文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.02.022
中文引用格式： 嚴(yán)冬，王鵬飛，李帥永，等. 一種433 MHz小型化螺旋形印刷天線(xiàn)的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43(2)：92-94，98.
英文引用格式： Yan Dong，Wang Pengfei，Li Shuaiyong，et al. Design of a 433 MHz miniaturized spiral printed antenna[J].Application of Electronic Technique，2017，43(2)：92-94，98.
0 引言
隨著無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)的飛速發(fā)展，433 MHz無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備在便攜設(shè)備、車(chē)載終端、智能鎖等領(lǐng)域得到了更加廣泛的應(yīng)用[1]。天線(xiàn)作為無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備的重要組成部分，是影響通信系統(tǒng)整體性能的關(guān)鍵部件[2]。
國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)433 MHz印刷天線(xiàn)高增益、小型化的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了多年的探索。但是，以往的學(xué)者在433 MHz印刷天線(xiàn)的設(shè)計(jì)中，主要有兩種趨向：一種是犧牲尺寸來(lái)保證高增益，如文獻(xiàn)[3]中的結(jié)構(gòu)方案；另一種是犧牲增益來(lái)保證尺寸的小型化，如文獻(xiàn)[4]中的方案。
兼顧天線(xiàn)的有效尺寸和增益特性是433 MHz小型化印刷天線(xiàn)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，本設(shè)計(jì)汲取了國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)433 MHz印刷天線(xiàn)的研究經(jīng)驗(yàn)，以1/4波長(zhǎng)單極子天線(xiàn)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種433 MHz小型化螺旋形印刷天線(xiàn)。仿真結(jié)果表明，該天線(xiàn)占用面積僅20×35 mm2，有效增益為-4.14 dB。
1 天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本文所設(shè)計(jì)的螺旋形印刷天線(xiàn)是蛇形印刷天線(xiàn)的變形結(jié)構(gòu)，采用微帶線(xiàn)在介質(zhì)基片的上下兩層串繞來(lái)模仿螺旋天線(xiàn)的走線(xiàn)形式。圖1所示為本文所設(shè)計(jì)的螺旋形印刷天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。
如圖1所示，螺旋形印刷天線(xiàn)上下兩層的走線(xiàn)端采用半徑為0.3 mm的銅孔連接，這使得天線(xiàn)既增加了電流路徑的有效長(zhǎng)度，又節(jié)約了天線(xiàn)走線(xiàn)所需的空間。相對(duì)于蛇形印刷天線(xiàn)，采用兩層結(jié)構(gòu)的螺旋形印刷天線(xiàn)既能有效增加天線(xiàn)的物理長(zhǎng)度，又能最大化的減少天線(xiàn)的占用面積。同時(shí)，位于兩個(gè)天線(xiàn)層中間的介質(zhì)基片，可以抑制兩個(gè)天線(xiàn)層之間的電磁干擾和相反方向電流走線(xiàn)所引起的增益衰減，從而增加天線(xiàn)的增益特性。
當(dāng)信號(hào)在介電常數(shù)為εr的電介質(zhì)中傳輸時(shí)，其介質(zhì)波長(zhǎng)為：
由于印刷天線(xiàn)介質(zhì)基板的有效介電常數(shù)近似于微帶線(xiàn)的等效介電常數(shù)[5]，且考慮到其增益的需求，通常天線(xiàn)寬度w與介質(zhì)基板厚度h的比值都滿(mǎn)足w/h>1。印刷天線(xiàn)介質(zhì)基板的有效介電常數(shù)的計(jì)算公式為：
式中，εeff為介質(zhì)基板的有效介電常數(shù)，h為介質(zhì)基板的厚度，w為印刷天線(xiàn)的線(xiàn)寬。由此可以得出單極子印刷天線(xiàn)的長(zhǎng)度為：
由上文對(duì)印刷天線(xiàn)的數(shù)值分析公式可知，本文設(shè)計(jì)的天線(xiàn)的初始長(zhǎng)度為155 mm。由于印刷天線(xiàn)的彎折對(duì)尺寸減小有效性的影響，因此天線(xiàn)實(shí)際尺寸要大于理論計(jì)算尺寸，變量初始值設(shè)定如表1所示。
2 天線(xiàn)結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究與優(yōu)化
為了獲得最優(yōu)的天線(xiàn)結(jié)構(gòu)尺寸，采用HFSS建立天線(xiàn)模型，并對(duì)天線(xiàn)各結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行仿真和優(yōu)化。
2.1 天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)對(duì)天線(xiàn)性能的影響
(1)L對(duì)天線(xiàn)諧振頻率的影響
