基于HFSS的UHF频段印刷天线的设计.pdf

2 0 1 1 年第 4期 总第 1 4 0期 大 众 科 技 DAZHoNG KE J No 4 2 0 1 1 Cu mu l a t iv e l y N o 1 4 0 基于 H F S S的 U H F频段 印刷天线的设计 慨镟电 电子科技大学电子工程学院 四川 成都 6 1 1 7 3 1 摘要 文章基于 HF S S软件设计的曲折型天线 并同鞭状天线进行尺寸比较 最后 仿真设计的曲折型天线 得到了 适合应用在特高频 UHF 频段无线通信系统的小尺寸天线 并且该天线也具有近似全向性能 关键词 曲折型天线 UHF频段 微带天线 HF S S 中图分类号 TN8 2 0 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 1 1 5 1 2 0 1 1 0 4 0 0 2 3 0 2 一 引言 随着无线通信技术 的发展 基 于此技术 的各种 应用得到 迅速发展 在无线局 域网 W L A N 射频标签 R F I D 无线 传感器 网络 W S N 等应用 中 天线 作为无线 电设备中发射和接 收无线 电波 的装置 将 在很大程度 上影响整个系统 的性能 这 些应用也对天线 的小型化 全 向性 多极化提 出来较 高的 要 求 微带天线 以其体积 小 重量轻 便于集成等优 点 在 无 线通 信应用 中得到 了的大量 的应用 与改进 本文就应 用于 特 高频 U H F 频段 的印刷天线进行 了小型化的设计 改进 在 H F S S中设计并仿真 了一个工作在 2 4 G H z频 点的印刷 曲折型 天线 二 天线原理与结构 印刷单极天线 一般 由覆在介 质层 同侧或 两侧的单极贴片 和导体地板构成 通过微带线或共面波导进行馈 电 先 比较 一下 曲折 型天 线相 对于 鞭状 天 线在 尺 寸上 的优 势 早期采用的单极鞭状天线 如 图 l a 所示 集成面积 过大 不利于 小型化 与低成本 生产 而采用 曲折 型结构 如 图 1 b 所示 就有效地缩减了单极鞭状天线的尺寸 图 l a 鞭状 天线 b 曲折 型天线 单极鞭状天线 一般 采用半波对称 天线的单臂 构成 即天 线臂长 L 九 4 由于 天线 印制 到 电路板上 印制天 线位于 空气与介质板 之间 且介质板背面无金属 因为受板材 影响 天线的谐振长度 L 应由经验公式得出波长的修正值来计算 九 1 式中 为真空中波长 e 为有效介电常数 有 效介 电常数 e 由相对介 电常数与微带线线 宽 w 以及 板 厚度 h确 定 1 一1 1 2 W 当采用 厚度 为 1 6 m m 相对 介电常数为 4 4的 F R 一 4材质 的 介质 板 时 根据 公式 计 算数 据在 H F S S 中优 化后得 到 的 2 4 G H z的谐振天线 臂长 约为 2 7 5 m m 天线尺寸较大 使得应 用上 限制 了节点器件 的尺 寸大小 而采 用 曲折型结构 改进 使天线 的谐振长度缩短到 了 1 3 5 m m 这样 的尺 寸与它的结构 使得在无线模块集成天线 时 电路 的设计可以更 为紧凑 尺寸的缩减要 以牺牲有效带 宽为代价 此处有效带 宽定 义 为 一 l O d B的频 带宽度 在仿真结果 中可 以看到有效带宽 随着 尺寸的缩减而下降 天 线的每一节 曲折部分 的长度 远小于频 点对应 的波长 因此可 以考虑用 终端短路传输 线模型等效成 电感来 考虑其结 构对 天线的影 响 因此 曲折 型天线可等效为加载 电感的鞭 状天线 曲折型 部分正好平衡 了单极天线 的负虚 阻抗部分 天线 的辐 射特性类似 于鞭状天线 但天线 的电流分布将 发生 改变 不会再是一个 正弦函数 在 此 由于其与鞭状天 线的 类似性 不再讨论天 线的辐射功率 辐 射阻抗 以及 电磁场 的分布 下面 以传输 线理论简 要分析 曲折型 天线 根据传输线理 论 每一段曲折线部分的输入阻抗为 Zi j Z o t a n k L L 3 式中 k 为自 由空间中的波数 C re 为 有效介电 常数 为每段 曲折线长度 即以馈线为 中轴垂直线 曲折 线部分的一半水平长度 此处 曲折线部分 的特性 阻抗 为 Z 0 15 兀 式 中 旺为每段 曲折 线 间距 B为 曲折线线 宽 波 阻抗 11 由上述 计算式可见 曲折 线的 间距 线宽 每段长度 以 收稿 日期 2 0 1 1 0 卜 1 2 作者简介 何俊 1 9 8 7 一 男 四川成都人 电子科技大学电子工程学院硕士研究生 研究方向为射频电路 一 23 EDA HFSS HFSS HFSS HFSS EDA HFSS HFSS HFSS HFSS HFSS HFSS HFSS