基于CC2430芯片的2．4GHz微帶天線設(shè)計(jì)

摘要 針對無線模塊中直立式天線體積大、功耗高問題，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其仿真，通過優(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，無線傳感網(wǎng)絡(luò)越來越多地被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、安全監(jiān)測等領(lǐng)域。對于一個(gè)無線系統(tǒng)來說，能正確地發(fā)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(fā)送和接收電磁波，對無線系統(tǒng)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(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，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 參數(shù)要求
文中對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單，易于匹配的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)帶寬比較窄，而且建模相對難些。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)。一般來說，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 長度計(jì)算
矩形微帶天線的單元長度L在理論上應(yīng)選取其波長的一半即，但考慮到邊緣場的影響，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；εe是有效介電常數(shù)；△l是實(shí)際受邊緣場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。