一种无线智能网络传感器弯曲微带天线设计

陈晓飞，凌有铸

（安徽工程大学　电气传动与控制重点实验室，安徽　芜湖　241000）

一种无线智能网络传感器弯曲微带天线设计

陈晓飞，凌有铸

（安徽工程大学电气传动与控制重点实验室，安徽芜湖241000）

设计了一种适用于无线智能网络传感器的弯曲微带贴片天线，该天线能够满足无线智能网络传感器小型化，耗低功，高集成度等方面的要求.通过HFSS软件进行仿真优化，该天线中心频率满足ISM规定的2.45G Hz，回波损耗、带宽、方向、增益均达到了较好的效果.实验仿真结果表明此弯曲微带天线设计可以适用于无线智能网络传感器模块.

天线；无线智能网络传感器；HFSS

随着互联网和智能通信技术的不断发展，人类社会的生产生活也在不断提高.无线传感器在科技日星月异的今天承担的重要的作用，已经成为国防军事，生物医疗，环境保护，交通管理等领域不可或缺的力量.而在无线智能网络传感器系统中，天线是一个需要高度重视的元件，它是无线传感器节点之间相互通信的纽带，用于发射和接收无线电信号.微带贴片天线体积小，功耗低，可高度集成，因而也成为了无线智能网络传感器的较好选择.

对无线智能网络传感器天线的研究，许多国内外专家任在设计研究：文献［1］提出了一种适用于无线网络的倒F天线，结构紧凑，采用同轴线匹配无需匹配电路，满足了距离、适应性、功耗等要求；文献［2］利用共面带状馈电，设计了一种印制折合偶极天线，实现了天线与馈电的较好匹配；文献［3］对无线智能网络传感器天线的应用选择给出了很好的意见，对比了全天向天线和定向天线在不同环境下，工作效率的差异；文献［4］提出的一种用于无线传感器的印制天线，设计工作频率2.45G Hz，具有小型化，高集成度等要求.

本文针对无线智能网络传感器天线设计的要求，设计并仿真了一种可适用于IEEE802.15.4标准的弯曲微带贴片天线.该天线非常薄，出了满足天线本身小型化，低功耗，高集成度的要求外，对于无线传感器网络的节点体积来说也是一个很好的优点.

1　天线设计

本设计采用的弯曲微带天线工作于ITU-R所定义的ISM频段，其中心频率为2.45GHZ，可适用于无线局域网（WLAN）、ZigBee、蓝牙等无线网络.根据天线设计的标准，在给定了介质厚度（h）、材料（相对介电常数）的条件下，弯曲微带天线辐射元的长度L、宽度W和工作频率相关.宽度W的尺寸大小还对微带天线的辐射电阻、方向性函数以及输入阻抗值都有着相当大的影响.考虑到减小此种影响，通常要求宽度W满足公式（1）的要求：

在（2）式中λg为fr相对应的波长，εe为弯曲微带天线采用基片的有效介电常数，取值大小由公式（3）决定：

其中，h、w分别是天线的高度和宽度.但在实际设计时，应考虑到边缘场对天线主体部分的影响，因而需要对天线单元长度L的取值进行误差修正，如公式（4）所示Δl即为L的修正量：

我们在设计时，考虑到弯曲微带天线应用在无线智能网络传感器上应有小型化，高集成等特点.根据上述公式计算出天线的实际尺寸，选定了一些位置坐标，如下表1所示，然后在HFSS上建模，仿真优化得到此弯曲微带天线的模型.该天线中心工作频率2.45GHz，尺寸长度15mm，宽为9.3mm，基板长度29mm，宽为15mm，基板厚度为1mm.在确定了弯曲微带天线的长度L和宽度W之后，还需要确定馈点的位置，此弯曲微带天线采用的是单点直接馈电的方式，贴片中心距离馈电点的距离为5.8mm.为了保证天线体积的稳定性，馈线末端需要接地孔，以便和接地层相连，我们采用的是一个半径0.25mm的圆形孔.馈点的位置也会影响天线的输入阻抗.在设计天线时，为了防止馈电的位置对信号反射的影响，计算得出线路的阻抗为82.26欧姆.

表1　弯曲微带天线设计参数表

2　仿真建模

高频结构仿真软件HFSS（High Frequency Structure Simulator）可精确计算、仿真天线的各种性能，包括远场（近场）辐射方向、天线阻抗、电压驻波比、天线增益、S参数等.在高频结构仿真软件HFSS中采用有限元法建立一个二维平面模型，依据设计设定理想条件下导体边界条件，使用理想薄导体来代替参考地和弯曲微带贴片.建立的模型与仿真如图1所示.

图1　天线仿真图

弯曲线微带贴片天线的方向图如图2所示，从图中仿真结果可以看出，弯曲微带天线的方向性效果很好，没有波瓣产生，在Z轴方向上辐射强度达到了最大，其他方向辐射较为分散（红色部分表示辐射强度较大的区域，黄色部分为辐射强度相对较低的区域，而绿色区域辐射强度则表示达到最低）.

图2　天线方向图

输入反射系数（S参数）图如图3所示，它是表示电磁波在波端口处的反射功率和入射功率的比值.为了弯曲微带天线中心频率处的情况能被更好的观察，我们选取了两个相差比较大的频率扫描范围.结果显示回波损耗为-21db，满足在一般通信系统中反射系数小于-14dB的要求.

图3　天线S参数直角图

天线结果参数统计如下表2所示：

表2　仿真结果参数统计表

3　结论

建模仿真结果分析表明：本文设计的一种无线智能网络传感器天线，从频点位置可看出该天线中心工作频率达2.45G Hz，回波损耗-21db，增益、驻波比均达到较好的效果，且工作效率也满足实际应用.实验结果表明此天线设计适用于无线智能网络传感器模块，接下来的工作重点是对事物进行实测加工，验证其实际性能和工作效率.

〔1〕李茂，张弘，李智.一种适用于无线网络的倒F天线设计［J］.信息与电子工程，2006（12）：4-6.

〔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〕张衡，陈东义，刘冰.无线传感器网络天线的应用选择研究［J］.电子科技大学学报，2010，4（5）:39.

〔4〕刘辉，俞萍，郭有环.一种基于智能家居无线传感器的印制天线设计［J］.科技广场，2015，3（15）:81-84.

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