點(diǎn)通信距離以及無線通信網(wǎng)絡(luò)可靠性的主要因素。應(yīng)用于終端設(shè)備的天線主要為倒F型天線以及普通單極子天線，后者作為內(nèi)置天線時(shí)對(duì)環(huán)境變化較前者更為敏感，而倒F天線(inverted-F antenna,IFA)結(jié)構(gòu)參數(shù)少且匹配電路簡(jiǎn)單。另外，其比吸收率(specific absorption rate,SAR)更低，故得到終端天線技術(shù)的更多應(yīng)用[2]。

國內(nèi)外對(duì)印刷倒F天線的研究已達(dá)數(shù)年，但終端的大小尺寸等條件對(duì)天線設(shè)計(jì)的影響較大，同一天線用于不同終端時(shí)，性能也會(huì)有較大差異[3]。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了一種駐波比(voltage standing wave ratio,VSWR)小于時(shí)帶寬為160 MHz的倒F天線，但尺寸偏大；文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一種15 mm×6 mm的折疊天線，但帶寬較窄；文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一種工作于2.4 GHz的印刷天線，尺寸較大，為25.7 mm×7.5 mm。

本文通過對(duì)2.45 GHz天線的研究[7]，結(jié)合目標(biāo)終端，在Ansys HFSS中建模，對(duì)天線性能與其結(jié)構(gòu)參數(shù)間的關(guān)系分析研究[7]，在倒F天線的基礎(chǔ)上，將天線的水平部分彎折，設(shè)計(jì)出一種中心頻率為2.45 GHz小體積的印刷倒F型彎折天線。

1 天線結(jié)構(gòu)研究

1.1 原理結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

倒F天線由單極子天線發(fā)展而來，為減小單極子天線高度，將天線彎折90°的同時(shí)天線容性增加，因此在彎折處添加L型貼片，便得到倒F天線[8]。倒F天線結(jié)構(gòu)如圖1。將天線端點(diǎn)分別標(biāo)記為a點(diǎn)、b點(diǎn)、c點(diǎn)，ab間可視為串聯(lián)的電感與電阻，bc間可視為并聯(lián)的電阻與電容，諧振時(shí)，ab間短路，bc間開路[9]?；谝陨戏治?，倒F天線的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為天線諧振長(zhǎng)度L，天線高度H以及天線兩豎直臂間距S，這3個(gè)主要因子決定了天線的諧振頻率、輸入阻抗以及天線增益等性能?？紤]終端設(shè)備對(duì)天線預(yù)留空間的限制，本文將天線諧振長(zhǎng)度彎折成為倒F彎折天線，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)與倒F天線一致。

圖1 倒F天線結(jié)構(gòu)

1.2 參數(shù)對(duì)天線性能影響研究

1.2.1 參數(shù)分析

本文所設(shè)計(jì)的天線工作的中心頻率為2.45 GHz，印刷于玻璃纖維環(huán)氧樹脂(FR4)板上。

根據(jù)通信信號(hào)的中心頻率可計(jì)算此信號(hào)在自由空間的波長(zhǎng)λ為

(1)

根據(jù)單極子天線的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，倒F天線工作長(zhǎng)度為1/4工作波長(zhǎng)[10]，天線印刷制作于PCB上，故天線總長(zhǎng)即L+H需結(jié)合信號(hào)在自由空間的波長(zhǎng)以及在印刷板介質(zhì)層上傳播的波長(zhǎng)，其值介于1/4倍二者波長(zhǎng)之間[11]。由于倒F天線屬于電子天線，對(duì)近場(chǎng)區(qū)的介電常數(shù)變化較為敏感，故而在計(jì)算天線長(zhǎng)度時(shí)需要部分周邊空氣考慮在內(nèi)，對(duì)板材的相對(duì)介電常數(shù)修正[12]

(2)

(3)

式(2)是對(duì)板材相對(duì)介電常數(shù)的修正，其中,εr為印刷板板材的相對(duì)介電常數(shù)，依照FR4的性質(zhì)，取εr=4.2；h為板材厚度，取h=0.8 mm，w為天線寬度，取w=0.5 mm，εeff為介質(zhì)板材有效介電常數(shù)。天線初始尺寸計(jì)算見式(3)，其中L為天線長(zhǎng)度，H為天線高度，λ為信號(hào)的自由空間波長(zhǎng)。

