发布时间：2022-04-21所属分类：工程师职称论文浏览：1次
摘 要： 摘要：针对当前无线通信节点微型化的需求和已有印刷倒F天线存在增益不足、有效带宽较窄、回波损耗偏高等缺陷的现状，设计了一种应用于2.45 GHz无线传感网络的印刷型倒F天线，文中采用Ans蕊HFSS建立了天线模型，从理论上对印刷倒F天线的三大结构参数(谐振长度￡、天线高
摘要：针对当前无线通信节点微型化的需求和已有印刷倒F天线存在增益不足、有效带宽较窄、回波损耗偏高等缺陷的现状，设计了一种应用于2.45 GHz无线传感网络的印刷型倒F天线，文中采用Ans蕊HFSS建立了天线模型，从理论上对印刷倒F天线的三大结构参数(谐振长度￡、天线高度日、两竖臂间距s)进行了仿真研究，并最终推导出了以2.45 GHz为中心频点的最优天线结构参数，即￡=16.2 mm，日=3.7 mm，s=5 mm。在该结构参数下的仿真结果展现出了天线优异的辐射性能，其回波损耗低至s11=一47.8 dB，电压驻波比俗职<2的有效带宽为160 MHz。同时，还采用矢量网络分析仪对天线实物的回波损耗特性进行了测试，测试结果与仿真结果吻合。最后，设计出了加载该印刷倒F天线的cC2530无线通信节点，并对其通信性能进行了实际测试，节点的通信性能测试结果表明：加载了该印刷倒F天线的节点在80 m的通信距离内丢包率为o.17%，优于同类无线通信节点。
关键词：倒F天线;回波损耗;电压驻波比;增益
l 引 言
随着无线通信技术的发展，工业无线传感网对无线通信节点提出了微型化的新要求…。一般而言，无线通信节点中的通信模块主要由射频芯片及其外围电路和天线两大部分组成，天线的性能直接决定了节点甚至整个无线通信网络的品质旧o。然而，无线通信节点微型化的特殊要求决定了天线必须具有结构简单、尺寸小、成本低的特点。印刷倒F(IFA)天线以其结构简单、易于匹配和设计成本低等优点，被广泛用于蓝牙、EE 802.a/b/g等短距离无线通信领域¨…。
国内外对印刷倒F(IFA)天线的研究已经历经数年的历史，然而，以往研究者所设计的印刷倒F天线大都存在增益不足，回波损耗过大，有效带宽过窄等缺点。9。…，为克服这些缺点，许多国内外研究者从天线的极化、阻抗机理、电流特性等层面对印刷倒F天线进行了深入的研究，其中soms c¨列和刘彤‘141分别从印刷倒F天线的结构和天线的极化、阻抗匹配等理论层面对印刷倒F天线进行了深入分析，他们所设计的印刷倒F天线具有足够大的增益，且其回波损耗的仿真结果分别为一30 dB和一16 dB，因为Ansoft HFss的仿真结果具有足够的有效性和可靠性¨“，因此他们所设计的天线达到了系统的应用要求‘16。1 7。。
为了进一步提升印刷倒F天线的增益和降低天线的回波损耗，本文汲取了soms c【1列和刘彤¨41的设计经验，从印刷倒F天线的三大结构参数出发，通过Ansoft HFSs 对印刷倒F天线的各结构参数与天线中心频率、输入阻抗和回波损耗的关系进行了深入的研究，设计了一款工作于2.45 GHz频段的印刷倒F天线，Ansoft HFss的仿真结果表明：该天线工作于2.45 GHz频段时，增益达到了2.92 dBi，回波损耗低至一47 dB。
2印刷倒F天线的结构研究
倒F天线(IFA)是在单极子天线的基础上发展起来的一种变形结构，经历了由1/4波长单极子天线到倒L 天线再到倒F天线的过程…1，其结构如图1所示。馈点图l倒F天线结构 Fig.1 Inverted—F Antenna Stmcture
