基于CC2430芯片的2．4GHz微帶天線設(shè)計(jì)

摘要 針對(duì)無(wú)線模塊中直立式天線體積大、功耗高問(wèn)題，提出用微帶天線替代傳統(tǒng)直立式天線的方法，并討論了微帶天線的工作原理。介紹了中心頻率為2．4 GHz微帶天線的設(shè)計(jì)流程。根據(jù)需求確定微帶天線的材料、形狀、類型，用公式和軟件計(jì)算出天線的尺寸等參數(shù)，再在Agilent公司的微波電路仿真軟件ADS中建立天線模型并對(duì)其仿真，通過(guò)優(yōu)化匹配和調(diào)整天線模型，得到最佳的天線參數(shù)使其特性符合設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞 微帶天線；ADS軟件；反射系數(shù)；優(yōu)化匹配

    隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越多地被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、安全監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。對(duì)于一個(gè)無(wú)線系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，能正確地發(fā)送和接收信息是最基本的要求。天線作為無(wú)線通信中不可缺少的部分就是用來(lái)發(fā)送和接收電磁波，對(duì)無(wú)線系統(tǒng)起著非常重要的作用。而常用無(wú)線傳輸模塊中的直立式天線體積太大。為解決這一問(wèn)題，文中選擇使用微帶天線，不僅可以減小無(wú)線傳輸設(shè)備的體積，也可降低設(shè)備功耗、降低成
本。文中以CC2430射頻芯片的WSN節(jié)點(diǎn)為對(duì)象，完成基于CC2430芯片的2．4 GHz微帶天線的設(shè)計(jì)，從而為構(gòu)成小體積、低功耗的WSN測(cè)控系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)基本硬件奠定了基礎(chǔ)。詳細(xì)論述微帶天線設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)過(guò)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(zhì)基片上沉積或貼附所需形狀導(dǎo)體貼片構(gòu)成的微波天線，如圖1所示。通常通過(guò)微帶傳輸線或者同軸探針饋電，使導(dǎo)體貼片與接地板之間激勵(lì)起高頻電磁場(chǎng)，并通過(guò)貼片四周與接地板之間的縫隙向外輻射電磁波。

1．2 參數(shù)要求
    文中對(duì)天線的要求是工作在2．4 GHz，增益達(dá)到3 dB，方向性系數(shù)達(dá)到5．03 dB，阻抗能達(dá)到匹配，天線尺寸在5mm×7mm以內(nèi)。
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(shù)幾乎相同。矩形微帶天線所要求輻射元面積較圓形微帶天線大，但經(jīng)過(guò)計(jì)算，矩形貼片所需的尺寸在可以滿足要求的范圍內(nèi)，而且矩形微帶天線的效率、寬度都優(yōu)于圓形微帶天線。
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(dǎo)體帶，一般具有較窄的寬度。微帶傳輸線饋電制造簡(jiǎn)單，易于匹配，也易于建模。同軸線探針饋電是將同軸線內(nèi)導(dǎo)體接到輻射貼片上，外導(dǎo)體接到接地面。同軸線饋電也具有制造簡(jiǎn)單，易于匹配的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)帶寬比較窄，而且建模相對(duì)難些。因此選擇傳輸線饋電，設(shè)計(jì)一個(gè)側(cè)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(shù)εr和其厚度h直接影響著微帶天線的一系列性能指標(biāo)。一般來(lái)說(shuō)，h的取值決定著天線的體積和重量。如果安裝面積有限，應(yīng)選擇εr較大的基板。陶瓷基片是比較常用的介電常數(shù)較高的介質(zhì)基片，其常用的厚度是h=1．27 mm，0．635 mm，0．254mm。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(shù)εr為9．8。

3 天線尺寸的計(jì)算
    確定矩形貼片的尺寸，即單元長(zhǎng)度L和單元寬度W。
3．1 寬度計(jì)算
    W的大小影響著微帶天線的方向性函數(shù)、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(dāng)大一些對(duì)頻帶、效率、及阻抗匹配都有利，但當(dāng)W的尺寸大于式(1)給出的值時(shí)，將產(chǎn)生高次模，從而引起場(chǎng)的畸變。
   
    其中，c為光速；εr為介質(zhì)薄板的介電常數(shù)；fr為諧振頻率。
3．2 長(zhǎng)度計(jì)算
    矩形微帶天線的單元長(zhǎng)度L在理論上應(yīng)選取其波長(zhǎng)的一半即，但考慮到邊緣場(chǎng)的影響，應(yīng)該從減去2△L，L由式(2)計(jì)算。
   
    其中，λg為介質(zhì)內(nèi)波長(zhǎng)；εe是有效介電常數(shù)；△l是實(shí)際受邊緣場(chǎng)的影響而算出的一個(gè)修正公式，分別由式(3)～式(5)計(jì)算。
   
    饋線寬度d可由Transmission Line Calculator軟件計(jì)算得出。
    在設(shè)計(jì)中，εr=9．8；fr=2．4 GHz；h=1．27 mm，把這些參數(shù)代入，計(jì)算得到矩形微帶貼片天線參數(shù)：W=26．89 mm；L=19．71 mm；d=1．23mm。

