2.4G環(huán)狀天線的設(shè)計(jì)和仿真

馬龍龍, 王新玲,孫運(yùn)強(qiáng), 姚愛琴

（1 中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山西 太原 030051；2 中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051）

0 引言

在高速旋轉(zhuǎn)軸的測試實(shí)驗(yàn)中，nRF2401收發(fā)模塊PCB發(fā)射天線將與軸同時(shí)做圓周運(yùn)動(dòng)，即使天線完成了自己的功能——將盡可能多的能量定向的輻射出去，但數(shù)據(jù)傳輸?shù)男Ч⒉荒苓_(dá)到最佳的狀態(tài)，隨著軸轉(zhuǎn)速的不斷提高，出現(xiàn)了數(shù)據(jù)包丟失的問題。為解決這個(gè)問題，本文提出了一種基于nRF2401收發(fā)模塊的環(huán)狀天線設(shè)計(jì)方案。

目前市場所售天線種類繁多，主要產(chǎn)品有C網(wǎng)和G網(wǎng)無線終端天線、2.4GHzWLANWIFI天線、3G天線、芯片天線（2.4GHz頻段）等，這些天線為各種應(yīng)用需求提供了盡可能多的解決方案。盡管PCB微帶天線在2.4GHz頻帶具有好的一些輻射性能，S11參數(shù)也達(dá)到 ，但仍不能有效改善轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下的數(shù)據(jù)傳輸性能，考慮到隨著發(fā)射模塊的圓周轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)射天線的輻射方向性也在做近似圓周的轉(zhuǎn)動(dòng)，據(jù)此提出了將PCB天線改為環(huán)狀結(jié)構(gòu)的方法。

1 環(huán)狀天線的工作原理

環(huán)形天線和人體非常相似，有普通的單極或多級天線功能。再加上小型環(huán)形天線的體積小、高可靠性和低成本，使其成為微小型通信產(chǎn)品的理想天線。典型的環(huán)形天線由電路板上的銅走線組成的電回路構(gòu)成，也可能是一段制作成環(huán)形的導(dǎo)線。其等效電路相當(dāng)于兩個(gè)串聯(lián)電阻與一個(gè)電感的串聯(lián)(如圖1所示)。Rrad是環(huán)形天線實(shí)際發(fā)射能量的電阻模型，它消耗的功率就是電路的發(fā)射功率。假設(shè)流過天線回路的電流為I，那么Rrad的消耗功率，即RF功率為 Pradiate=I2· Rrad。 電 阻Rloss是環(huán)形天線因發(fā)熱而消耗能量的電阻模型，它消耗的功率是一種不可避免的能量損耗，其大小為：Ploss=I2·Rloss。如果Rloss>Rrad，那么損耗的功率比實(shí)際發(fā)射的功率大，因此這個(gè)天線是低效的。天線消耗的功率就是發(fā)射功率和損耗功率之和。實(shí)際上，環(huán)形天線的設(shè)計(jì)幾乎無法控制Ploss和Prad，因?yàn)镻loss是由制作天線的導(dǎo)體的導(dǎo)電能力和導(dǎo)線的大小決定的，而Prad是由天線所圍成的面積大小決定的。

圖1 環(huán)狀天線等效電路

2 參數(shù)值的計(jì)算

2.1 環(huán)狀天線結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算

在Ansoft HFSS環(huán)境中建立環(huán)天線與軸的模型如圖2所示，解算類型設(shè)置為Driven Modal，軸材料為鋼，中間部分圓柱半徑為100mm；長500mm，兩端圓柱對稱半徑為120mm；長100mm，兩端圓柱與中間圓柱水平距離為50mm。

圖2 軸上環(huán)天線仿真模型

通過比較各種不同天線參數(shù)（環(huán)半徑、天線結(jié)構(gòu)半徑、天線材料等）的仿真結(jié)果，并綜合考慮價(jià)格、可行性等多種因素，最終確定的有關(guān)參數(shù)如下：環(huán)半徑（112mm）；天線結(jié)構(gòu)半徑（0.55mm）；天線材料（氧化鋁（96%含量））；相對介電常數(shù)（9.4）；非傳導(dǎo)性損耗因數(shù)（0.006）；天線縫隙（8mm）。按以上參數(shù)設(shè)置軟件，通過仿真可得到環(huán)天線的特性阻抗，結(jié)果顯示在2.48GHz附近天線阻抗虛部為零，環(huán)天線特性阻抗為80.23Ω。

2.2 環(huán)狀天線電參數(shù)的計(jì)算

確定激勵(lì)源模型，調(diào)整激勵(lì)源的阻抗，使之與該環(huán)天線匹配，以計(jì)算精確的天線電參數(shù)。通過激勵(lì)源模型進(jìn)行解算分別得到環(huán)天線的S11參數(shù)曲線和輻射方向圖。分析得知天線在2.48GHz附近具有良好的輻射性能，發(fā)射芯片nRF2401的中心頻率為2.483GHz，該天線能很好地滿足輻射要求。環(huán)狀天線輻射的最大方向性保持相對穩(wěn)定，天線在繞軸圓周上的輻射方向性得到了明顯改進(jìn)。在此激勵(lì)模型下可得天線電參數(shù)如下：MAX U（0.15317W/sr）；Peak- Directivity（1.7477）；Peak Gain（1.9459）；Peak Realized Gain（1.9249）；Radiated -Power（1.1014w）；Accepted Power（0.98919w）；Incident Power（1w）。

