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
隨著無線傳感技術(shù)的飛速發(fā)展,,433 MHz無線通信設(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εr的電介質(zhì)中傳輸時(shí),其介質(zhì)波長為:
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,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為印刷天線的線寬。由此可以得出單極子印刷天線的長度為:
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,。
本文通過加載無源集總元件來改進(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延長物理長度來降低諧振頻率。最終的仿真測試結(jié)果表明,,天線的性能都滿足預(yù)期指標(biāo),。
參考文獻(xiàn)
[1] NIAMIEN M A C,COLLARDEY S,,SHARAIHA A,,et al.Small antenna over magneto-dielectric substrates for DVB-T/H reception[C].Antennas and Propagation Conference(LAPC),2011 Loughborough.IEEE,,2011:1-4.
[2] 楊利霞,,石斌,毛士玲,,等.一種開槽的雙頻段寬帶科赫分形天線[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),,2014,29(3):492-497.
[3] LOIZOU L,,BUCKLEY J,,O′FLYNN B.Design and analysis of a dual-band inverted-F antenna with orthogonal frequency-controlled radiation planes[J].Antennas and Propagation,IEEE Transactions on,,2013,,61(8):3946-3951.
[4] YAO Y,YU J,,CHEN X.Compact multi-band planar antenna design[C].Microwave Conference Proceedings(APMC),2012 Asia-Pacific.IEEE,,2012:1328-1330.
[5] 郭蓉,,曹祥玉,袁子?xùn)|,,等.一種新型寬帶定向性貼片天線設(shè)計(jì)[J].物理學(xué)報(bào),,2014,63(24):244102.
[6] 武軍偉,龔子平,,萬顯榮,,等.基于簡化實(shí)頻方法的寬帶天線阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2011,,26(2):382-387.
[7] 柳超,,劉其中,梁玉軍,,等.艦用短波寬帶鞭狀天線研究[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),,2006,21(6):955-958.
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)