基于HFSS 的無線傳感器網絡節點微帶天線設計與仿真

吳 超，吳明贊 ，李 竹

(南京理工大學自動化學院，南京210094)

在各種形式的天線中，微帶天線具有體積小、重量輕、制作簡單、成本低，并且可以工作在100MHz ～50GHz 等優點［1］。無線傳感器節點朝著體積小、工作頻率高、集成度高的方向發展，在設計傳感器網絡節點天線的時候，要綜合考慮這些特點。文獻［2］中采用了折合偶極子天線，文獻［3］中采用了短加載螺旋天線，但它們的阻抗帶寬都有限。本文提出了一種附加寄生貼片的矩形微帶貼片天線，有效的展寬了阻抗帶寬。寬阻抗帶寬的天線可以改善系統的接收性能，增加信號接收的穩定性，去除系統的振蕩，因此展寬微帶天線帶寬具有重要的實際意義［4］。

1 矩形微帶天線的原理與設計

1.1 輻射原理

如圖1 中微帶輻射元，貼片尺寸為a×b，介質基片厚度為h，h≤λ0，λ0為自由空間波長。微帶貼片可看作寬為a、長為b 的一段微帶傳輸線，其終端(a 邊)處因為呈現開路，將形成電壓波腹，一般取b≈λm/2，λm為微帶線上波長。于是另一端(a 邊)處也呈現電壓波腹。此時貼片與接地板間的電場分布如圖2 所示。

圖1 微帶輻射元

圖2 電場分布圖

設沿貼片寬度和基片厚度方向電場無變化，該電場可近似表示為

天線的輻射由貼片四周與接地板間的窄縫形成，由等效性原理知，窄縫上電場的輻射可由面磁流的輻射來等效。等效的面磁流密度為

1.2 設計步驟

Step 1 介質基板的選取

Step 2 單元寬度W 的選取

在安裝尺寸允許的條件下W 取得適當大些對頻帶、效率及阻抗匹配都有利，但當W 尺寸大于式(3)給出的值時將產生高次模，從而引起場的畸變:

式(3)中c 是光速，fr是諧振頻率，由式(3)知W 總是取小于λ0/2 的值。

Step 3 單元長度L 的確定

矩形微帶天線的長度L 在理論上取λg/2，但實際上由于邊緣場的影響在設計L 的尺寸時應從λg/2中減去2ΔL。

Step 4 基板尺寸的確定

圖3 所示為背饋形式的矩形微帶天線的頂視圖。所謂基板尺寸，是指圖中的WG和LG。實驗表明輻射元各邊向外延伸λg/10 就可以了。因此對于背饋情況可取

圖3 背饋形式的矩形微帶天線的頂視圖

Step 5 饋電方式的確定

矩形微帶天線的饋電方式基本上分為側饋和背饋兩種［6］。顯然，當工作于相同頻率時側饋所需面積大于背饋。當矩形微帶天線作為獨立的天線應用時背饋方式是常被采用的。

對于背饋形式的微帶天線，在確定了貼片長度L 和寬度W 之后，還需要確定同軸線饋點的位置，饋點的位置會影響天線的輸入阻抗。在微波應用中通常是使用50 Ω 的標準阻抗，因此需要確定饋點的位置使天線的輸入阻抗等于50 Ω。取坐標原點位于貼片中心，以(xf，yf)表示饋點的位置坐標。則有:

Step 6 附加寄生貼片的設計

為了展寬阻抗頻帶，其中一種途徑就是修改等效諧振電路，通過修改等效電路為雙調諧回路來實現擴展頻帶。一種有效措施是附加寄生貼片［7］。附加寄生貼片后，兩個調諧回路形成兩個諧振頻率，但它們有所重合的時候，兩個諧振頻率會連接起來形成一個新的較寬的頻帶，因此可以獲得比較好的相對帶寬。

2 矩形微帶天線的仿真

2.1 參數設定

選用的介質板材為Rogers R04003，其相對介電常數εr=3.38，厚度h=5 mm;天線使用同軸線饋電。工作頻率為2.47 GHz。

根據上面的公式及反復的仿真優化可得出:

表1 微帶天線尺寸 單位:mm

在圖5 中，附加貼片的寬度為2 mm，附加貼片1 和3 的長度為34 mm，附加貼片2 和4 的長度為44 mm。a=13.6 mm，b=17 mm。微帶貼片天線的3D 模型如下圖4 和圖5 所示。

圖4 微帶貼片天線的3D 模型

圖5 附加寄生貼片微帶天線的3D 模型

2.2 仿真結果分析

基本矩形微帶天線的S11參數仿真曲線如圖6 所示。改進后的矩形微帶天線的S11參數仿真曲線如圖7所示。駐波比如圖8 和圖9 所示。三維方向性圖如圖10 和圖11 所示。

圖6 基本矩形微帶天線S 參數

圖7 附加寄生貼片微帶天線S 參數

圖8 基本矩形微帶天線駐波比

圖9 附加寄生貼片微帶天線駐波比

圖10 基本矩形微帶天線方向性圖

表2 仿真結果參數對比

由仿真的結果可以得出，與基本矩形微帶天線相比，改進后的微帶天線的阻抗帶寬有了明顯的擴展。

3 結束語

本文提出在普通矩形微帶貼片天線上附加寄生貼片。應用仿真軟件ANSOFT HFSS 對設計的天線模型進行仿真，結果顯示，其帶寬達到了12.16%。由于需要在保持天線性能的情況下盡可能減小天線的體積，所以要進一步減小微帶天線的尺寸。但是在微帶天線的設計中，尺寸和帶寬是一對相關的參數，天線尺寸的降低，天線帶寬也必然會隨著減低。所以如何解決這一矛盾是下一步需要研究和改進的方面。

［1］ 鐘順時.微帶天線理論與應用［M］. 西安電子科技大學出版社，1991.

［2］ 邱金燕，張子文，毛善國. 無線傳感網傳感器節點天線設計［J］.計算機工程與應用，2009，45(32):65－68.

［3］ 李偉，閆述.一種適用于無線傳感器網絡的短加載螺旋天線設計［J］.電子技術應用，2010，4:103－105.

［4］ 高向軍，朱莉，趙海洲.一種寬帶微帶貼片天線的新設計［J］.空軍工程大學學報:自然科學版，2007，8(4):39－41.

［5］ 張劍.矩形微帶貼片天線(MPA)原理介紹及EDA 設計［J］.集成電路通訊，2008，26(3):31－37.

［6］ 宋旭亮，朱義勝.微帶天線的設計與阻抗匹配［J］.現代電子技術，2008，1:73－75.

［7］ 孫思揚，林欣，高攸剛，等. 一種可展寬頻帶的微帶貼片天線［J］.電波科學學報，2009，24(2):307－309.