基于Zigbee的一种矩形微带天线的设计

基于Zigbee的一种矩形微带天线的设计
杨永侠，杨琳
（西安工业大学电子信息工程学院，陕西西安710032）
【摘要】针对传统的无线模块中直立式天线体积大，功耗高等不足，本文提出了用微带天线替代传统的直立式天线的方法。

文中根据项目需求确定微带天线的材料、形状、类型，估算出天线的尺寸，在ADS设计软件环境下，介绍了基于Zigbee的中心频率为2.4GHz微带天线的整个设计流程，利用ADS仿真软件建立天线模型并对其仿真，最后通过优化匹配和调整天线模型使天线的特性达到最佳、参数符合项目要求。

【关键词】微带天线，ADS软件，反射系数，优化匹配
Design of A kind of Rectangular Microstrip Antenna Based on Zigbee
YangYongXia，YangLin
（School of Electronics and Information Engineering，
Xi'an Technological University，Xi'an 710032 China）
【Abstract】In this paper we presented a solution to improve the shortcoming which the upright antenna is too big, and the power consumption is too high. The solution is that use the microstrip antenna in place of the traditional upright antenna. In this paper we determined the materials, the shape and the type of the microstrip antenna according to the requirements of the project, and we estimated the size of the antenna. Then we introduced the process of the design of microstrip antenna at frequency of 2.4 GHz based on Zigbee under the environment of ADS(Agilent). And then we built the antenna model and simulated it in ADS. At last we made the antenna parameters optimum and the antenna characteristics comply with the requirements of the project through adjusting the antenna model and optimizing and matching.
【Key words】microstrip antenna, ADS, reflection coefficient, Optimal matching
0引言
随着科学技术的发展，无线传感网络越来越多地被应用于工业生产、安全监测等领域。

对于一个无线系统来说，能正确地发送和接收信息是最基本的要求。

天线作为无线通信中不可缺少的部分就是用来发送和接收电磁波，对无线系统起着非常重要的作用。

而常用的无线传输模块中的直立式天线体积太大。

为了这一问题，本文选择使用微带天线，不仅可以减小无线传输设备的体积，也可降低设备功耗、降低成本。

本文以Zigbee网络中的WSN节点为对象，完成基于CC2430芯片的2.4GHZ 微带天线的设计，从而为构成小体积、低功耗的WSN 测控系统节点基本硬件奠定基础。

本文详细论述微带天线设计的原理、设计的过程以及阻抗匹配方案。

1天线类型的选择
1.1微带天线的辐射原理
微带天线即在有金属接地板的介质基片上沉积或贴附所需形状导体贴片构成的微波天
线，如图1。

通常，通过微带传输线或者同轴探针来馈电，使导体贴片与接地板之间激励器高频电磁场，并通过贴片四周与接地板之间的缝隙向外辐射电磁波[1-2]。

图1 微带天线
Fig.1 Microstrip antenna
1.2参数要求
本文中对天线的要求是工作在2.4GHz ，增益达到3dB ，方向性系数达到5.03dB ，阻抗能达到匹配（50Ω），天线尺寸在5×7（mm ×mm ）以内。

1.3天线形状的选择
贴片形状是多种多样，其中圆形微带天线的波瓣宽度较矩形的窄，但是方向性系数几乎相同[3]。

矩形微带天线所要求辐射元面积较圆形微带天线要大，但经过计算，矩形贴片所需的尺寸在可以满足要求的范围内，而且矩形微带天线的效率、宽度都优于圆形微带天线[4]，故选择矩形微带天线。

