發布時間：2022-04-21所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：針對當前無線通信節點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狀，設計了一種應用于2.45 GHz無線傳感網絡的印刷型倒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天線的三大結構參數(諧振長度￡、天線高
摘要：針對當前無線通信節點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狀，設計了一種應用于2.45 GHz無線傳感網絡的印刷型倒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天線的三大結構參數(諧振長度￡、天線高度日、兩豎臂間距s)進行了仿真研究，并最終推導出了以2.45 GHz為中心頻點的最優天線結構參數，即￡=16.2 mm，日=3.7 mm，s=5 mm。在該結構參數下的仿真結果展現出了天線優異的輻射性能，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，還采用矢量網絡分析儀對天線實物的回波損耗特性進行了測試，測試結果與仿真結果吻合。最后，設計出了加載該印刷倒F天線的cC2530無線通信節點，并對其通信性能進行了實際測試，節點的通信性能測試結果表明：加載了該印刷倒F天線的節點在80 m的通信距離內丟包率為o.17%，優于同類無線通信節點。
關鍵詞：倒F天線;回波損耗;電壓駐波比;增益
l 引 言
隨著無線通信技術的發展，工業無線傳感網對無線通信節點提出了微型化的新要求…。一般而言，無線通信節點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點甚至整個無線通信網絡的品質舊o。然而，無線通信節點微型化的特殊要求決定了天線必須具有結構簡單、尺寸小、成本低的特點。印刷倒F(IFA)天線以其結構簡單、易于匹配和設計成本低等優點，被廣泛用于藍牙、EE 802.a/b/g等短距離無線通信領域¨…。
國內外對印刷倒F(IFA)天線的研究已經歷經數年的歷史，然而，以往研究者所設計的印刷倒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。9。…，為克服這些缺點，許多國內外研究者從天線的極化、阻抗機理、電流特性等層面對印刷倒F天線進行了深入的研究，其中soms c¨列和劉彤‘141分別從印刷倒F天線的結構和天線的極化、阻抗匹配等理論層面對印刷倒F天線進行了深入分析，他們所設計的印刷倒F天線具有足夠大的增益，且其回波損耗的仿真結果分別為一30 dB和一16 dB，因為Ansoft HFss的仿真結果具有足夠的有效性和可靠性¨“，因此他們所設計的天線達到了系統的應用要求‘16。1 7。。
為了進一步提升印刷倒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的設計經驗，從印刷倒F天線的三大結構參數出發，通過Ansoft HFSs 對印刷倒F天線的各結構參數與天線中心頻率、輸入阻抗和回波損耗的關系進行了深入的研究，設計了一款工作于2.45 GHz頻段的印刷倒F天線，Ansoft HFss的仿真結果表明：該天線工作于2.45 GHz頻段時，增益達到了2.92 dBi，回波損耗低至一47 dB。
2印刷倒F天線的結構研究
倒F天線(IFA)是在單極子天線的基礎上發展起來的一種變形結構，經歷了由1/4波長單極子天線到倒L 天線再到倒F天線的過程…1，其結構如圖1所示。饋點圖l倒F天線結構 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而成，其中，a端到b端可以視作電阻和電容并聯，c端到b端可以視作電阻和電感串聯。因此，在實際應用中，可以通過調整b點的位置和天線的尺寸來進行匹配，以獲得在工作頻段的理想匹配效果。
因此，根據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構參數主要有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天線結構參數對天線性能的影響
研究要研究天線結構對其性能的影響需要根據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天線結構模型分為 3個部分，分別為倒F形狀天線、介質層和接地層，介質層厚度選擇0.8 mm，接地層位于介質層下面。此外，為了便于分析天線的結構參數對天線性能的影響和對天線進行優化，天線的結構均采用變量進行表示，根據上文的計算結果，變量初始值設定如表l所示。
本文采用Ansoft HFss v13.0對所設計的天線進行模型的建立和仿真，根據表l中結構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，該圖的諧振頻點為2.4 GHz，偏離了本文所需要的諧振中心頻點 2.45 GHz，為了使下文的研究更加方便和直接，需要對天線結構參數進行分析，調整結構尺寸，將中心頻點調整至 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L=16.2 mm，日= 衛=3.7 mm時，諧振頻點處于2.45 GHz。
根據以上對印刷倒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天線的初始尺寸進行分析。
2.2.2倒F天線結構參數對天線性能的影響研究
決定倒F天線性能的3個主要結構參數有天線的諧振長度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系進行推導，但是對于天線的高度參數日以及接地點和饋點間的距離 5，二者對天線性能的影響很難通過波長與頻率的關系推導得到比較直觀的結論，因此，本文采用HFss的參數掃描分析功能和矩量法來具體研究這3個結構參數對天線諧振頻率和輸入阻抗的實際影響。
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。根據上文所推導的結構參數，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.
天線高度參數掃描仿真結果表明，當天線高度日增加時，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)饋點與接地點間距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。
饋點與接地點間距參數.s的掃描分析結果表明，相對于天線之路長度L和天線高度日，饋點與接地點的間距參數.s對天線性能的影響更為復雜，當s在4～6 mm 間變化時，天線的諧振頻率和輸入阻抗變化遠不如L和日對天線的影響那樣明顯。但是，仍然可以得出結論：當饋點與接地點間距s增加時，天線的諧振頻率升高，輸入阻抗減小;反之，當饋點與接地點間距S減小時，天線的諧振頻率降低，輸入阻抗增加。
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綜合上述的仿真結果分析，印刷倒F天線的3個主要結構參數對天線性能的影響可以總結如表2 所示。
3印刷倒F天線設計和仿真
根據上文對天線結構參數的分析結果，本文通過 Ansoft HFSS對天線進行參數的掃描優化，最后得到滿足性能要求的最優結構參數如表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，在饋點處電流最大，從饋電點開始沿著開路端和接地點方向電流逐漸減小(即圖中箭頭方向)，其中，接地點的電流最微弱。根據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：如果保持饋點處電壓的幅度不變，由于接地短路點處的電流幅度最大，所以隨著饋點與接地點間距s的增加，接地點逐漸遠離饋電點，饋電點處的輸入電流幅度逐漸變小，從而導致輸入電阻變大，反之如圖S減小，接地點逐漸靠近饋電點，饋電總處的輸入電流幅度逐漸增大，將導致輸入電阻變小川。
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 2.45 GHz處的回波損耗低達一47.8 dB，在2.4～ 2.5 GHz頻帶內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，輻射性能優異�？偟膩碇v，天線諧振頻點的回波損耗及有效帶寬均已達到無線傳感網中對天線的性能要求。
圖13為駐波比變化曲線，曬腑=2對應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，天線的VSwR都小于2，由此可以表明該天線在中心頻點附近的反射波極小，輻射特性優異，已經達到了預期的要求。
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為中心頻點的方向圖中，各方相對應的增益值不同，表現為：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�？偟亩裕�2個平面增益方向圖中的主瓣方向性都比較好，且出現了數個旁瓣，但均呈現出了全向性，并且天線的全向性可以從天線的三維方向圖得到證實。因此，中心頻點2.45 GHz在昭、xy的平面方向性完全滿足無線通信的要求，具有實用性‘”1。
如圖15所示為該天線的中心頻點(2.45 GHz)在彪和xy平面的增益曲線圖。——論文作者：嚴 冬，汪 朋，李帥永，王 平，王雄
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