4 天線設(shè)計(jì)

    對(duì)設(shè)計(jì)好的天線仿真，設(shè)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(jié)果如圖3所示。

    從圖中可以看出，理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)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(shí)，饋線終端才沒(méi)有功率反射，饋線上沒(méi)有駐波，天線才能獲得最大功率。從輸入阻抗圖得到，在2．4 GHz時(shí)天線輸入阻抗實(shí)部為8．55，虛部為-42．05，他與50 Ω饋電系統(tǒng)不匹配，反射系數(shù)S11較大，所以需要進(jìn)一步匹配。

5 阻抗匹配
    為進(jìn)一步減小反射系數(shù)，達(dá)到理想匹配，并且使中心頻率更加精確，要對(duì)天線進(jìn)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(lián)一根50 Ω的微帶傳輸線，使得S11在等反射系數(shù)圓上旋轉(zhuǎn)，到達(dá)g=1的等g圓上，然后再并聯(lián)一根50 Ω傳輸線，將S11參數(shù)轉(zhuǎn)移到接近處，這時(shí)就把輸入阻抗8．55-j42．05匹配到50+j0，達(dá)到了與50 Ω饋電系統(tǒng)的匹配，這實(shí)質(zhì)也是利用史密斯圓法進(jìn)行阻抗匹配的理論。微帶線匹配法就是計(jì)算串聯(lián)的微帶傳輸線和并聯(lián)的微帶傳輸線的長(zhǎng)度。
5．2 匹配的過(guò)程
    天線輸入阻抗為8．55-j42．05，這樣天線可以等效為一個(gè)電阻和電容的串連，設(shè)電阻為R1，電容為C1。
   
    由式(6)計(jì)算得到R1=8．55 Ω，C1=1．57 pF。
    在ADS中新建一個(gè)Schematic文件，在這個(gè)原理圖中畫出天線所的等效電容和電感，并且添加一個(gè)MLIN元件一個(gè)MLEF元件。其中MLIN元件代表串聯(lián)傳輸線，MLEF元件代表并聯(lián)傳輸線，設(shè)定這兩個(gè)元件的寬度為1．23 mm，長(zhǎng)度初值為10 mm，并設(shè)定優(yōu)化范圍為1～20 mm。再添加一個(gè)三端口連接器MTEE_ADS，3個(gè)端口的寬度都設(shè)定為1．23 mm。將電容、電感、MLEF元件、MLIN元件以及MTEE_ADS聯(lián)接起來(lái)，如圖4所示。

    如圖4設(shè)置MSub元件介質(zhì)層和金屬層的各項(xiàng)參數(shù)，和S-Parameters元件中頻率范圍和掃描間隔。并在GOAL元件中設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)，即將反射系數(shù)S11優(yōu)化到-70dB。最后設(shè)置OPTM元件中的優(yōu)化方式，常用的優(yōu)化方法有Random(隨機(jī))、Gradient(梯度)等。隨機(jī)法通常用于大范圍搜索時(shí)使用，梯度法則用于局部收斂。文中選擇Random，優(yōu)化次數(shù)為300，其他的參數(shù)一般設(shè)為缺省。
5．3 匹配結(jié)果
    點(diǎn)擊仿真按鈕，信息欄中Currentef為0時(shí)，優(yōu)化完成。此時(shí)更新優(yōu)化結(jié)果，可以看到MLIN元件和MLEF元件的長(zhǎng)度值已經(jīng)被優(yōu)化成最佳值，如圖5所示。MLIN元件的長(zhǎng)度被優(yōu)化成7．47 mm，MLEF元件的長(zhǎng)度被優(yōu)化成9．60 mm。即先串聯(lián)一段長(zhǎng)度為7．47mm的50Ω微帶線，然后再并聯(lián)一段長(zhǎng)度為9．60mm的50 Ω微帶線。按照這個(gè)結(jié)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。

    用上述方法對(duì)修改后的天線再次進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖7所示。在圖7中的反射系數(shù)圓圖中可以看到，歸一化阻抗等于1．092-j0．004，接近于1，反射系數(shù)接近于0，即天線的輸入阻抗基本接近50Ω。說(shuō)明阻抗匹配效果良好，反射系數(shù)圖中的中心諧振頻率為2．401 GHz，滿足設(shè)計(jì)頻率。

    天線3D模型如圖8所示，立體方向圖如圖9所示。天線的總輻射圖如圖10所示，可以看到天線的增益4．399 dB，方向性系數(shù)5．635 dB，效率75．319％，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)束語(yǔ)
    介紹了微帶天線的輻射原理，依據(jù)經(jīng)典設(shè)計(jì)矩形微帶天線的公式，按照設(shè)計(jì)要求計(jì)算出天線的理論物理尺寸。利用ADS軟件中建立天線模型，然后對(duì)天線輻射特性進(jìn)行仿真，通過(guò)不斷調(diào)整天線模型的各個(gè)物理尺寸參數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化匹配，使設(shè)計(jì)出的2．4 GHz微帶天線的各項(xiàng)性能參數(shù)都達(dá)到設(shè)計(jì)要求。