基于HFSS 的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)微帶天線設(shè)計(jì)與仿真

吳 超，吳明贊 ，李 竹

(南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京210094)

在各種形式的天線中，微帶天線具有體積小、重量輕、制作簡(jiǎn)單、成本低，并且可以工作在100MHz ～50GHz 等優(yōu)點(diǎn)［1］。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)朝著體積小、工作頻率高、集成度高的方向發(fā)展，在設(shè)計(jì)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)天線的時(shí)候，要綜合考慮這些特點(diǎn)。文獻(xiàn)［2］中采用了折合偶極子天線，文獻(xiàn)［3］中采用了短加載螺旋天線，但它們的阻抗帶寬都有限。本文提出了一種附加寄生貼片的矩形微帶貼片天線，有效的展寬了阻抗帶寬。寬阻抗帶寬的天線可以改善系統(tǒng)的接收性能，增加信號(hào)接收的穩(wěn)定性，去除系統(tǒng)的振蕩，因此展寬微帶天線帶寬具有重要的實(shí)際意義［4］。

1 矩形微帶天線的原理與設(shè)計(jì)

1.1 輻射原理

如圖1 中微帶輻射元，貼片尺寸為a×b，介質(zhì)基片厚度為h，h≤λ0，λ0為自由空間波長(zhǎng)。微帶貼片可看作寬為a、長(zhǎng)為b 的一段微帶傳輸線，其終端(a 邊)處因?yàn)槌尸F(xiàn)開(kāi)路，將形成電壓波腹，一般取b≈λm/2，λm為微帶線上波長(zhǎng)。于是另一端(a 邊)處也呈現(xiàn)電壓波腹。此時(shí)貼片與接地板間的電場(chǎng)分布如圖2 所示。

圖1 微帶輻射元

圖2 電場(chǎng)分布圖

設(shè)沿貼片寬度和基片厚度方向電場(chǎng)無(wú)變化，該電場(chǎng)可近似表示為

天線的輻射由貼片四周與接地板間的窄縫形成，由等效性原理知，窄縫上電場(chǎng)的輻射可由面磁流的輻射來(lái)等效。等效的面磁流密度為

1.2 設(shè)計(jì)步驟

Step 1 介質(zhì)基板的選取

Step 2 單元寬度W 的選取

在安裝尺寸允許的條件下W 取得適當(dāng)大些對(duì)頻帶、效率及阻抗匹配都有利，但當(dāng)W 尺寸大于式(3)給出的值時(shí)將產(chǎn)生高次模，從而引起場(chǎng)的畸變:

式(3)中c 是光速，fr是諧振頻率，由式(3)知W 總是取小于λ0/2 的值。

Step 3 單元長(zhǎng)度L 的確定

矩形微帶天線的長(zhǎng)度L 在理論上取λg/2，但實(shí)際上由于邊緣場(chǎng)的影響在設(shè)計(jì)L 的尺寸時(shí)應(yīng)從λg/2中減去2ΔL。

Step 4 基板尺寸的確定

圖3 所示為背饋形式的矩形微帶天線的頂視圖。所謂基板尺寸，是指圖中的WG和LG。實(shí)驗(yàn)表明輻射元各邊向外延伸λg/10 就可以了。因此對(duì)于背饋情況可取

圖3 背饋形式的矩形微帶天線的頂視圖

Step 5 饋電方式的確定

矩形微帶天線的饋電方式基本上分為側(cè)饋和背饋兩種［6］。顯然，當(dāng)工作于相同頻率時(shí)側(cè)饋所需面積大于背饋。當(dāng)矩形微帶天線作為獨(dú)立的天線應(yīng)用時(shí)背饋方式是常被采用的。

對(duì)于背饋形式的微帶天線，在確定了貼片長(zhǎng)度L 和寬度W 之后，還需要確定同軸線饋點(diǎn)的位置，饋點(diǎn)的位置會(huì)影響天線的輸入阻抗。在微波應(yīng)用中通常是使用50 Ω 的標(biāo)準(zhǔn)阻抗，因此需要確定饋點(diǎn)的位置使天線的輸入阻抗等于50 Ω。取坐標(biāo)原點(diǎn)位于貼片中心，以(xf，yf)表示饋點(diǎn)的位置坐標(biāo)。則有:

