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摘 要： 摘要：針對當(dāng)前無線通信節(jié)點(diǎn)微型化的需求和已有印刷倒F天線存在增益不足、有效帶寬較窄、回波損耗偏高等缺陷的現(xiàn)狀，設(shè)計了一種應(yīng)用于2.45 GHz無線傳感網(wǎng)絡(luò)的印刷型倒F天線，文中采用Ans蕊HFSS建立了天線模型，從理論上對印刷倒F天線的三大結(jié)構(gòu)參數(shù)(諧振長度￡、天線高
摘要：針對當(dāng)前無線通信節(jié)點(diǎn)微型化的需求和已有印刷倒F天線存在增益不足、有效帶寬較窄、回波損耗偏高等缺陷的現(xiàn)狀，設(shè)計了一種應(yīng)用于2.45 GHz無線傳感網(wǎng)絡(luò)的印刷型倒F天線，文中采用Ans蕊HFSS建立了天線模型，從理論上對印刷倒F天線的三大結(jié)構(gòu)參數(shù)(諧振長度￡、天線高度日、兩豎臂間距s)進(jìn)行了仿真研究，并最終推導(dǎo)出了以2.45 GHz為中心頻點(diǎn)的最優(yōu)天線結(jié)構(gòu)參數(shù)，即￡=16.2 mm，日=3.7 mm，s=5 mm。在該結(jié)構(gòu)參數(shù)下的仿真結(jié)果展現(xiàn)出了天線優(yōu)異的輻射性能，其回波損耗低至s11=一47.8 dB，電壓駐波比俗職<2的有效帶寬為160 MHz。同時，還采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對天線實(shí)物的回波損耗特性進(jìn)行了測試，測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合。最后，設(shè)計出了加載該印刷倒F天線的cC2530無線通信節(jié)點(diǎn)，并對其通信性能進(jìn)行了實(shí)際測試，節(jié)點(diǎn)的通信性能測試結(jié)果表明：加載了該印刷倒F天線的節(jié)點(diǎn)在80 m的通信距離內(nèi)丟包率為o.17%，優(yōu)于同類無線通信節(jié)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：倒F天線;回波損耗;電壓駐波比;增益
l 引 言
隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)無線傳感網(wǎng)對無線通信節(jié)點(diǎn)提出了微型化的新要求…。一般而言，無線通信節(jié)點(diǎn)中的通信模塊主要由射頻芯片及其外圍電路和天線兩大部分組成，天線的性能直接決定了節(jié)點(diǎn)甚至整個無線通信網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)舊o。然而，無線通信節(jié)點(diǎn)微型化的特殊要求決定了天線必須具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、成本低的特點(diǎn)。印刷倒F(IFA)天線以其結(jié)構(gòu)簡單、易于匹配和設(shè)計成本低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于藍(lán)牙、EE 802.a/b/g等短距離無線通信領(lǐng)域¨…。
國內(nèi)外對印刷倒F(IFA)天線的研究已經(jīng)歷經(jīng)數(shù)年的歷史，然而，以往研究者所設(shè)計的印刷倒F天線大都存在增益不足，回波損耗過大，有效帶寬過窄等缺點(diǎn)。9。…，為克服這些缺點(diǎn)，許多國內(nèi)外研究者從天線的極化、阻抗機(jī)理、電流特性等層面對印刷倒F天線進(jìn)行了深入的研究，其中soms c¨列和劉彤‘141分別從印刷倒F天線的結(jié)構(gòu)和天線的極化、阻抗匹配等理論層面對印刷倒F天線進(jìn)行了深入分析，他們所設(shè)計的印刷倒F天線具有足夠大的增益，且其回波損耗的仿真結(jié)果分別為一30 dB和一16 dB，因?yàn)锳nsoft HFss的仿真結(jié)果具有足夠的有效性和可靠性¨“，因此他們所設(shè)計的天線達(dá)到了系統(tǒng)的應(yīng)用要求‘16。1 7。。
為了進(jìn)一步提升印刷倒F天線的增益和降低天線的回波損耗，本文汲取了soms c【1列和劉彤¨41的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，從印刷倒F天線的三大結(jié)構(gòu)參數(shù)出發(fā)，通過Ansoft HFSs 對印刷倒F天線的各結(jié)構(gòu)參數(shù)與天線中心頻率、輸入阻抗和回波損耗的關(guān)系進(jìn)行了深入的研究，設(shè)計了一款工作于2.45 GHz頻段的印刷倒F天線，Ansoft HFss的仿真結(jié)果表明：該天線工作于2.45 GHz頻段時，增益達(dá)到了2.92 dBi，回波損耗低至一47 dB。