3 環(huán)狀天線與nRF2401芯片的匹配

由于nRF2401芯片的天線輸出阻抗是50Ω，而設(shè)計(jì)的環(huán)狀天線的特性阻抗是80.23Ω，因此需要在芯片的輸出級與環(huán)天線之間加入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，本設(shè)計(jì)為了改善數(shù)據(jù)傳輸性能，在芯片的輸出端口加入了一級放大電路，使該放大電路的輸入端口與芯片輸出級的50Ω阻抗相匹配，輸出端口與環(huán)天線的80.23Ω阻抗相匹配，在此通過ADS軟件確定該放大電路及其輸入輸出端口阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)及各元件參數(shù)。

3.1 交流仿真、S參數(shù)仿真和調(diào)諧

圖3 初始放大電路S_match

仿真是完成射頻設(shè)計(jì)的一個(gè)有力手段，按照最優(yōu)化的電路圖制作實(shí)際電路，顯然是最高效的。首先建立2.4GHz初始放大電路（加入匹配網(wǎng)絡(luò)前）如圖3所示。

其中:仿真頻段為100 MHz～4 GHz,步長10 MHz;SRC2中設(shè)置電壓為5V；終端Term 1, Term2分別標(biāo)識為NUM1和NUM2,阻抗均為50，Q1中beta值采用默認(rèn)的160; DC_BLOCK1, DC一Block2電容值為10pF; DC_Feedl, DC_Feed2均為120 nH; Rb,Rc阻值分別為56Ω和590Ω。

運(yùn)行電路仿真，對傳輸參數(shù)和反射參數(shù)數(shù)據(jù)繪圖并做標(biāo)記如圖4所示，從圖中可以看出，增益曲線比較平坦，泄漏也適當(dāng)，但阻抗并未匹配。

圖4 初始放大電路的S參數(shù)曲線

利用ADS調(diào)諧功能，加入匹配元件L和C 并多次改變參數(shù)值，得到輸入及輸出端匹配網(wǎng)絡(luò)的電路如圖5所示，電路性能在圖6中給出。

圖5 匹配網(wǎng)絡(luò)

圖6 加入匹配網(wǎng)絡(luò)后的電路性能曲線

考查圖4中的S11數(shù)據(jù)，并聯(lián)一電容C將把標(biāo)記點(diǎn)朝50 恒定電阻原圖靠近，串聯(lián)一電感可使其沿50 圓朝Smith chart圓心移動(dòng)。這樣所選的L,C值要使電路無損耗地通過2.4GHz。

3.2 最優(yōu)化處理

通過在原理圖中引入最優(yōu)化控制器和優(yōu)化目標(biāo)，可以得到最優(yōu)化的匹配網(wǎng)絡(luò)這里優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置S11最大值為-10dB，頻率范圍1850～1950MHz，對于S22進(jìn)行類似設(shè)置啟動(dòng)元件最優(yōu)化處理，設(shè)置L優(yōu)化范圍是1~40nH,C優(yōu)化范圍為0.01~1pF。優(yōu)化處理完成后匹配網(wǎng)絡(luò)的元件參數(shù)值被自動(dòng)替換為最優(yōu)值，為電感添加電阻。最終得到放大電路如圖7所示。

圖7中元件參數(shù)設(shè)置：仿真頻段為100MHz~ 4 GHz,步長10 MHz;SRC2中設(shè)置電壓為5V；終端Term 1, Term2分別標(biāo)識為NUM1和NUM2,阻抗均為50 ，Q1中beta值采用默認(rèn)的160; DC_BLOCK1, DC一Block2電 容 值 為10pF; DC _Feedl, DC_Feed2均 為120 nH; Rb,Rc阻滯分別為56 和590 。匹配網(wǎng)絡(luò)中，L_match_ in為18.3nH&12 ,C_match_in為0.35pF，L_match_out為27.1nH&6 ，C_match_out為0.22pF。

同樣對最優(yōu)化電路運(yùn)行S參數(shù)仿真，可以得到接近理想的電路性能如圖8所示。

圖7 最優(yōu)化電路

圖8 最優(yōu)化電路性能曲線

4 結(jié)束語

軟件仿真是提高工作效率的一條捷徑，諸如ADS等高頻仿真設(shè)計(jì)軟件提供了可靠的設(shè)計(jì)依據(jù)，對射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)也是必不可少的助手按照上述優(yōu)化結(jié)果制作出實(shí)際的放大電路模塊，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測量，其S參數(shù)等各項(xiàng)指標(biāo)均與仿真效果基木吻合。本文提出將PCB天線改為環(huán)狀結(jié)構(gòu)的方案，解決了高速旋轉(zhuǎn)軸數(shù)據(jù)傳輸過程中數(shù)據(jù)包丟失的問題。

[1] 宋錚，張建華，黃冶.天線與電波傳播[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003.

[2] 胡樹豪.實(shí)用射頻技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[3] Reinhold Ludwig , Pavel Bretchko.RF Circuit Design: Theory and Applications[M]. New Jersey :Prentice Hall , 1999.

[4] S. Silver, Ed. Microwave Antenna Theory and Design[J].MIT Radiation Laboratory Series, 1949,12.

[5] 李宗謙，佘京兆，高葆新.微波工程基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[6] 張賢達(dá).非平穩(wěn)信號分析與處理[M].北京:國防工業(yè)出版社,1997.

[7] 徐曉榮.X波段無人機(jī)載SAR發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)[J].中國雷達(dá),2005(4).

[8] 劉雄鷹.無線接入技術(shù)應(yīng)用研究[D]. 北京:北京理工大學(xué),2002.