保持天線(xiàn)其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，借助HFSS的參數(shù)掃描功能掃描L1=14 mm、L2=13 mm和L3=12 mm時(shí)天線(xiàn)的回波損耗，得到天線(xiàn)的諧振頻率分別為628 MHz、653 MHz和684 MHz，結(jié)果如圖2所示。因此，可以得出結(jié)論：隨著L的增大，諧振頻率逐漸減小，反之亦然。
(2)D對(duì)天線(xiàn)諧振頻率的影響
保持天線(xiàn)其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，掃描D1=2 mm、D2=1.8 mm和D3=1.6 mm時(shí)天線(xiàn)的回波損耗，得到天線(xiàn)的諧振頻率分別為644 MHz、653 MHz和663 MHz，結(jié)果如圖3所示。因此，可以得出結(jié)論：隨著D的增大，諧振頻率逐漸減小，反之亦然。
(3)W對(duì)天線(xiàn)諧振頻率的影響
保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，掃描W1=0.8 mm、W2=0.9 mm和W3=1 mm時(shí)天線(xiàn)的回波損耗，得到天線(xiàn)的諧振頻率分別為653 MHz、667 MHz和674 MHz，結(jié)果如圖4所示。因此，可以得出結(jié)論：隨著天線(xiàn)寬度W的增大，諧振頻率逐漸增大，反之亦然。
根據(jù)上文對(duì)各結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究結(jié)果，綜合考慮各項(xiàng)因素，得出天線(xiàn)結(jié)構(gòu)尺寸如表2所示。
2.2 天線(xiàn)的阻抗匹配和無(wú)源集總原件的加載
天線(xiàn)與饋線(xiàn)之間的阻抗匹配將影響天線(xiàn)的諧振頻率，還將直接影響到天線(xiàn)與收發(fā)機(jī)之間的信號(hào)傳輸效率。在天線(xiàn)與饋線(xiàn)間插入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，可以減小由阻抗失配引起的損耗[6，7]。因此對(duì)天線(xiàn)進(jìn)行阻抗匹配是非常重要的。
本文通過(guò)加載無(wú)源集總元件來(lái)改進(jìn)天線(xiàn)的阻抗性能。圖5所示為天線(xiàn)在結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化后得到的Smith阻抗圓圖。從圖中可知，天線(xiàn)的歸一化輸入阻抗為0.1-j0.64，即(5-j32) Ω，與標(biāo)準(zhǔn)阻抗50 Ω有較大偏差。
為了提升天線(xiàn)的阻抗特性，使天線(xiàn)的諧振頻率達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，本文采用L型匹配網(wǎng)絡(luò)對(duì)天線(xiàn)進(jìn)行無(wú)源集總元件加載，匹配網(wǎng)絡(luò)及集總元件取值如圖6所示。
為了不影響天線(xiàn)本身的輻射性能，本文采用HFSS將無(wú)源集總元件加載在微帶饋線(xiàn)上。電感串聯(lián)在微帶饋線(xiàn)與天線(xiàn)的輸入端中間，電容并連在微帶饋線(xiàn)與接地面之間。
3 天線(xiàn)仿真結(jié)果分析
采用HFSS運(yùn)行已經(jīng)優(yōu)化了結(jié)構(gòu)的天線(xiàn)模型，分析仿真結(jié)果。
3.1 回波損耗分析
選取天線(xiàn)掃頻范圍為420 MHz～446 MHz，回波損耗S11的仿真結(jié)果如圖7所示。
由圖7知，天線(xiàn)的諧振頻段為433 MHz，諧振頻點(diǎn)處的回波損耗為-24 dB，在3.4 MHz(431.5 MHz～434.9 MHz)的有效帶寬內(nèi)S11<-10 dB。
3.2 增益分析
天線(xiàn)增益是天線(xiàn)最重要的指標(biāo)之一。天線(xiàn)在E面和H面各方向上的增益值大小是天線(xiàn)增益特性的主要判斷依據(jù)。
由圖8知，在433 MHz頻段上，天線(xiàn)在XZ平面的有效增益曲線(xiàn)較為平穩(wěn)，出現(xiàn)的最大有效增益值為-4.14 dB；在XY平面的有效增益曲線(xiàn)有較大的波動(dòng)，出現(xiàn)的最大有效增益為-4.15 dB。
4 結(jié)論
通過(guò)研究和分析，設(shè)計(jì)了一種433 MHz小型化螺旋形印刷天線(xiàn)。天線(xiàn)在設(shè)計(jì)中融合了傳統(tǒng)的外置型螺旋天線(xiàn)和單極子蛇形印刷天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用微帶線(xiàn)在介質(zhì)基片上模仿螺旋天線(xiàn)的走線(xiàn)形式，減小了天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)尺寸。此外，無(wú)源集總元件的加載確保了天線(xiàn)的小型化，使得天線(xiàn)不需要再通過(guò)延長(zhǎng)物理長(zhǎng)度來(lái)降低諧振頻率。最終的仿真測(cè)試結(jié)果表明，天線(xiàn)的性能都滿(mǎn)足預(yù)期指標(biāo)。
參考文獻(xiàn)
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作者信息:
嚴(yán) 冬，王鵬飛，李帥永，王 平，汪 朋
（重慶郵電大學(xué) 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)化控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400065）