2.45 GHz倒F型弯折印刷天线研究与应用*

柳敏瑞，田铭兴，陈小强，祁永超

(1.兰州交通大学 自动化与电气工程学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省轨道交通电气自动化工程实验室(兰州交通大学)，甘肃 兰州730070)

0 引 言

作为自由空间与无线电设备的媒介，天线是限制终端设备具有高集成度及小型化的主要因素[1]。而小型化天线的性能是确定节点通信距离以及无线通信网络可靠性的主要因素。应用于终端设备的天线主要为倒F型天线以及普通单极子天线，后者作为内置天线时对环境变化较前者更为敏感，而倒F天线(inverted-F antenna,IFA)结构参数少且匹配电路简单。另外，其比吸收率(specific absorption rate,SAR)更低，故得到终端天线技术的更多应用[2]。

国内外对印刷倒F天线的研究已达数年，但终端的大小尺寸等条件对天线设计的影响较大，同一天线用于不同终端时，性能也会有较大差异[3]。文献[4]设计了一种驻波比(voltage standing wave ratio,VSWR)小于时带宽为160 MHz的倒F天线，但尺寸偏大；文献[5]设计了一种15 mm×6 mm的折叠天线，但带宽较窄；文献[6]设计了一种工作于2.4 GHz的印刷天线，尺寸较大，为25.7 mm×7.5 mm。

本文通过对2.45 GHz天线的研究[7]，结合目标终端，在Ansys HFSS中建模，对天线性能与其结构参数间的关系分析研究[7]，在倒F天线的基础上，将天线的水平部分弯折，设计出一种中心频率为2.45 GHz小体积的印刷倒F型弯折天线。

1 天线结构研究

1.1 原理结构参数分析

倒F天线由单极子天线发展而来，为减小单极子天线高度，将天线弯折90°的同时天线容性增加，因此在弯折处添加L型贴片，便得到倒F天线[8]。倒F天线结构如图1。将天线端点分别标记为a点、b点、c点，ab间可视为串联的电感与电阻，bc间可视为并联的电阻与电容，谐振时，ab间短路，bc间开路[9]。基于以上分析，倒F天线的主要结构参数分别为天线谐振长度L，天线高度H以及天线两竖直臂间距S，这3个主要因子决定了天线的谐振频率、输入阻抗以及天线增益等性能。考虑终端设备对天线预留空间的限制，本文将天线谐振长度弯折成为倒F弯折天线，其主要结构参数与倒F天线一致。

图1 倒F天线结构

1.2 参数对天线性能影响研究

1.2.1 参数分析

本文所设计的天线工作的中心频率为2.45 GHz，印刷于玻璃纤维环氧树脂(FR4)板上。

根据通信信号的中心频率可计算此信号在自由空间的波长λ为

(1)

根据单极子天线的设计经验，倒F天线工作长度为1/4工作波长[10]，天线印刷制作于PCB上，故天线总长即L+H需结合信号在自由空间的波长以及在印刷板介质层上传播的波长，其值介于1/4倍二者波长之间[11]。由于倒F天线属于电子天线，对近场区的介电常数变化较为敏感，故而在计算天线长度时需要部分周边空气考虑在内，对板材的相对介电常数修正[12]

(2)

(3)

式(2)是对板材相对介电常数的修正，其中,εr为印刷板板材的相对介电常数，依照FR4的性质，取εr=4.2；h为板材厚度，取h=0.8 mm，w为天线宽度，取w=0.5 mm，εeff为介质板材有效介电常数。天线初始尺寸计算见式(3)，其中L为天线长度，H为天线高度，λ为信号的自由空间波长。

1.2.2 建立模型

本文采用Ansys HFSS v15.0对所设计天线建立模型，仿真分析了天线性能随各结构参数改变时的变化，结合终端对天线预留空间大小，参考设计经验，将倒F天线弯折为如图2所示结构，天线的板载介质层厚度取0.8 mm，倒F形状弯折后天线的初始尺寸如表1所示。

图2 弯折倒F天线结构

表1 天线的初始尺寸

根据所建模型，仿真得到天线的回波损耗曲线，如图3，谐振频率为2.5 GHz，而设计目标为2.45 GHz，因此对根据天线理论，对天线参数进行调整，使其谐振中心频率在2.45 GHz处。

图3 初模型下天线回波损耗

采用参数扫描分析法[13]，以天线高度H为扫描变量，其余变量不变，改变H，从H=3.8 mm到H=5.0 mm，每间隔3 mm为一个值分析天线谐振频率的变化情况，如图4，天线高度H=4.1 mm时，天线谐振频率位于目标值2.45 GHz。因此，选用H=4.1 mm，其余变量数值与表1保持一致，分析天线高度H,天线长度L及天线两竖臂间距S对天线性能的影响。