2印刷倒F天線的結(jié)構(gòu)研究
倒F天線(IFA)是在單極子天線的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種變形結(jié)構(gòu)，經(jīng)歷了由1/4波長單極子天線到倒L 天線再到倒F天線的過程…1，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。饋點(diǎn)圖l倒F天線結(jié)構(gòu) Fig.1 Inverted—F Antenna Stmcture
如圖所示，倒F天線可以等效為一種a端開路，c端短路的振蕩器，它由長為￡的終端開路傳輸線和長為S 的終端短路傳輸線并聯(lián)而成，其中，a端到b端可以視作電阻和電容并聯(lián)，c端到b端可以視作電阻和電感串聯(lián)。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過調(diào)整b點(diǎn)的位置和天線的尺寸來進(jìn)行匹配，以獲得在工作頻段的理想匹配效果。
因此，根據(jù)上面的分析可以知道，倒F天線中決定著天線的輸入阻抗、諧振頻率和帶寬等性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有3個，即天線的諧振長度￡、天線的高度日和兩豎直臂間距。
2.2倒F天線結(jié)構(gòu)參數(shù)對天線性能的影響
研究要研究天線結(jié)構(gòu)對其性能的影響需要根據(jù)本文的具體需要建立合適的天線模型，因此，在研究中需要涉及到天線的初始尺寸設(shè)定和天線的三維模型建立與仿真。
本文在模型的建立中將印刷倒F天線結(jié)構(gòu)模型分為 3個部分，分別為倒F形狀天線、介質(zhì)層和接地層，介質(zhì)層厚度選擇0.8 mm，接地層位于介質(zhì)層下面。此外，為了便于分析天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)對天線性能的影響和對天線進(jìn)行優(yōu)化，天線的結(jié)構(gòu)均采用變量進(jìn)行表示，根據(jù)上文的計算結(jié)果，變量初始值設(shè)定如表l所示。
本文采用Ansoft HFss v13.0對所設(shè)計的天線進(jìn)行模型的建立和仿真，根據(jù)表l中結(jié)構(gòu)初始值所建立的模型如圖2所示。
圖3為該天線的回波損耗，由圖可以看出，該圖的諧振頻點(diǎn)為2.4 GHz，偏離了本文所需要的諧振中心頻點(diǎn) 2.45 GHz，為了使下文的研究更加方便和直接，需要對天線結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析，調(diào)整結(jié)構(gòu)尺寸，將中心頻點(diǎn)調(diào)整至 2.45 GHz.
添加天線高度H為掃描變量，通過HFSS的掃描分析功能查看日在3.7～4.2 mm時的天線諧振頻率變化情況，如圖4所示。由圖分析可知，當(dāng)L=16.2 mm，日= 衛(wèi)=3.7 mm時，諧振頻點(diǎn)處于2.45 GHz。
根據(jù)以上對印刷倒F天線的分析，選擇H=3.7 mm，L= 16.2 mm，s=5 mm作為印刷倒F天線的初始尺寸進(jìn)行分析。
2.2.2倒F天線結(jié)構(gòu)參數(shù)對天線性能的影響研究
決定倒F天線性能的3個主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有天線的諧振長度L、天線的高度日及兩豎臂間距s，諧振長度￡對天線性能的影響可以通過波長與頻率的關(guān)系進(jìn)行推導(dǎo)，但是對于天線的高度參數(shù)日以及接地點(diǎn)和饋點(diǎn)間的距離 5，二者對天線性能的影響很難通過波長與頻率的關(guān)系推導(dǎo)得到比較直觀的結(jié)論，因此，本文采用HFss的參數(shù)掃描分析功能和矩量法來具體研究這3個結(jié)構(gòu)參數(shù)對天線諧振頻率和輸入阻抗的實(shí)際影響。
1)倒F天線諧振長度L對天線性能的影響
諧振長度￡作為倒F天線的諧振部分，其對天線的性能影響最大。根據(jù)上文所推導(dǎo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，保持兩豎臂間距.s=5 r啪，天線高度日=3.7 HHn不變，用m鼉s參數(shù)掃描分析功能掃描諧振長度￡.=17.2 ITlrn，厶=16.2 mm，厶=15.2 mm 時天線的諧振頻率和輸入阻抗，如圖5和圖6所示。
由以上兩圖可以知道，當(dāng)天線諧振長度￡增加時，天線的諧振頻率降低，輸入阻抗減小;反之，當(dāng)天線諧振長度L減小時，天線諧振頻率升高，輸入阻抗增大。
2)倒F天線高度日對天線性能的影響
保持兩豎臂間距.s=5 mm，天線諧振長度L= 16.2 mm不變，用HFSS參數(shù)掃描分析功能掃描求解天線高度日1=4.7 mm，日2=3.7 mm，m= 2.7 mm時天線的諧振頻率和輸入阻抗，如圖7和圖 8所示.
