基于HFSS的UHF频段印刷天线的设计

何 俊 唐 广

（电子科技大学电子工程学院，四川 成都 611731）

基于HFSS的UHF频段印刷天线的设计

何 俊 唐 广

（电子科技大学电子工程学院，四川 成都 611731）

文章基于HFSS软件设计的曲折型天线，并同鞭状天线进行尺寸比较。最后，仿真设计的曲折型天线，得到了适合应用在特高频（UHF）频段无线通信系统的小尺寸天线，并且该天线也具有近似全向性能。

曲折型天线；UHF频段；微带天线；HFSS

（一）引言

随着无线通信技术的发展，基于此技术的各种应用得到迅速发展。在无线局域网（WLAN）、射频标签（RFID）、无线传感器网络(WSN)等应用中，天线作为无线电设备中发射和接收无线电波的装置，将在很大程度上影响整个系统的性能。这些应用也对天线的小型化，全向性，多极化提出来较高的要求。微带天线以其体积小，重量轻，便于集成等优点，在无线通信应用中得到了的大量的应用与改进。本文就应用于特高频（UHF）频段的印刷天线进行了小型化的设计改进，在HFSS中设计并仿真了一个工作在 2.4GHz频点的印刷曲折型天线。

（二）天线原理与结构

印刷单极天线一般由覆在介质层同侧或两侧的单极贴片和导体地板构成，通过微带线或共面波导进行馈电。

先比较一下曲折型天线相对于鞭状天线在尺寸上的优势。早期采用的单极鞭状天线，如图1（a）所示，集成面积过大，不利于小型化与低成本生产；而采用曲折型结构，如图1（b）所示，就有效地缩减了单极鞭状天线的尺寸。

图1 （a）鞭状天线 （b）曲折型天线

单极鞭状天线一般采用半波对称天线的单臂构成，即天线臂长L=λ/4，由于天线印制到电路板上，印制天线位于空气与介质板之间，且介质板背面无金属，因为受板材影响，天线的谐振长度L应由经验公式得出波长的修正值来计算：

式中，λ0为真空中波长，εre为有效介电常数。

有效介电常数εre由相对介电常数与微带线线宽 w以及板厚度h确定

当采用厚度为1.6mm，相对介电常数为4.4的FR-4材质的介质板时，根据公式计算数据在 HFSS中优化后得到的2.4GHz的谐振天线臂长约为27.5mm，天线尺寸较大，使得应用上限制了节点器件的尺寸大小；而采用曲折型结构改进，使天线的谐振长度缩短到了13.5mm，这样的尺寸与它的结构使得在无线模块集成天线时，电路的设计可以更为紧凑。

尺寸的缩减要以牺牲有效带宽为代价，此处有效带宽定义为S11<-10dB的频带宽度。在仿真结果中可以看到有效带宽随着尺寸的缩减而下降。

天线的每一节曲折部分的长度远小于频点对应的波长，因此可以考虑用终端短路传输线模型等效成电感来考虑其结构对天线的影响。因此，曲折型天线可等效为加载电感的鞭状天线，曲折型部分正好平衡了单极天线的负虚阻抗部分。天线的辐射特性类似于鞭状天线，但天线的电流分布将发生改变，不会再是一个正弦函数。在此，由于其与鞭状天线的类似性，不再讨论天线的辐射功率，辐射阻抗，以及电磁场的分布。

下面以传输线理论简要分析曲折型天线。根据传输线理论，每一段曲折线部分的输入阻抗为

此处曲折线部分的特性阻抗为

由上述计算式可见，曲折线的间距、线宽、每段长度以及段数的不同，将改变影响天线的电抗部分，从而影响阻抗匹配到50欧姆的传输线。通过计算与软件仿真，得出匹配到50欧姆传输线时的参数值为： =3mm，β=1mm，Lm=4mm，段数为3。

天线设计的第一步一般是选择合适的介质基片并确定其厚度 h，因为基片材料的相对介电常数εr、损耗正切角 tan δ和厚度 h将直接影响微带天线的性能指标。采用较厚的基片，可以展宽工作频带，效率也较高，但是h/λ0过大会引起表面波的明显激励。采用较高的εr，微带天线的尺寸较小，但带宽较窄，E面的方向图较宽。当减小时，可以使辐射对应的Q 值下降，从而使频带变宽，降低还将减小表面波的影响。

本文所设计的曲折型天线直接印刷在厚度为1.6mm，相对介电常数为4.4的FR-4材质的介质基板上，介质板的尺寸为32mm*18mm。具体天线结构与在 HFSS中仿真优化后使用的尺寸数据如图 2 所示。天线由3个曲折部分与末端延长的部分组成，由50欧姆微带线馈电。通过调节每段曲折线的长度与间距，以及末端延长线的长度，来调整天线达到合适的谐振长度。

图2 优化后的天线结构与尺寸

（三）仿真结果与分析

借助仿真软件 HFSS，天线的S11参数的仿真结果如图 3所示。在2.4G处，S11=-32.7dB。有效带宽（按-10dB计算）为700MHz左右。可见此曲折型天线的带宽虽然比单极鞭状天线带宽减小很多，但对于该频段的应用仍是足够宽的。

图3 S11参数仿真结果

图 4 给出了天线在f=2.4GHz频率点上的 E 面和 H 面方向图。由天线辐射方向图可以看出，该天线具有近似全向性能，能够满足引言中提到的该频段的一些应用的全向性要求。

图4 天线在2.4GHz的方向图

天线的最大增益仿真曲线如图 5所示。在 2.4GHz 频段内，天线的增益变化范围小于 0.2dB。与单极鞭状天线相比，增益总体有所下降。

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]

该天线具有成本低、重量轻、易于加工与集成的优点，采用曲折线结构，使天线所占面积为：13.5mm×9.5mm，基本满足了小型化的要求，易于集成在射频电路板上。

（四）结论

本文研究了一种曲折型印刷天线。通过采用曲折线结构缩小天线尺寸，与鞭状天线相比较，该天线具有结构简单、易于调整、制作方便的优点。该天线在HFSS仿真测试中的数据显示其能够使用在 UHF频段的一些应用中。在改进方面，对于天线可以在馈电位置上做一些调整，以获得更好的性能。并且可以将曲折线结构与倒 F天线结构相结合，使天线尺寸得到进一步的缩小。

[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]左群声,金林,胡明春,赵玉洁,等译.无线通信天线手册[M].北京:国防工业出版社,2004.

TN820

A

1008-1151(2011)04-0023-02

2011-01-12

何俊（1987－，男，四川成都人，电子科技大学电子工程学院硕士研究生，研究方向为射频电路。