如图所示，倒F天线可以等效为一种a端开路，c端短路的振荡器，它由长为￡的终端开路传输线和长为S 的终端短路传输线并联而成，其中，a端到b端可以视作电阻和电容并联，c端到b端可以视作电阻和电感串联。因此，在实际应用中，可以通过调整b点的位置和天线的尺寸来进行匹配，以获得在工作频段的理想匹配效果。
因此，根据上面的分析可以知道，倒F天线中决定着天线的输入阻抗、谐振频率和带宽等性能的结构参数主要有3个，即天线的谐振长度￡、天线的高度日和两竖直臂间距。
2.2倒F天线结构参数对天线性能的影响
研究要研究天线结构对其性能的影响需要根据本文的具体需要建立合适的天线模型，因此，在研究中需要涉及到天线的初始尺寸设定和天线的三维模型建立与仿真。
本文在模型的建立中将印刷倒F天线结构模型分为 3个部分，分别为倒F形状天线、介质层和接地层，介质层厚度选择0.8 mm，接地层位于介质层下面。此外，为了便于分析天线的结构参数对天线性能的影响和对天线进行优化，天线的结构均采用变量进行表示，根据上文的计算结果，变量初始值设定如表l所示。
本文采用Ansoft HFss v13.0对所设计的天线进行模型的建立和仿真，根据表l中结构初始值所建立的模型如图2所示。
图3为该天线的回波损耗，由图可以看出，该图的谐振频点为2.4 GHz，偏离了本文所需要的谐振中心频点 2.45 GHz，为了使下文的研究更加方便和直接，需要对天线结构参数进行分析，调整结构尺寸，将中心频点调整至 2.45 GHz.
添加天线高度H为扫描变量，通过HFSS的扫描分析功能查看日在3.7～4.2 mm时的天线谐振频率变化情况，如图4所示。由图分析可知，当L=16.2 mm，日= 卫=3.7 mm时，谐振频点处于2.45 GHz。
根据以上对印刷倒F天线的分析，选择H=3.7 mm，L= 16.2 mm，s=5 mm作为印刷倒F天线的初始尺寸进行分析。
2.2.2倒F天线结构参数对天线性能的影响研究
决定倒F天线性能的3个主要结构参数有天线的谐振长度L、天线的高度日及两竖臂间距s，谐振长度￡对天线性能的影响可以通过波长与频率的关系进行推导，但是对于天线的高度参数日以及接地点和馈点间的距离 5，二者对天线性能的影响很难通过波长与频率的关系推导得到比较直观的结论，因此，本文采用HFss的参数扫描分析功能和矩量法来具体研究这3个结构参数对天线谐振频率和输入阻抗的实际影响。
1)倒F天线谐振长度L对天线性能的影响
谐振长度￡作为倒F天线的谐振部分，其对天线的性能影响最大。根据上文所推导的结构参数，保持两竖臂间距.s=5 r啪，天线高度日=3.7 HHn不变，用m鼍s参数扫描分析功能扫描谐振长度￡.=17.2 ITlrn，厶=16.2 mm，厶=15.2 mm 时天线的谐振频率和输入阻抗，如图5和图6所示。
由以上两图可以知道，当天线谐振长度￡增加时，天线的谐振频率降低，输入阻抗减小;反之，当天线谐振长度L减小时，天线谐振频率升高，输入阻抗增大。
2)倒F天线高度日对天线性能的影响
保持两竖臂间距.s=5 mm，天线谐振长度L= 16.2 mm不变，用HFSS参数扫描分析功能扫描求解天线高度日1=4.7 mm，日2=3.7 mm，m= 2.7 mm时天线的谐振频率和输入阻抗，如图7和图 8所示.
