基于CC2430芯片的2.4 GHz微帶天線設計

2011-05-08 02:09:14楊永俠

電子科技 2011年9期

楊永俠，楊琳

(西安工業大學電子信息工程學院，陜西西安 710032)

隨著科學技術的發展，無線傳感網絡越來越多地被應用于工業生產、安全監測等領域。對于一個無線系統來說，能正確地發送和接收信息是最基本的要求。天線作為無線通信中不可缺少的部分就是用來發送和接收電磁波，對無線系統起著非常重要的作用。而常用無線傳輸模塊中的直立式天線體積太大。為解決這一問題，文中選擇使用微帶天線，不僅可以減小無線傳輸設備的體積，也可降低設備功耗、降低成本。文中以CC2430射頻芯片的WSN節點為對象，完成基于CC2430芯片的2.4 GHz微帶天線的設計，從而為構成小體積、低功耗的WSN測控系統節點基本硬件奠定了基礎。詳細論述微帶天線設計原理、設計過程以及阻抗匹配方案。

1 天線類型的選擇

1.1 微帶天線的輻射原理

微帶天線即在有金屬接地板的介質基片上沉積或貼附所需形狀導體貼片構成的微波天線，如圖1所示。通常通過微帶傳輸線或者同軸探針饋電，使導體貼片與接地板之間激勵起高頻電磁場，并通過貼片四周與接地板之間的縫隙向外輻射電磁波[1-2]。

圖1 微帶天線

1.2 參數要求

文中對天線的要求是工作在2.4 GHz，增益達到3 dB，方向性系數達到5.03 dB，阻抗能達到匹配，天線尺寸在5 mm×7 mm以內。

1.3 天線形狀的選擇

貼片形狀多種多樣，其中圓形微帶天線的波瓣寬度較矩形的窄，但方向性系數幾乎相同[3]。矩形微帶天線所要求輻射元面積較圓形微帶天線大，但經過計算，矩形貼片所需的尺寸在可以滿足要求的范圍內，而且矩形微帶天線的效率、寬度都優于圓形微帶天線[4]。

1.4 天線饋電方式的選擇

微帶天線有許多種饋電裝置形式，但主要分為微帶傳輸線饋電和同軸線探針饋電。其中微帶傳輸線饋電的饋線也是一導體帶，一般具有較窄的寬度。微帶傳輸線饋電制造簡單，易于匹配，也易于建模。同軸線探針饋電是將同軸線內導體接到輻射貼片上，外導體接到接地面。同軸線饋電也具有制造簡單，易于匹配的優點，同時帶寬比較窄，而且建模相對難些[5]。因此選擇傳輸線饋電，設計一個側饋的矩形微帶天線。

2 天線材料的選擇

基板材料的介電常數εr和其厚度h直接影響著微帶天線的一系列性能指標。一般來說，h的取值決定著天線的體積和重量[6]。如果安裝面積有限，應選擇εr較大的基板。陶瓷基片是比較常用的介電常數較高的介質基片，其常用的厚度是 h =1.27 mm，0.635 mm，0.254 mm。其中1.27 mm的基片有較高的天線效率，較寬的帶寬以及較高的增益。因此選擇1.27 mm的陶瓷基片，其介電常數εr為9.8。

3 天線尺寸的計算

確定矩形貼片的尺寸，即單元長度L和單元寬度W。

3.1 寬度計算

W的大小影響著微帶天線的方向性函數、輻射電阻及輸入阻抗，從而也影響著頻帶寬度和輻射效率。另外，W的大小直接支配著微帶天線的總尺寸。在安裝條件允許的情況下W取適當大一些對頻帶、效率、及阻抗匹配都有利，但當W的尺寸大于式(1)給出的值時，將產生高次模，從而引起場的畸變[5]。

其中，c為光速;εr為介質薄板的介電常數;fr為諧振頻率。

3.2 長度計算

其中，λg為介質內波長;εe是有效介電常數;Δl是實際受邊緣場的影響而算出的一個修正公式[5]，分別由式(3)～式(5)計算。

饋線寬度d可由Transmission Line Calculator軟件計算得出。

在設計中，εr=9.8;fr=2.4GHz;h=1.27 mm，把這些參數代入，計算得到矩形微帶貼片天線參數:W=26.89 mm;L=19.71 mm;d=1.23 mm。

4 天線設計

圖2 天線的初步形成

對設計好的天線仿真，設置掃描類型為線型，頻率范圍1.4～2.4 GHz，掃描間隔為0.1 GHz，仿真結果如圖3所示。

圖3 天線的初步仿真

從圖中可以看出，理論計算結果與實際相符，中心頻率約為2.4 GHz。只有天線的輸入阻抗等于饋線的特性阻抗時，饋線終端才沒有功率反射，饋線上沒有駐波，天線才能獲得最大功率[7-8]。從輸入阻抗圖得到，在2.4 GHz時天線輸入阻抗實部為8.55，虛部為-42.05，他與50 Ω饋電系統不匹配，反射系數S11較大，所以需要進一步匹配。

5 阻抗匹配

為進一步減小反射系數，達到理想匹配，并且使中心頻率更加精確，要對天線進行阻抗匹配。

5.1 匹配原理

在2.4 GHz微帶天線饋線后端串聯一根50 Ω的微帶傳輸線，使得S11在等反射系數圓上旋轉，到達g=1的等g圓上，然后再并聯一根50 Ω傳輸線，將S11參數轉移到接近處，這時就把輸入阻抗8.55-j42.05匹配到50+j0，達到了與50 Ω饋電系統的匹配，這實質也是利用史密斯圓法進行阻抗匹配的理論[9]。微帶線匹配法就是計算串聯的微帶傳輸線和并聯的微帶傳輸線的長度。

5.2 匹配的過程

天線輸入阻抗為8.55-j42.05，這樣天線可以等效為一個電阻和電容的串連，設電阻為R1，電容為C1。

由式(6)計算得到R1=8.55 Ω，C1=1.57 pF。

在ADS中新建一個Schematic文件，在這個原理圖中畫出天線所的等效電容和電感，并且添加一個MLIN元件一個MLEF元件。其中MLIN元件代表串聯傳輸線，MLEF元件代表并聯傳輸線，設定這兩個元件的寬度為1.23 mm，長度初值為10 mm，并設定優化范圍為1～20 mm。再添加一個三端口連接器MTEE_ADS，3個端口的寬度都設定為1.23 mm。將電容、電感、MLEF元件、MLIN元件以及MTEE_ADS聯接起來，如圖4所示。

圖4 匹配電路

如圖4設置MSub元件介質層和金屬層的各項參數，和S-Parameters元件中頻率范圍和掃描間隔。并在GOAL元件中設置優化目標，即將反射系數S11優化到-70dB。最后設置OPTM元件中的優化方式，常用的優化方法有Random(隨機)、Gradient(梯度)等。隨機法通常用于大范圍搜索時使用，梯度法則用于局部收斂。文中選擇 Random，優化次數為300，其他的參數一般設為缺省。

5.3 匹配結果

點擊仿真按鈕，信息欄中Currentef為0時，優化完成。此時更新優化結果，可以看到MLIN元件和MLEF元件的長度值已經被優化成最佳值，如圖5所示。MLIN元件的長度被優化成7.47 mm，MLEF元件的長度被優化成9.60 mm。即先串聯一段長度為7.47 mm的50 Ω微帶線，然后再并聯一段長度為9.60 mm的50 Ω微帶線。按照這個結果將這些微帶線添加到布局中，可以得到新的天線布局，如圖6所示。