集成到ZigBee模块的倒F天线研究

程筱军

（杭州电子科技大学电子信息学院，浙江杭州 310018）

集成到ZigBee模块的倒F天线研究

程筱军

（杭州电子科技大学电子信息学院，浙江杭州 310018）

随着无线传感网技术发展，基于ZigBee协议的无线抄表系统得到快速发展。而天线是智能电表终端ZigBee通信模块中影响传输距离重要因素之一。为了满足电表空间小的环境需求，设计了与ZigBee模块一体化的IFA(inverted-F antenna)，采用了HFSS软件进行了电磁仿真，用印制板技术与4层结构的ZigBee模块集成在PCB上，并与射频端口实现良好的匹配，提高天线的发射效率。测试结果表明:设计的IFA天线在2.405 GHz到2.483 5 GHz之间S11均小于－10 dB，在2.45 GHz中心频率下，最大增益达2 dB以上，天线具有全向性。

智能电表;ZigBee模块;IFA天线;无线传感网络

0 引言

伴随着MEMS技术和无线通讯技术、传感器技术的飞速发展，无线传感器网络在工业控制、军事生产、生活、医疗、教育科研中有了更广泛的应用，ZigBee无线通讯技术具有低功耗、抗干扰能力强、网络健壮性好、传输距离较近、短时延、高容量、高安全、免执照频段等优越的特点［1-2］，近几年发展迅速。然而无线传感网络不仅要求天线具有成本低廉、尺寸小巧及易于匹配等特点，更要求天线适于各类家电间通信的室内应用环境，文献［3-13］表明IFA天线适用于室内通信环境，且IFA天线具有体积小易于匹配等优点。本文针对Zigbee无线通信模块设计了板载IFA天线，对天线的工作原理及输入阻抗、方向性等各项性能进行研究和分析，通过方案完成了天线的设计。测试表明，天线有良好的性能，并与仿真结果较为一致。

1 印制IFA天线设计

1.1 IFA天线电路特性

由于微带天线具有体积小，重量轻，低剖面，能和有源器件、电路集成为统一的组件，能够满足Zigbee窄频带应用，而IFA天线由于结构简单，易于制作，在实际中得到了广泛的应用，故本次微带天线设计采用了IFA天线，并通过HFSS软件仿真结合理论分析了各个参数对天线性能的影响，在PCB设计时我们通过0 Ω电阻可以选择IFA天线或外置其它天线。图1为IFA天线的基本结构:

图1 IFA天线基本结构

由传输线理论可知终端短路和终端开路传输线的输入电抗分别为［4］:

式中S为间距，L为天线水平部分长度，H为天线高度，k=2π/λ为波数，设印制IFA天线的输入阻抗为ZIFA=RIFA+jXIFA，其中输入电抗XIFA可以表示为X1与X2的并联，即:

当忽略损耗时，天线的输入电阻即等于其辐射电阻，由文献［4］给出的IFA天线的辐射电阻可得印制IFA天线的输入电阻为:RIFA=30(kH)2

当天线水平部分的长度L=λ/4时，由式(3)可知，天线的输入电抗为0，天线处于谐振状态，即:

代人(4)可得此时天线的输入电阻为:

此时天线的输入电阻为纯电阻，与间距S无关，只与天线高度H有关，并随天线高度H的增加而增加。

间距S的取值通常小于L，故sinkS＞0，coskS＞0，可得RIFA＜R0，XIFA＞0，

即当天线水平部分的长度L增加时，天线的输入电阻R0将减小，而天线的输入电抗XIFA则大于0，使天线呈现电感性。

即当天线水平部分的长度L减小时，天线的输入电阻R0将增大，而天线的输入电抗XIFA则小于0，使天线呈现电容性。

总之，作为天线的谐振部分，天线水平部分长度L对天线输入阻抗的影响最为直接，当其增加时，天线的输入电阻减小，天线呈感性，反之亦然。通过调整L，可使天线的输入阻抗呈纯阻性，然后再调节天线高度H以使天线的输入电阻接近50 Ω，即不需任何额外的电路就可完成阻抗匹配。