1.4天线馈电方式的选择
微带天线有许多种馈电装置形式，但主要分为两类，一是微带传输线馈电，二是同轴线探针馈电。

其中微带传输线馈电的馈线也是一导体带，一般具有较窄的宽度。

微带传输线馈电制造简单，易于匹配，也易于建模。

同轴线探针馈电是将同轴线内导体接到辐射贴片上，外导体接到接地面。

同轴线馈电也具有制造简单，易于匹配的优点，同时带宽比较窄，而且建模相对难些[5]。

因此我们选择传输线馈电。

经过上面的考虑我选择了设计一个侧馈的矩形微带天线。

2天线材料的选择
微带天线设计的第一步就是要选定介质基板的材料并确定其厚度。

这是因为基板材料的介电常数εr 和其厚度h 直接影响着微带天线的一系列性能指标。

一般来说，h 的取值决定着天线的体积和重量[6]。

如果安装面积有限制的，应选择εr 较大的基板。

陶瓷基片是比较常用的介电常数较高的介质基片，其常用的厚度是h ＝1.27mm ，0.635mm ，0.254mm 。

其中1.27mm 的基片有较高的天线效率，较宽的带宽以及较高的增益。

因此我们选择1.27mm 的陶瓷基片，其介电常数εr 为9.8。

3天线尺寸的计算
在确定介质板材料及其厚度以后，应先确定矩形贴片的尺寸，即单元长度L 和单元宽度W 。

3.1宽度计算
W 的大小影响着微带天线的方向性函数、辐射电阻及输入阻抗，从而也影响着频带宽度和辐射效率。

另外，W 的大小直接的支配着微带天线的总尺寸。

在安装条件允许的情况下W 取的适当得大一点对频带、效率、及阻抗匹配都是有利，但当W 的尺寸大于(1)式给出的值时，将产生高次模，从而引起场的畸变[5]。

2/1212-⎪⎭⎫ ⎝⎛+=r r f c W ε (1)
其中c 为光速，r ε为介质薄板的介电常数，r f 是谐振频率。

3.2长度计算
矩形微带天线的单元长度L 在理论上应选取其波长的一半即2g
λ，但考虑到边缘场的影响，应该从2g
λ减去l ∆2，于是L 的值由(2)式计算。

l L g
∆-=22λ (2)
其中g λ为介质内波长，e ε是有效介电常数，l ∆是实际受边缘场的影响而算出的一个修正公式[5]，分别由(3)式、(4)式、(5)式计算 e r g f C
ελ= (3)
⎪⎭⎫ ⎝
⎛
+-++=W h r r e 1212121εεε (4) ()()()()
8.0/258.0264.0/3.0412.0+-++=∆h W h W h l e e εε (5) 馈线的宽度d 可以由Transmission Line Calculator 软件计算得出。

在本设计中，r ε=9.8，r f =2.4GHz ，h=1.27mm ，把这些参数代入以上设计公式计算得到初步的矩形微带贴片天线的参数：W=26.89mm ，L=19.71，d=1.23mm 。

4天线的设计
在Agilent 公司的电路和系统分析软件ADS 上建模，得到图2所示的天线初步布局。

图2 天线初步布局
Fig.2 The preliminary layout of antenna
对上面设计好的天线仿真，设置扫描类型为线型，频率范围为1.4GHz 到2.4GHz ，扫描间隔为0.1GHz 。

仿真结果如图3。

从图中可以看出，理论上的计算结果与实际的符合还是相当不错的，中心频率大约在
2.4GHz 左右。

只有天线的输入阻抗等于馈线的特性阻抗时，馈线终端才没有功率反射，馈线上没有驻波，天线才能够获得最大功率[7-8]。

从输入阻抗图得到，在2.4 GHz 时天线输入阻抗实部为8.55，虚部为-42.05，他与50Ω馈电系统不相匹配，反射系数S11还比较大，所以还需要进一步匹配。

另外，矩形贴片的圆极化用激励两个相位差90°的正交模来实现[5]。

图3 天线的初步仿真
Fig3. The preliminary simulation of antenna
5阻抗匹配
为了进一步减小反射系数，达到较理想的匹配，并且使中心频率更加精确，要对天线进行阻抗匹配。

5.1匹配原理
在2.4GHz 微带天线馈线后端串联一根50Ω的微带传输线，使得S11在等反射系数圆上旋转，到达g=1的等g 圆(导纳圆)上，然后再并联一根50欧姆传输线，将S11参数转移到接近处，这时就把输入阻抗8.55-j42.05匹配到50+j0，达到了与50欧姆馈电系统的匹配，这实质也是利用史密斯圆法进行阻抗匹配的理论[9]。

微带线匹配法就是计算串联的微带传输线和并联的微带传输线的长度。

5.2匹配的过程
天线输入阻抗为8.55-j42.05，这样天线可以等效为一个电阻和电容的串连，设电阻为1R ，电容为1C 。

42.05-8.5521R 11j C f j r =+
π (6) 由式(6)计算得到：1R =8.55Ω，1C =1.57pF ，
在ADS 软件中建立用于计算优化参数原理图，各个元件的连接方式如图4，参数设置如下：MLIN 元件的MLEF 元件的长度初值设为10mm ，宽度都设置为为1.23mm ，优化范围为设置为1mm~20mm ；MTEE_ADS 为三端口连接器，其三边宽度都设置为1.23mm ；扫描频率范围为1.4GHz~3.4GHz ，扫描精度是0.1 GHz ，优化目标是将S11参数减小-70dB 以下。

图4 匹配电路
Fig.4 Matching circuit
5.3匹配结果
用随机优化的方法进行优化，优化结果如图5所示，MLIN 元件的长度被优化成7.47mm 和MLEF 元件的长度被优化成9.60mm 。