Step 6 附加寄生貼片的設(shè)計(jì)

為了展寬阻抗頻帶，其中一種途徑就是修改等效諧振電路，通過(guò)修改等效電路為雙調(diào)諧回路來(lái)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展頻帶。一種有效措施是附加寄生貼片［7］。附加寄生貼片后，兩個(gè)調(diào)諧回路形成兩個(gè)諧振頻率，但它們有所重合的時(shí)候，兩個(gè)諧振頻率會(huì)連接起來(lái)形成一個(gè)新的較寬的頻帶，因此可以獲得比較好的相對(duì)帶寬。

2 矩形微帶天線的仿真

2.1 參數(shù)設(shè)定

選用的介質(zhì)板材為Rogers R04003，其相對(duì)介電常數(shù)εr=3.38，厚度h=5 mm;天線使用同軸線饋電。工作頻率為2.47 GHz。

根據(jù)上面的公式及反復(fù)的仿真優(yōu)化可得出:

表1 微帶天線尺寸 單位:mm

在圖5 中，附加貼片的寬度為2 mm，附加貼片1 和3 的長(zhǎng)度為34 mm，附加貼片2 和4 的長(zhǎng)度為44 mm。a=13.6 mm，b=17 mm。微帶貼片天線的3D 模型如下圖4 和圖5 所示。

圖4 微帶貼片天線的3D 模型

圖5 附加寄生貼片微帶天線的3D 模型

2.2 仿真結(jié)果分析

基本矩形微帶天線的S11參數(shù)仿真曲線如圖6 所示。改進(jìn)后的矩形微帶天線的S11參數(shù)仿真曲線如圖7所示。駐波比如圖8 和圖9 所示。三維方向性圖如圖10 和圖11 所示。

圖6 基本矩形微帶天線S 參數(shù)

圖7 附加寄生貼片微帶天線S 參數(shù)

圖8 基本矩形微帶天線駐波比

圖9 附加寄生貼片微帶天線駐波比

圖10 基本矩形微帶天線方向性圖

表2 仿真結(jié)果參數(shù)對(duì)比

由仿真的結(jié)果可以得出，與基本矩形微帶天線相比，改進(jìn)后的微帶天線的阻抗帶寬有了明顯的擴(kuò)展。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出在普通矩形微帶貼片天線上附加寄生貼片。應(yīng)用仿真軟件ANSOFT HFSS 對(duì)設(shè)計(jì)的天線模型進(jìn)行仿真，結(jié)果顯示，其帶寬達(dá)到了12.16%。由于需要在保持天線性能的情況下盡可能減小天線的體積，所以要進(jìn)一步減小微帶天線的尺寸。但是在微帶天線的設(shè)計(jì)中，尺寸和帶寬是一對(duì)相關(guān)的參數(shù)，天線尺寸的降低，天線帶寬也必然會(huì)隨著減低。所以如何解決這一矛盾是下一步需要研究和改進(jìn)的方面。

［1］ 鐘順時(shí).微帶天線理論與應(yīng)用［M］. 西安電子科技大學(xué)出版社，1991.

［2］ 邱金燕，張子文，毛善國(guó). 無(wú)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］ 李偉，閆述.一種適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的短加載螺旋天線設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2010，4:103－105.

［4］ 高向軍，朱莉，趙海洲.一種寬帶微帶貼片天線的新設(shè)計(jì)［J］.空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2007，8(4):39－41.

［5］ 張劍.矩形微帶貼片天線(MPA)原理介紹及EDA 設(shè)計(jì)［J］.集成電路通訊，2008，26(3):31－37.

［6］ 宋旭亮，朱義勝.微帶天線的設(shè)計(jì)與阻抗匹配［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，1:73－75.

［7］ 孫思揚(yáng)，林欣，高攸剛，等. 一種可展寬頻帶的微帶貼片天線［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，24(2):307－309.