图4 回波损耗扫描分析结果

1)谐振长度对倒F弯折天线的影响

此模型中对天线水平部分进行弯折，形成多段，此处仅以L1为代表，改变其变量值，分析其变化对天线性能的影响。保持H=4.1 mm 及S=1.4 mm不变，分别取L1=2.94,3.94,4.94 mm，得到图5(a1)和图5(a2)，分析可得，谐振长度的改变对天线工作的中心频率点影响较为明显，二者变化呈负相关性，L1增大，中心频点左移，L1减小，中心频点右移；而对天线阻抗影响较小，但也随L1增大而减小，随L1的较小而增大。之后再保持L1的值不变，分别改变L2,L3,L4,L5的值，可得到与改变L1时相同的结论，故而L1可代表整个天线谐振长度改变时天线性能的变化趋势。

2)天线高度对倒F弯折天线的影响天线的高度是天线所占空间大小的重要体现，所以，需在保证天线性能的基础上尽可能实现小型化[14]。保持S=1.4 mm和L1=3.94 mm不变分别取天线高度H=3.1,4.1,5.1 mm，得到天线性能曲线如图5(b)。分析图中回波损耗曲线的变化，可得到，H改变时，曲线的变化程度较为明显，H增加时，天线谐振的中心频点随之右移，反之左移。分析图5(b2)，可体现出，天线高度改变时输入阻抗曲线的变化较为明显，H增加时，输入阻抗增加，反之减小。

3)天线两竖直臂间距对倒F弯折天线的影响

天线两竖直臂间距S即天线接地点与馈点之间的距离。保持H=4.1 mm及L1=3.94 mm不变，改变两竖臂间距S，分别取S=0.4,1.4,2.4 mm，观察天线性能变化。此时，天线的回波损耗以及Smith图如图5(c)，当天线两竖直臂间距S变化时，谐振频率的波动较小，S增加时，中心频点小程度的随之右移，反之则左移，天线的输入阻抗与谐振频率的变化正好相反，S增大时，输入阻抗减小，反之亦然。

图5 改变天线参数时回波损耗和输入阻抗

2 仿真分析优化

天线模型的地平面大小为48 mm×57 mm，介质层厚度为0.80 mm，采用参数扫描分析方法，扫描优化各结构参数，取得最优值[15]如表2。参数优化后，在谐振频率2.45 GHz处，天线回波损耗为-20.42 dB，VSWR为1.66，天线输入阻抗约为(48.95-9.40i)Ω，其有效值约等于目标值50 Ω，从Smith图中得到，天线的归一化阻抗为(0.98-0.19i)Ω，其有效值约为理想值1，天线匹配良好[16]。

表2 天线优化后尺寸

将天线置于空气盒子之中，盒子各表面距天线距离需至少大于1/4倍的信号的自由空间波长[17]，设置盒子表面为辐射条件，分析天线的方向性能。选择2.45 GHz处，得到天线在XZ平面、XY平面以及3D增益图，如图6(d)～图6(f)。在XZ平面的-90°的方向上以及XY平面的-60°和150°的方向上存在畸变，天线的方向性最差，其余方向，天线辐射性能良好，在两平面上总体都呈现出全向性，在3D增益图中也证实天线向各方向呈现辐射特性，增益最大处可达到3.81 dB。

图6 优化后仿真结果

3 加载天线的无线通信节点测试

根据优化后的天线加载于主控芯片为CC2530的印刷电路板上，电路板厚度与天线建模介质层厚度一致均为0.80 mm，天线制作厚度为0.03 mm，其实物如图7，通过测试无线通信节点之间的通信情况从而对天线性能进行测试[18]。

图7 加载倒F弯折天线的通信节点

采用2个加载印刷倒F弯折天线的无线通信节点，编辑程序设置一个节点为发送节点，另一个节点为接收节点，两节点之间可无线通信。通过一个节点发送帧数据，对另一个节点的接收应答情况做以记录，测试时，2个无线通信节点直线距离为100 m，2个节点直线连接线之间无大面积障碍物。为减小误差，对多次测试数据取均值[19]。

发送节点发送数据，接收节点接收，共测试3组，每组数据包间隔1 s发送，共500个数据包，2个节点间通信情况如表3。实验表明，该天线在100 m内通信数据丢包率为0.2 %，满足设计要求。

表3 无线通信节点数据测试结果

4 结 论

印刷版倒F型弯折天线体积小，成本低，可大批量生产[20]。本文设计的倒F型弯折天线，经优化后在中心频率2.45 GHz处，天线归一化阻抗约为1，输入阻抗有效值约50 Ω，与芯片及外围电路匹配较好。天线回波损耗为-20.42 dB，且呈现全向性。并应用此天线于CC2530终端设备并做测试，其性能满足设计要求。此外，控制变量，分析了各结构参数对倒F弯折天线的谐振频率及输入阻抗的影响，为设计及优化此类天线提供参考。