也就是先串联一段长度为7.47mm 的50Ω的微带线，然后再并联一段长度为9.60gmm 的50Ω的微带线。

按照这个结果将这些微带线添加到布局图中，可以得到的新的如图6所示的天线布局。

图5 优化匹配结果
Fig.5 The result of optimization and matching
图6 天线重新布局
Fig.6 The new layout of antenna
重新对优化后的天线进行仿真，仿真结果如图7。

在图7中的反射系数圆图中可以看到，归一化阻抗等于1.092-j0.004，非常接近于1，反射系数已经接近于0，那么，天线的输入阻抗基本接近于50Ω。

说明阻抗匹配效果良好，反射系数图中的中心谐振频率为2.401GHz ，也基本满足2.4GHz 的设计频率。

图7 天线重新仿真
Fig7. The new simulation of antenna
在天线3D 模型（图8）、立体方向图（图9）以及天线的总辐射图（图10）中，可以看到天线的增益达到4.399dB ，方向性系数达到5.635 dB ，效率达到75.319%，的已经达到设计的要求。

图8 天线3D 模型
Fig.8 The 3D model of antenna
图9 天线立体方向图
Fig.9 The stereoscopic pattern of antenna
图10 天线增益、方向性系数和天线效率
Fig.10 The gain, directivity and efficiency of antenna
6 结论
本文首先简单介绍了微带天线的辐射原理，依据经典设计矩形微带天线的设计公式，按照设计要求计算出天线的理论物理尺寸。

利用ADS软件中建立天线模型，然后对天线辐射特性进行仿真，通过不断调整天线模型的各个物理尺寸参数，并对其进行优化匹配，使设计出的2.4GHz的微带天线的各项性能参数都达到设计要求，为实现小体积、低功耗的WSN模块奠定了基础，有广泛的应用前景。

参考文献：
[1]殷际杰.微波技术与天线[M].北京：电子工业出版社，2004.
YIN Ji-jie. Microwave Technology and Antenna [M].Beijing: The Press of electronics industry, 2004.
[2]宋铮，张建华，黄治.天线与电波传播[M].西安：西安电子科技大学出版社，2002.
SONG Zheng, ZHANG Jian-hua, HUANG Zhi. The Antenna and the radio wave propagation [M].Xi’an: The Press of Xidian University, 2002.
[3]宋旭亮，朱义胜.矩形微带天线设计与阻抗匹配网络[D].大连：大连海事大学，2008.
SONG Xu-liang, ZHU Yi-sheng. The Design of Microstrip Antenna and Impedance Matching Networks [D].Dalian: Dalian Maritime University, 2008.
[4]Y T Lo, D Solomon and W F Richards. Theory and experiment on microstrip antennas
[J].IEEE Trans-actions on Antennas and Propagation, 1979, 27(2):137~145.
[5]I.J.鲍尔，P.布哈蒂亚著.微带天线[M]. 梁联悼，寇廷耀译.北京：电子工业出版社，1985.
I J Bahl, P Bhartia. Microstrip Antennas [M].LIANG Lian-zhuo, KOU Ting-yao Translated,
Beijing: The Press of electronics industry, 1985.
[6]I J Bahl and P Bhartia. Microstrip Antennas [M].Artech House, 1980.
[7]王新稳，李萍.微波技术与天线[M].北京：电子工业出版社，2004.
WANG Xin-wen, Li Ping. Microwave Technology and Antenna [M].Beijing: The Press of
electronics industry, 2004.
[8]黄秋原，董诗波.射频电路中匹配网络的设计和分析[J].武汉理工大学学报：交通科学与工
程版，2007，31( 6)：1 061- 1 063.
HUANG Qiu-yuan, DONG Shibo. Design and Analysis of Impedance Matching Network of Radio Frequency Circuit [J].Journal of Wuhan University of Technology,
2007,31( 6):1061-1063.
[9]陈艳华，李朝辉，夏玮.ADS应用——详解射频电路设计与仿真[M].北京：人民邮电出版
社，2008.
CHEN Yan-hua, LI Chao-hui, XIA Wei. Application of ADS.–the design and simulation of RF circuit [M].Beijing: The People's Posts and Telecommunications Press, 2008.
作者简介
杨永侠（1962-），女，西安工业大学教授，主要研究方向无线通信与电磁兼容
杨琳（1985-），女，西安工业大学09级研究生，主要研究方向无线通信与电磁兼容作者联系方式
姓名：杨琳
电话
邮箱：
QQ:
通信地址：西安市金花北路4号西安工业大学金花校区行政楼328室。