基于HFSS的UHF頻段印刷天線的設計

何 俊 唐 廣

（電子科技大學電子工程學院，四川 成都 611731）

基于HFSS的UHF頻段印刷天線的設計

何 俊 唐 廣

（電子科技大學電子工程學院，四川 成都 611731）

文章基于HFSS軟件設計的曲折型天線，并同鞭狀天線進行尺寸比較。最后，仿真設計的曲折型天線，得到了適合應用在特高頻（UHF）頻段無線通信系統的小尺寸天線，并且該天線也具有近似全向性能。

曲折型天線；UHF頻段；微帶天線；HFSS

（一）引言

隨著無線通信技術的發展，基于此技術的各種應用得到迅速發展。在無線局域網（WLAN）、射頻標簽（RFID）、無線傳感器網絡(WSN)等應用中，天線作為無線電設備中發射和接收無線電波的裝置，將在很大程度上影響整個系統的性能。這些應用也對天線的小型化，全向性，多極化提出來較高的要求。微帶天線以其體積小，重量輕，便于集成等優點，在無線通信應用中得到了的大量的應用與改進。本文就應用于特高頻（UHF）頻段的印刷天線進行了小型化的設計改進，在HFSS中設計并仿真了一個工作在 2.4GHz頻點的印刷曲折型天線。

（二）天線原理與結構

印刷單極天線一般由覆在介質層同側或兩側的單極貼片和導體地板構成，通過微帶線或共面波導進行饋電。

先比較一下曲折型天線相對于鞭狀天線在尺寸上的優勢。早期采用的單極鞭狀天線，如圖1（a）所示，集成面積過大，不利于小型化與低成本生產；而采用曲折型結構，如圖1（b）所示，就有效地縮減了單極鞭狀天線的尺寸。

圖1 （a）鞭狀天線 （b）曲折型天線

單極鞭狀天線一般采用半波對稱天線的單臂構成，即天線臂長L=λ/4，由于天線印制到電路板上，印制天線位于空氣與介質板之間，且介質板背面無金屬，因為受板材影響，天線的諧振長度L應由經驗公式得出波長的修正值來計算：

式中，λ0為真空中波長，εre為有效介電常數。

有效介電常數εre由相對介電常數與微帶線線寬 w以及板厚度h確定

當采用厚度為1.6mm，相對介電常數為4.4的FR-4材質的介質板時，根據公式計算數據在 HFSS中優化后得到的2.4GHz的諧振天線臂長約為27.5mm，天線尺寸較大，使得應用上限制了節點器件的尺寸大小；而采用曲折型結構改進，使天線的諧振長度縮短到了13.5mm，這樣的尺寸與它的結構使得在無線模塊集成天線時，電路的設計可以更為緊湊。

尺寸的縮減要以犧牲有效帶寬為代價，此處有效帶寬定義為S11<-10dB的頻帶寬度。在仿真結果中可以看到有效帶寬隨著尺寸的縮減而下降。

天線的每一節曲折部分的長度遠小于頻點對應的波長，因此可以考慮用終端短路傳輸線模型等效成電感來考慮其結構對天線的影響。因此，曲折型天線可等效為加載電感的鞭狀天線，曲折型部分正好平衡了單極天線的負虛阻抗部分。天線的輻射特性類似于鞭狀天線，但天線的電流分布將發生改變，不會再是一個正弦函數。在此，由于其與鞭狀天線的類似性，不再討論天線的輻射功率，輻射阻抗，以及電磁場的分布。

下面以傳輸線理論簡要分析曲折型天線。根據傳輸線理論，每一段曲折線部分的輸入阻抗為

此處曲折線部分的特性阻抗為

由上述計算式可見，曲折線的間距、線寬、每段長度以及段數的不同，將改變影響天線的電抗部分，從而影響阻抗匹配到50歐姆的傳輸線。通過計算與軟件仿真，得出匹配到50歐姆傳輸線時的參數值為： =3mm，β=1mm，Lm=4mm，段數為3。

天線設計的第一步一般是選擇合適的介質基片并確定其厚度 h，因為基片材料的相對介電常數εr、損耗正切角 tan δ和厚度 h將直接影響微帶天線的性能指標。采用較厚的基片，可以展寬工作頻帶，效率也較高，但是h/λ0過大會引起表面波的明顯激勵。采用較高的εr，微帶天線的尺寸較小，但帶寬較窄，E面的方向圖較寬。當減小時，可以使輻射對應的Q 值下降，從而使頻帶變寬，降低還將減小表面波的影響。

本文所設計的曲折型天線直接印刷在厚度為1.6mm，相對介電常數為4.4的FR-4材質的介質基板上，介質板的尺寸為32mm*18mm。具體天線結構與在 HFSS中仿真優化后使用的尺寸數據如圖 2 所示。天線由3個曲折部分與末端延長的部分組成，由50歐姆微帶線饋電。通過調節每段曲折線的長度與間距，以及末端延長線的長度，來調整天線達到合適的諧振長度。

圖2 優化后的天線結構與尺寸

（三）仿真結果與分析

借助仿真軟件 HFSS，天線的S11參數的仿真結果如圖 3所示。在2.4G處，S11=-32.7dB。有效帶寬（按-10dB計算）為700MHz左右。可見此曲折型天線的帶寬雖然比單極鞭狀天線帶寬減小很多，但對于該頻段的應用仍是足夠寬的。

圖3 S11參數仿真結果

圖 4 給出了天線在f=2.4GHz頻率點上的 E 面和 H 面方向圖。由天線輻射方向圖可以看出，該天線具有近似全向性能，能夠滿足引言中提到的該頻段的一些應用的全向性要求。

圖4 天線在2.4GHz的方向圖

天線的最大增益仿真曲線如圖 5所示。在 2.4GHz 頻段內，天線的增益變化范圍小于 0.2dB。與單極鞭狀天線相比，增益總體有所下降。

XY Plot 3 HFSSDesign2 Name X Y m1 2.4400-1.9198 m2 2.4000-2.0147 m4 2.4800-1.8336-1.75 Ansoft LLC m4-1.90 m1 dB(G-1.95-2.00-1.85-1.80 dB(GainTotal)S etup1 : S weep1 Max-2.05 o ta l)ainT Curv e Info 2.4 00 2.425 2.450 2.475 2.500 Freq [GHz]

該天線具有成本低、重量輕、易于加工與集成的優點，采用曲折線結構，使天線所占面積為：13.5mm×9.5mm，基本滿足了小型化的要求，易于集成在射頻電路板上。

（四）結論

本文研究了一種曲折型印刷天線。通過采用曲折線結構縮小天線尺寸，與鞭狀天線相比較，該天線具有結構簡單、易于調整、制作方便的優點。該天線在HFSS仿真測試中的數據顯示其能夠使用在 UHF頻段的一些應用中。在改進方面，對于天線可以在饋電位置上做一些調整，以獲得更好的性能。并且可以將曲折線結構與倒 F天線結構相結合，使天線尺寸得到進一步的縮小。

[1]Warnagiris, T.J. and Minardo, T.J..Performance of a Meandered Line as an Electrically Small Transmitting Antenna[C].IEEE Transactionson Anrennas and Propagation,vol.46,no.12,pp.1797 - 1801,1998.

[2]左群聲,金林,胡明春,趙玉潔,等譯.無線通信天線手冊[M].北京:國防工業出版社,2004.

TN820

A

1008-1151(2011)04-0023-02

2011-01-12

何俊（1987－，男，四川成都人，電子科技大學電子工程學院碩士研究生，研究方向為射頻電路。