天線高度參數(shù)掃描仿真結(jié)果表明，當(dāng)天線高度日增加時，天線的諧振頻率降低，天線輸入阻抗增大;反之，當(dāng)天線高度H減小時，天線的諧振頻率增大，天線輸入阻抗減小。
3)饋點(diǎn)與接地點(diǎn)間距5對天線性能的影響
保持天線諧振長度￡=16.2 mm，天線高度日=3.7 不變，用HFss參數(shù)掃描分析功能掃描求解天線兩豎臂間距s.=4 mm，S：=5 mm，s，=6 mm時天線的諧振頻率和輸入阻抗，如圖9和圖10所示。
饋點(diǎn)與接地點(diǎn)間距參數(shù).s的掃描分析結(jié)果表明，相對于天線之路長度L和天線高度日，饋點(diǎn)與接地點(diǎn)的間距參數(shù).s對天線性能的影響更為復(fù)雜，當(dāng)s在4～6 mm 間變化時，天線的諧振頻率和輸入阻抗變化遠(yuǎn)不如L和日對天線的影響那樣明顯。但是，仍然可以得出結(jié)論：當(dāng)饋點(diǎn)與接地點(diǎn)間距s增加時，天線的諧振頻率升高，輸入阻抗減小;反之，當(dāng)饋點(diǎn)與接地點(diǎn)間距S減小時，天線的諧振頻率降低，輸入阻抗增加。
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綜合上述的仿真結(jié)果分析，印刷倒F天線的3個主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對天線性能的影響可以總結(jié)如表2 所示。
3印刷倒F天線設(shè)計和仿真
根據(jù)上文對天線結(jié)構(gòu)參數(shù)的分析結(jié)果，本文通過 Ansoft HFSS對天線進(jìn)行參數(shù)的掃描優(yōu)化，最后得到滿足性能要求的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。
3.1天線表面電流分析
圖1l為該倒F天線的表面電流分布圖，由圖可知，在饋點(diǎn)處電流最大，從饋電點(diǎn)開始沿著開路端和接地點(diǎn)方向電流逐漸減小(即圖中箭頭方向)，其中，接地點(diǎn)的電流最微弱。根據(jù)天線表面電流的分布情況可以解釋天線兩豎臂間距|s對天線性能的影響，即：如果保持饋點(diǎn)處電壓的幅度不變，由于接地短路點(diǎn)處的電流幅度最大，所以隨著饋點(diǎn)與接地點(diǎn)間距s的增加，接地點(diǎn)逐漸遠(yuǎn)離饋電點(diǎn)，饋電點(diǎn)處的輸入電流幅度逐漸變小，從而導(dǎo)致輸入電阻變大，反之如圖S減小，接地點(diǎn)逐漸靠近饋電點(diǎn)，饋電總處的輸入電流幅度逐漸增大，將導(dǎo)致輸入電阻變小川。
3.2天線的回波損耗和電壓駐波比仿真分析
仿真過程中，選取的掃頻范圍為2.25～2.65 GHz，仿真所得回波損耗.s(1，1)電壓駐波比VSwR的變化曲線分別如圖12和圖13所示。由圖12可知，在中心頻點(diǎn) 2.45 GHz處的回波損耗低達(dá)一47.8 dB，在2.4～ 2.5 GHz頻帶內(nèi)Jsll均小于一20 dB，一10 dB以下的有效帶寬為400 MHz，由此可以表明天線的阻抗匹配良好，輻射性能優(yōu)異。總的來講，天線諧振頻點(diǎn)的回波損耗及有效帶寬均已達(dá)到無線傳感網(wǎng)中對天線的性能要求。
圖13為駐波比變化曲線，曬腑=2對應(yīng)回波損耗曲線圖中的s(1，1)=一10 dB，從圖中可以看出，在2.38～ 2.54 GHz的頻率范圍內(nèi)，天線的VSwR都小于2，由此可以表明該天線在中心頻點(diǎn)附近的反射波極小，輻射特性優(yōu)異，已經(jīng)達(dá)到了預(yù)期的要求。
3.3天線的輻射方向圖和增益及其分析
選取天線的中心頻點(diǎn)2.45 GHz，通過HFss繪制出天線在xz面、Xy面的增益方向圖如圖14 所示。
由圖可以看出，在以2.45 GHz為中心頻點(diǎn)的方向圖中，各方相對應(yīng)的增益值不同，表現(xiàn)為：嬲面增益方向圖中，在 90。方向處存在畸變，方向性最差，其余各方向處的方向性均比較好;在w面增益方向圖中，120。方向處存在畸變，方向性略差，其余各方向的方向性較好。總的而言，2個平面增益方向圖中的主瓣方向性都比較好，且出現(xiàn)了數(shù)個旁瓣，但均呈現(xiàn)出了全向性，并且天線的全向性可以從天線的三維方向圖得到證實(shí)。因此，中心頻點(diǎn)2.45 GHz在昭、xy的平面方向性完全滿足無線通信的要求，具有實(shí)用性‘”1。
如圖15所示為該天線的中心頻點(diǎn)(2.45 GHz)在彪和xy平面的增益曲線圖。——論文作者：嚴(yán) 冬，汪 朋，李帥永，王 平，王雄