1.2.2 建立模型

本文采用Ansys HFSS v15.0對(duì)所設(shè)計(jì)天線建立模型，仿真分析了天線性能隨各結(jié)構(gòu)參數(shù)改變時(shí)的變化，結(jié)合終端對(duì)天線預(yù)留空間大小，參考設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，將倒F天線彎折為如圖2所示結(jié)構(gòu)，天線的板載介質(zhì)層厚度取0.8 mm，倒F形狀彎折后天線的初始尺寸如表1所示。

圖2 彎折倒F天線結(jié)構(gòu)

表1 天線的初始尺寸

根據(jù)所建模型，仿真得到天線的回波損耗曲線，如圖3，諧振頻率為2.5 GHz，而設(shè)計(jì)目標(biāo)為2.45 GHz，因此對(duì)根據(jù)天線理論，對(duì)天線參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使其諧振中心頻率在2.45 GHz處。

圖3 初模型下天線回波損耗

采用參數(shù)掃描分析法[13]，以天線高度H為掃描變量，其余變量不變，改變H，從H=3.8 mm到H=5.0 mm，每間隔3 mm為一個(gè)值分析天線諧振頻率的變化情況，如圖4，天線高度H=4.1 mm時(shí)，天線諧振頻率位于目標(biāo)值2.45 GHz。因此，選用H=4.1 mm，其余變量數(shù)值與表1保持一致，分析天線高度H,天線長(zhǎng)度L及天線兩豎臂間距S對(duì)天線性能的影響。

圖4 回波損耗掃描分析結(jié)果

1)諧振長(zhǎng)度對(duì)倒F彎折天線的影響

此模型中對(duì)天線水平部分進(jìn)行彎折，形成多段，此處僅以L1為代表，改變其變量值，分析其變化對(duì)天線性能的影響。保持H=4.1 mm 及S=1.4 mm不變，分別取L1=2.94,3.94,4.94 mm，得到圖5(a1)和圖5(a2)，分析可得，諧振長(zhǎng)度的改變對(duì)天線工作的中心頻率點(diǎn)影響較為明顯，二者變化呈負(fù)相關(guān)性，L1增大，中心頻點(diǎn)左移，L1減小，中心頻點(diǎn)右移；而對(duì)天線阻抗影響較小，但也隨L1增大而減小，隨L1的較小而增大。之后再保持L1的值不變，分別改變L2,L3,L4,L5的值，可得到與改變L1時(shí)相同的結(jié)論，故而L1可代表整個(gè)天線諧振長(zhǎng)度改變時(shí)天線性能的變化趨勢(shì)。

2)天線高度對(duì)倒F彎折天線的影響天線的高度是天線所占空間大小的重要體現(xiàn)，所以，需在保證天線性能的基礎(chǔ)上盡可能實(shí)現(xiàn)小型化[14]。保持S=1.4 mm和L1=3.94 mm不變分別取天線高度H=3.1,4.1,5.1 mm，得到天線性能曲線如圖5(b)。分析圖中回波損耗曲線的變化，可得到，H改變時(shí)，曲線的變化程度較為明顯，H增加時(shí)，天線諧振的中心頻點(diǎn)隨之右移，反之左移。分析圖5(b2)，可體現(xiàn)出，天線高度改變時(shí)輸入阻抗曲線的變化較為明顯，H增加時(shí)，輸入阻抗增加，反之減小。

3)天線兩豎直臂間距對(duì)倒F彎折天線的影響

天線兩豎直臂間距S即天線接地點(diǎn)與饋點(diǎn)之間的距離。保持H=4.1 mm及L1=3.94 mm不變，改變兩豎臂間距S，分別取S=0.4,1.4,2.4 mm，觀察天線性能變化。此時(shí)，天線的回波損耗以及Smith圖如圖5(c)，當(dāng)天線兩豎直臂間距S變化時(shí)，諧振頻率的波動(dòng)較小，S增加時(shí)，中心頻點(diǎn)小程度的隨之右移，反之則左移，天線的輸入阻抗與諧振頻率的變化正好相反，S增大時(shí)，輸入阻抗減小，反之亦然。

