無線傳感器網絡中天線設計與研究

胡金良

（天津鐵道職業技術學院鐵道電信學院 天津市 300240）

無線傳感器網絡[1]在國際上被認為是繼互聯網之后的第二大網絡，對人們的工作、學習、生活等方面產生深遠影響。無線傳感器網絡是一種通過無線通信技術把大量的傳感器節點自由式進行組織與結合形成的無線網絡，以協作地感知、采集、處理和傳輸網絡覆蓋范圍內被感知對象的信息。天線是無線通信系統中不可或缺的重要組成單元，作為一種變換器，在進行無線電波發射時，天線將高頻電流或導行電磁波轉化為空中傳輸的無線電波；當進行無線電波接收時，天線將空中傳輸的無線電波轉化為高頻電流或導行電磁波。由此可見，天線作為無線電波進行收發傳導的唯一通道，天線的結構、參數等對實現收發功能具有至關重要的意義。

本文設計的倒F 天線適應于IEEE802.15.4 標準。IEEE802.15是針對個人域網絡（Personal Area Network，PAN，中文簡稱“個域網”）的系列規范，其中IEEE802.15.4 是針對低數據速率個域網的標準。

1 倒F天線的基本原理

倒F 天線的發展過程可以看作是從1/4 波長單極子天線轉變為倒L 天線，再從倒L 天線轉變為倒F 天線，如圖1所示。圖1（a）結構就是倒L 天線，由單極子天線進行垂直彎折而成，而由于地面的鏡像作用，導致天線輻射強度減小，輻射電阻減小，該轉換減小了天線高度，但同時增加了天線的容性，阻抗太低。為了增加輻射電阻，在垂直單元的末端附加一段倒L 型貼片，以彌補折疊部分與地面之間產生的容性分量，使其在改變天線的輸入阻抗的同時，不改變天線的諧振頻率。由于該天線外形與字母F 相似，故稱此天線為倒F 天線，如圖1（c）所示。

倒F 天線通常借助PCB 板制作成印刷天線[2]，圖1（c）為倒F 天線的基本結構圖，它可以看成是由長度為L 的終端開路傳輸線與長度為S 的終端短路傳輸線并聯組成的諧振器。開路傳輸線到饋電點可以看作電阻與電容的并聯，諧振時近似開路；短路傳輸線到饋電點可以看作電阻與電容的串聯，諧振時近似短路。當倒F 天線發生諧振時，電流主要流過天線的終端開路傳輸線和終端短路傳輸線，而饋電點處的電流基本為0。

倒F 天線有三個主要的結構參數，分別是天線的諧振長度L，天線的高度H 及兩條垂直臂之間的距離S，這三個結構參數決定著天線的輸入阻抗、諧振頻率和天線帶寬等性能。

2 倒F天線設計

對倒F 天線進行設計時，重點考慮天線的結構參數對性能的影響。綜合對比天線的諧振長度L、天線的高度H 和豎直臂間距S 對天線的諧振頻率和輸入阻抗的性能影響，發現諧振長度L 影響最大。適當增加L 時，發現天線的諧振頻率和輸入阻抗都會減小，同時天線表現為感性；適當減小L 時，天線的諧振頻率和輸入阻抗都會增大，同時天線表現為容性。通常，L 和H 的長度之和約為1/4 工作波長，由于倒F 天線要蝕刻在PCB 介質層上，所以除了考慮自由空間工作波長以外，還要增加對介質層導波波長的考慮，實際應用中，L 和H 的長度通常可以由以下經驗公式得出：