天线高度参数扫描仿真结果表明，当天线高度日增加时，天线的谐振频率降低，天线输入阻抗增大;反之，当天线高度H减小时，天线的谐振频率增大，天线输入阻抗减小。
3)馈点与接地点间距5对天线性能的影响
保持天线谐振长度￡=16.2 mm，天线高度日=3.7 不变，用HFss参数扫描分析功能扫描求解天线两竖臂间距s.=4 mm，S：=5 mm，s，=6 mm时天线的谐振频率和输入阻抗，如图9和图10所示。
馈点与接地点间距参数.s的扫描分析结果表明，相对于天线之路长度L和天线高度日，馈点与接地点的间距参数.s对天线性能的影响更为复杂，当s在4～6 mm 间变化时，天线的谐振频率和输入阻抗变化远不如L和日对天线的影响那样明显。但是，仍然可以得出结论：当馈点与接地点间距s增加时，天线的谐振频率升高，输入阻抗减小;反之，当馈点与接地点间距S减小时，天线的谐振频率降低，输入阻抗增加。
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综合上述的仿真结果分析，印刷倒F天线的3个主要结构参数对天线性能的影响可以总结如表2 所示。
3印刷倒F天线设计和仿真
根据上文对天线结构参数的分析结果，本文通过 Ansoft HFSS对天线进行参数的扫描优化，最后得到满足性能要求的最优结构参数如表3所示。
3.1天线表面电流分析
图1l为该倒F天线的表面电流分布图，由图可知，在馈点处电流最大，从馈电点开始沿着开路端和接地点方向电流逐渐减小(即图中箭头方向)，其中，接地点的电流最微弱。根据天线表面电流的分布情况可以解释天线两竖臂间距|s对天线性能的影响，即：如果保持馈点处电压的幅度不变，由于接地短路点处的电流幅度最大，所以随着馈点与接地点间距s的增加，接地点逐渐远离馈电点，馈电点处的输入电流幅度逐渐变小，从而导致输入电阻变大，反之如图S减小，接地点逐渐靠近馈电点，馈电总处的输入电流幅度逐渐增大，将导致输入电阻变小川。
3.2天线的回波损耗和电压驻波比仿真分析
仿真过程中，选取的扫频范围为2.25～2.65 GHz，仿真所得回波损耗.s(1，1)电压驻波比VSwR的变化曲线分别如图12和图13所示。由图12可知，在中心频点 2.45 GHz处的回波损耗低达一47.8 dB，在2.4～ 2.5 GHz频带内Jsll均小于一20 dB，一10 dB以下的有效带宽为400 MHz，由此可以表明天线的阻抗匹配良好，辐射性能优异。总的来讲，天线谐振频点的回波损耗及有效带宽均已达到无线传感网中对天线的性能要求。
图13为驻波比变化曲线，晒腑=2对应回波损耗曲线图中的s(1，1)=一10 dB，从图中可以看出，在2.38～ 2.54 GHz的频率范围内，天线的VSwR都小于2，由此可以表明该天线在中心频点附近的反射波极小，辐射特性优异，已经达到了预期的要求。
3.3天线的辐射方向图和增益及其分析
选取天线的中心频点2.45 GHz，通过HFss绘制出天线在xz面、Xy面的增益方向图如图14 所示。
由图可以看出，在以2.45 GHz为中心频点的方向图中，各方相对应的增益值不同，表现为：嬲面增益方向图中，在 90。方向处存在畸变，方向性最差，其余各方向处的方向性均比较好;在w面增益方向图中，120。方向处存在畸变，方向性略差，其余各方向的方向性较好。总的而言，2个平面增益方向图中的主瓣方向性都比较好，且出现了数个旁瓣，但均呈现出了全向性，并且天线的全向性可以从天线的三维方向图得到证实。因此，中心频点2.45 GHz在昭、xy的平面方向性完全满足无线通信的要求，具有实用性‘”1。
如图15所示为该天线的中心频点(2.45 GHz)在彪和xy平面的增益曲线图。——论文作者：严 冬，汪 朋，李帅永，王 平，王雄
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