圖5 改變天線參數(shù)時(shí)回波損耗和輸入阻抗

2 仿真分析優(yōu)化

天線模型的地平面大小為48 mm×57 mm，介質(zhì)層厚度為0.80 mm，采用參數(shù)掃描分析方法，掃描優(yōu)化各結(jié)構(gòu)參數(shù)，取得最優(yōu)值[15]如表2。參數(shù)優(yōu)化后，在諧振頻率2.45 GHz處，天線回波損耗為-20.42 dB，VSWR為1.66，天線輸入阻抗約為(48.95-9.40i)Ω，其有效值約等于目標(biāo)值50 Ω，從Smith圖中得到，天線的歸一化阻抗為(0.98-0.19i)Ω，其有效值約為理想值1，天線匹配良好[16]。

表2 天線優(yōu)化后尺寸

將天線置于空氣盒子之中，盒子各表面距天線距離需至少大于1/4倍的信號(hào)的自由空間波長(zhǎng)[17]，設(shè)置盒子表面為輻射條件，分析天線的方向性能。選擇2.45 GHz處，得到天線在XZ平面、XY平面以及3D增益圖，如圖6(d)～圖6(f)。在XZ平面的-90°的方向上以及XY平面的-60°和150°的方向上存在畸變，天線的方向性最差，其余方向，天線輻射性能良好，在兩平面上總體都呈現(xiàn)出全向性，在3D增益圖中也證實(shí)天線向各方向呈現(xiàn)輻射特性，增益最大處可達(dá)到3.81 dB。

圖6 優(yōu)化后仿真結(jié)果

3 加載天線的無線通信節(jié)點(diǎn)測(cè)試

根據(jù)優(yōu)化后的天線加載于主控芯片為CC2530的印刷電路板上，電路板厚度與天線建模介質(zhì)層厚度一致均為0.80 mm，天線制作厚度為0.03 mm，其實(shí)物如圖7，通過測(cè)試無線通信節(jié)點(diǎn)之間的通信情況從而對(duì)天線性能進(jìn)行測(cè)試[18]。

圖7 加載倒F彎折天線的通信節(jié)點(diǎn)

采用2個(gè)加載印刷倒F彎折天線的無線通信節(jié)點(diǎn)，編輯程序設(shè)置一個(gè)節(jié)點(diǎn)為發(fā)送節(jié)點(diǎn)，另一個(gè)節(jié)點(diǎn)為接收節(jié)點(diǎn)，兩節(jié)點(diǎn)之間可無線通信。通過一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送幀數(shù)據(jù)，對(duì)另一個(gè)節(jié)點(diǎn)的接收應(yīng)答情況做以記錄，測(cè)試時(shí)，2個(gè)無線通信節(jié)點(diǎn)直線距離為100 m，2個(gè)節(jié)點(diǎn)直線連接線之間無大面積障礙物。為減小誤差，對(duì)多次測(cè)試數(shù)據(jù)取均值[19]。

發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，接收節(jié)點(diǎn)接收，共測(cè)試3組，每組數(shù)據(jù)包間隔1 s發(fā)送，共500個(gè)數(shù)據(jù)包，2個(gè)節(jié)點(diǎn)間通信情況如表3。實(shí)驗(yàn)表明，該天線在100 m內(nèi)通信數(shù)據(jù)丟包率為0.2 %，滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 無線通信節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果

4 結(jié) 論

印刷版倒F型彎折天線體積小，成本低，可大批量生產(chǎn)[20]。本文設(shè)計(jì)的倒F型彎折天線，經(jīng)優(yōu)化后在中心頻率2.45 GHz處，天線歸一化阻抗約為1，輸入阻抗有效值約50 Ω，與芯片及外圍電路匹配較好。天線回波損耗為-20.42 dB，且呈現(xiàn)全向性。并應(yīng)用此天線于CC2530終端設(shè)備并做測(cè)試，其性能滿足設(shè)計(jì)要求。此外，控制變量，分析了各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)倒F彎折天線的諧振頻率及輸入阻抗的影響，為設(shè)計(jì)及優(yōu)化此類天線提供參考。