其中，εr是介質板材的介電常數，λ0是自由空間波長。

圖1：倒F 天線的衍變過程

圖2：天線3D 模型

圖3：S11 掃頻分析結果

圖4：輸入阻抗結果報告

由于天線印制在PCB 板上，印制電路板的某些參數會影響天線的輻射特性。一般常用的PCB 其介質層材料是玻璃纖維環氧樹脂（FR4），對應的介電常數為εr=4.3，損耗正切tanδ=0.02，介質層的厚度為1.6mm，長度和寬度分別為40mm 和45mm。由于印制天線存在于空氣和介質板中間，同時介質板的背面沒有金屬材料，所以受板材材質的影響，天線的波長λ 不能用真空中波長λ0和按微帶線中的任一計算，通常天線的波長λ 可以由以下經驗公式進行計算：

圖5：W 對天線性能的影響

圖6：Smith 圓圖

圖7：PCB 板厚度對天線諧振頻率的影響

圖8：天線三維增益方向圖

除了天線的波長λ 以外，天線的3 個參數L、H 和S 也會因板材材質的不同發生變化。在2.45GHz 時，λ0≈122.4mm，代入公式（2）得到λ ≈75.19mm。根據板子尺寸限制，初步設定L=14.8mm，H=4mm，S=5.1mm，天線寬度W=0.49mm，利用HFSS 仿真軟件驗證各參數尺寸對天線的諧振頻率及輸入阻抗影響如表1所示：

通過分析得出，適當調整倒F 天線的L、H 和S 參數，可將天線諧振在任何頻率上，同時使天線的輸入阻抗近似等于50Ω。換句話說，本次設計的倒F 天線可以不需要額外增加任何外圍電路就可以很容易地實現與微波傳輸線的阻抗相匹配，增加了天線設計的自由性。

表1：結構參數對天線性能的影響

3 倒F天線仿真

首先，對天線進行3D 建模，建模效果如圖2所示。建模完成后需要進行集總端口激勵和理想邊界條件創建，并完成分析參數設置。由于本次設計的印制倒F 天線工作在2.4GHz ISM 頻段，其中心工作頻率為2.45GHz，所以將本次設計的頻率設置為2.45GHz，同時添加頻率范圍為1.8GHz ～3.2GHz 的掃描設置。最后，用HFSS 進行數值分析計算。

HFSS 仿真結束后，經過頻率掃描分析和輸入阻抗分析，得到S11曲線和輸入阻抗結果如圖3、圖4所示。從仿真結果報告中可以看出，天線諧振頻率為2.45GHz，10dB帶寬約為400MHz。在2.45GHz時，S11=-28.33dB，天線的輸入阻抗為（50.77+j3.2）Ω，天線的輸入阻抗和50Ω 匹配良好[3]。

除此之外，在天線設計時，還要考慮結構參數W 對天線性能的影響，仿真結果如圖5所示，觀察可知，當W=0.49mm 時，可以取得較好的匹配效果，此時的Smith 圓圖如圖6所示，在2.45GHz時，天線的歸一化輸入阻抗為1.0153+0.0638i，近似為1，說明端口阻抗匹配良好。

最后，在天線整個設計過程中，還需要考慮PCB 板的厚度對天線諧振頻率影響，因為PCB 板厚度將直接關系到發射機輸出端到天線饋電點50Ω 微帶線的走線寬度，走線寬度不宜過寬，通常為1mm ～2mm。PCB 板厚度對天線諧振頻率的影響仿真報告如圖7所示。從仿真結果中能發現，在保證其他參數不變的情況下，當PCB 板的厚度增加時，天線諧振頻率在慢慢地減小，其原因是由于材料介質層厚度的增加，對介質中的波長產生影響，從而影響天線的諧振頻率。

天線3D 增益方向圖如圖8所示，從仿真圖可見，倒F 天線的方向圖近似為全向，最大增益達到2.9dB。

4 結束語

本文設計了一款用于無線傳感器網絡中的倒F 天線，該天線具有低功耗、低速率傳輸、低成本、小型化、帶寬高等優點。倒F 天線性能穩定，在工作頻段內dB（S11）均小于-10dB。從仿真結果可知，設計的倒F 天線性能良好且具有工程實用價值。