0 引言

    隨著無(wú)線傳感技術(shù)的飛速發(fā)展，433 MHz無(wú)線通信設(shè)備在便攜設(shè)備、車載終端、智能鎖等領(lǐng)域得到了更加廣泛的應(yīng)用^[1]。天線作為無(wú)線通信設(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。

    兼顧天線的有效尺寸和增益特性是433 MHz小型化印刷天線的設(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印刷天線的研究經(jīng)驗(yàn)，以1/4波長(zhǎng)單極子天線為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種433 MHz小型化螺旋形印刷天線。仿真結(jié)果表明，該天線占用面積僅20×35 mm²，有效增益為-4.14 dB。

1 天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    本文所設(shè)計(jì)的螺旋形印刷天線是蛇形印刷天線的變形結(jié)構(gòu)，采用微帶線在介質(zhì)基片的上下兩層串繞來(lái)模仿螺旋天線的走線形式。圖1所示為本文所設(shè)計(jì)的螺旋形印刷天線的結(jié)構(gòu)示意圖。

    如圖1所示，螺旋形印刷天線上下兩層的走線端采用半徑為0.3 mm的銅孔連接，這使得天線既增加了電流路徑的有效長(zhǎng)度，又節(jié)約了天線走線所需的空間。相對(duì)于蛇形印刷天線，采用兩層結(jié)構(gòu)的螺旋形印刷天線既能有效增加天線的物理長(zhǎng)度，又能最大化的減少天線的占用面積。同時(shí)，位于兩個(gè)天線層中間的介質(zhì)基片，可以抑制兩個(gè)天線層之間的電磁干擾和相反方向電流走線所引起的增益衰減，從而增加天線的增益特性。

    當(dāng)信號(hào)在介電常數(shù)為ε_r的電介質(zhì)中傳輸時(shí)，其介質(zhì)波長(zhǎng)為：

    由于印刷天線介質(zhì)基板的有效介電常數(shù)近似于微帶線的等效介電常數(shù)^[5]，且考慮到其增益的需求，通常天線寬度w與介質(zhì)基板厚度h的比值都滿足w/h>1。印刷天線介質(zhì)基板的有效介電常數(shù)的計(jì)算公式為：

式中，ε_eff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為印刷天線的線寬。由此可以得出單極子印刷天線的長(zhǎng)度為：

    由上文對(duì)印刷天線的數(shù)值分析公式可知，本文設(shè)計(jì)的天線的初始長(zhǎng)度為155 mm。由于印刷天線的彎折對(duì)尺寸減小有效性的影響，因此天線實(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 天線結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究與優(yōu)化

    為了獲得最優(yōu)的天線結(jié)構(gòu)尺寸，采用HFSS建立天線模型，并對(duì)天線各結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行仿真和優(yōu)化。

2.1 天線的結(jié)構(gòu)對(duì)天線性能的影響

    (1)L對(duì)天線諧振頻率的影響

    保持天線其他結(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)天線的回波損耗，得到天線的諧振頻率分別為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)天線諧振頻率的影響

    保持天線其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，掃描D1=2 mm、D2=1.8 mm和D3=1.6 mm時(shí)天線的回波損耗，得到天線的諧振頻率分別為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)天線的回波損耗，得到天線的諧振頻率分別為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，得出天線結(jié)構(gòu)尺寸如表2所示。

2.2 天線的阻抗匹配和無(wú)源集總原件的加載

    天線與饋線之間的阻抗匹配將影響天線的諧振頻率，還將直接影響到天線與收發(fā)機(jī)之間的信號(hào)傳輸效率。在天線與饋線間插入阻抗匹配網(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)天線的阻抗性能。圖5所示為天線在結(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。

    為了提升天線的阻抗特性，使天線的諧振頻率達(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上。電感串聯(lián)在微帶饋線與天線的輸入端中間，電容并連在微帶饋線與接地面之間。

3 天線仿真結(jié)果分析

    采用HFSS運(yùn)行已經(jīng)優(yōu)化了結(jié)構(gòu)的天線模型，分析仿真結(jié)果。

3.1 回波損耗分析

    選取天線掃頻范圍為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

    天線增益是天線最重要的指標(biāo)之一。天線在E面和H面各方向上的增益值大小是天線增益特性的主要判斷依據(jù)。

    由圖8知，在433 MHz頻段上，天線在XZ平面的有效增益曲線較為平穩(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。天線在設(shè)計(jì)中融合了傳統(tǒng)的外置型螺旋天線和單極子蛇形印刷天線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用微帶線在介質(zhì)基片上模仿螺旋天線的走線形式，減小了天線的結(jié)構(gòu)尺寸。此外，無(wú)源集總元件的加載確保了天線的小型化，使得天線不需要再通過(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，天線的性能都滿足預(yù)期指標(biāo)。

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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）