基于HFSS 的无线传感器网络节点微带天线设计与仿真

吴 超，吴明赞 ，李 竹

(南京理工大学自动化学院，南京210094)

在各种形式的天线中，微带天线具有体积小、重量轻、制作简单、成本低，并且可以工作在100MHz ～50GHz 等优点［1］。无线传感器节点朝着体积小、工作频率高、集成度高的方向发展，在设计传感器网络节点天线的时候，要综合考虑这些特点。文献［2］中采用了折合偶极子天线，文献［3］中采用了短加载螺旋天线，但它们的阻抗带宽都有限。本文提出了一种附加寄生贴片的矩形微带贴片天线，有效的展宽了阻抗带宽。宽阻抗带宽的天线可以改善系统的接收性能，增加信号接收的稳定性，去除系统的振荡，因此展宽微带天线带宽具有重要的实际意义［4］。

1 矩形微带天线的原理与设计

1.1 辐射原理

如图1 中微带辐射元，贴片尺寸为a×b，介质基片厚度为h，h≤λ0，λ0为自由空间波长。微带贴片可看作宽为a、长为b 的一段微带传输线，其终端(a 边)处因为呈现开路，将形成电压波腹，一般取b≈λm/2，λm为微带线上波长。于是另一端(a 边)处也呈现电压波腹。此时贴片与接地板间的电场分布如图2 所示。

图1 微带辐射元

图2 电场分布图

设沿贴片宽度和基片厚度方向电场无变化，该电场可近似表示为

天线的辐射由贴片四周与接地板间的窄缝形成，由等效性原理知，窄缝上电场的辐射可由面磁流的辐射来等效。等效的面磁流密度为

1.2 设计步骤

Step 1 介质基板的选取

Step 2 单元宽度W 的选取

在安装尺寸允许的条件下W 取得适当大些对频带、效率及阻抗匹配都有利，但当W 尺寸大于式(3)给出的值时将产生高次模，从而引起场的畸变:

式(3)中c 是光速，fr是谐振频率，由式(3)知W 总是取小于λ0/2 的值。

Step 3 单元长度L 的确定

矩形微带天线的长度L 在理论上取λg/2，但实际上由于边缘场的影响在设计L 的尺寸时应从λg/2中减去2ΔL。

Step 4 基板尺寸的确定

图3 所示为背馈形式的矩形微带天线的顶视图。所谓基板尺寸，是指图中的WG和LG。实验表明辐射元各边向外延伸λg/10 就可以了。因此对于背馈情况可取

图3 背馈形式的矩形微带天线的顶视图

Step 5 馈电方式的确定

矩形微带天线的馈电方式基本上分为侧馈和背馈两种［6］。显然，当工作于相同频率时侧馈所需面积大于背馈。当矩形微带天线作为独立的天线应用时背馈方式是常被采用的。

对于背馈形式的微带天线，在确定了贴片长度L 和宽度W 之后，还需要确定同轴线馈点的位置，馈点的位置会影响天线的输入阻抗。在微波应用中通常是使用50 Ω 的标准阻抗，因此需要确定馈点的位置使天线的输入阻抗等于50 Ω。取坐标原点位于贴片中心，以(xf，yf)表示馈点的位置坐标。则有:

Step 6 附加寄生贴片的设计

为了展宽阻抗频带，其中一种途径就是修改等效谐振电路，通过修改等效电路为双调谐回路来实现扩展频带。一种有效措施是附加寄生贴片［7］。附加寄生贴片后，两个调谐回路形成两个谐振频率，但它们有所重合的时候，两个谐振频率会连接起来形成一个新的较宽的频带，因此可以获得比较好的相对带宽。

2 矩形微带天线的仿真

2.1 参数设定

选用的介质板材为Rogers R04003，其相对介电常数εr=3.38，厚度h=5 mm;天线使用同轴线馈电。工作频率为2.47 GHz。

根据上面的公式及反复的仿真优化可得出:

表1 微带天线尺寸 单位:mm

在图5 中，附加贴片的宽度为2 mm，附加贴片1 和3 的长度为34 mm，附加贴片2 和4 的长度为44 mm。a=13.6 mm，b=17 mm。微带贴片天线的3D 模型如下图4 和图5 所示。

图4 微带贴片天线的3D 模型

图5 附加寄生贴片微带天线的3D 模型

2.2 仿真结果分析

基本矩形微带天线的S11参数仿真曲线如图6 所示。改进后的矩形微带天线的S11参数仿真曲线如图7所示。驻波比如图8 和图9 所示。三维方向性图如图10 和图11 所示。

图6 基本矩形微带天线S 参数

图7 附加寄生贴片微带天线S 参数

图8 基本矩形微带天线驻波比

图9 附加寄生贴片微带天线驻波比

图10 基本矩形微带天线方向性图

表2 仿真结果参数对比

由仿真的结果可以得出，与基本矩形微带天线相比，改进后的微带天线的阻抗带宽有了明显的扩展。

3 结束语

本文提出在普通矩形微带贴片天线上附加寄生贴片。应用仿真软件ANSOFT HFSS 对设计的天线模型进行仿真，结果显示，其带宽达到了12.16%。由于需要在保持天线性能的情况下尽可能减小天线的体积，所以要进一步减小微带天线的尺寸。但是在微带天线的设计中，尺寸和带宽是一对相关的参数，天线尺寸的降低，天线带宽也必然会随着减低。所以如何解决这一矛盾是下一步需要研究和改进的方面。

［1］ 钟顺时.微带天线理论与应用［M］. 西安电子科技大学出版社，1991.

［2］ 邱金燕，张子文，毛善国. 无线传感网传感器节点天线设计［J］.计算机工程与应用，2009，45(32):65－68.

［3］ 李伟，闫述.一种适用于无线传感器网络的短加载螺旋天线设计［J］.电子技术应用，2010，4:103－105.

［4］ 高向军，朱莉，赵海洲.一种宽带微带贴片天线的新设计［J］.空军工程大学学报:自然科学版，2007，8(4):39－41.

［5］ 张剑.矩形微带贴片天线(MPA)原理介绍及EDA 设计［J］.集成电路通讯，2008，26(3):31－37.

［6］ 宋旭亮，朱义胜.微带天线的设计与阻抗匹配［J］.现代电子技术，2008，1:73－75.

［7］ 孙思扬，林欣，高攸刚，等. 一种可展宽频带的微带贴片天线［J］.电波科学学报，2009，24(2):307－309.