1.2 IFA天线设计

由于印制天线位于空气与介电板之间，且介电板背面无金属，因此受板材影响，天线的波长λ既不能用真空中波长λ0计算，也不能按微带线计算，而应由经验公式得出波长的修正值［14-15］:

与此相对应，天线的3个参数L，S，H都会由于受到电路板材介质的影响而相应缩短。在2.45 G时，λ0≈12.2 cm，代入公式6得到 λ≈7.625 cm，故仿真初始值L设置为19 mm，由于板子宽度尺寸已固定为25 mm×35 mm，因此L部分采用弯折技术，进一步缩小天线尺寸，最终设计的天线模型如图2所示:

图2 天线模型俯视图

表1 尺寸参数对天线输入阻抗及谐振频率的影响

由前面计算得到PCB天线λ/4长度为19mm，根据板子尺寸限制，初步设定 S1=4.5mm，H1=1.8mm，由HFSS仿真得到各尺寸参数对输入阻抗及谐振频率点的影响如表1所示:

通过参数调整，在 S1=4.5mm，H1=1.8mm，H=6.5mm，S=5mm，W=0.5mm时，仿真结果较理想。

2 测试结果及分析

图2的结构及仿真得到的理想尺寸制作并调试天线，最终得到的天线实物图如图3所示，集成有IFA天线的Zigbee模块放置在微波暗室中。测试采用安捷伦公司的E8358A矢网测试了IFA天线的S11，测试结果如图4所示，微波测试暗室里测试了天线在中心频率2.45 GHz的方向图及在2.405 GHz-2.483 5 GHz的天线增益等，图 5(a)，5(b)，5(c)，5(d)分别对应增益-频率变化趋势，天线三维图测试及天线的E面、H面测试结果。

图3 IFA天线测试环境按装照

图4 IFA天线S11测试结果

图5

测试结果表明在2.26 GHz-2.51 GHz下dB(S11)均小于 －10 dB，带宽达到250 MHz，谐振点在2.43 GHz左右，天线在2.405 GHz-2.483 5 GHz频带下，最大增益基本都在2 dB以上，在2.45 GHz下增益达到2.5 dB，在2.45 GHz时:phi=0 时，3 dB 带宽达到77.65°左右，phi=90时，3 dB带宽基本涵盖整个面，由于实际的PCB线路较复杂，天线模型建立上只能是尽可能的接近模型本身且由于天线测试时没有摆放的很平整，故测试得到的天线性能不可能像仿真的那么理想化。

3 结语

设计了与ZigBee模块一体化集成的IFA天线，改善了天线与前端模块之间的匹配，使得天线性能更加稳定，在工作频段内dB(S11)均小于－10 dB。并成功应用于无线传感网系统。

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The Study for Inverted-F Antenna Integrated with ZigBee Module

CHENG Xiao-jun
(School of Electronic and information，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，China)

With the development of wireless sensor network technology，the wireless meter reading system gets rapid development based on ZigBee protocol.The antenna is one of the most important factors that affect the transmission distance on smart meter terminal ZigBee communication module.For meeting the environment needs of small space，IFA integrated with ZigBee module is designed in this paper，and HFSS software is adopted for electromagnetic simulation，The IFA designed with printed circuit board technology and integrated in the 4 layer structure of the ZigBee module.The IFA achieves good matching with the RF port and improve antenna transmitting efficiency.Measurement results show that the designed IFA has the input reflectivity coefficient S11of less than －10 dB at the frequency between 2.405 GHz to 2.483 5 GHz.The biggest gain is more than 2 dB at the frequency of 2.45 GHz .

smart meter;Zigbee module;IFA antenna

TN820

A

1006－7167(2014)05－0081－03

2014－03－04

程筱军(1956－)男，浙江杭州人，实验师，研究方向:机电一体化等相关方向。E-mail:cxj@hdu.edu.cn