无线传感器网络中天线设计与研究

胡金良

（天津铁道职业技术学院铁道电信学院 天津市 300240）

无线传感器网络[1]在国际上被认为是继互联网之后的第二大网络，对人们的工作、学习、生活等方面产生深远影响。无线传感器网络是一种通过无线通信技术把大量的传感器节点自由式进行组织与结合形成的无线网络，以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖范围内被感知对象的信息。天线是无线通信系统中不可或缺的重要组成单元，作为一种变换器，在进行无线电波发射时，天线将高频电流或导行电磁波转化为空中传输的无线电波；当进行无线电波接收时，天线将空中传输的无线电波转化为高频电流或导行电磁波。由此可见，天线作为无线电波进行收发传导的唯一通道，天线的结构、参数等对实现收发功能具有至关重要的意义。

本文设计的倒F 天线适应于IEEE802.15.4 标准。IEEE802.15是针对个人域网络（Personal Area Network，PAN，中文简称“个域网”）的系列规范，其中IEEE802.15.4 是针对低数据速率个域网的标准。

1 倒F天线的基本原理

倒F 天线的发展过程可以看作是从1/4 波长单极子天线转变为倒L 天线，再从倒L 天线转变为倒F 天线，如图1所示。图1（a）结构就是倒L 天线，由单极子天线进行垂直弯折而成，而由于地面的镜像作用，导致天线辐射强度减小，辐射电阻减小，该转换减小了天线高度，但同时增加了天线的容性，阻抗太低。为了增加辐射电阻，在垂直单元的末端附加一段倒L 型贴片，以弥补折叠部分与地面之间产生的容性分量，使其在改变天线的输入阻抗的同时，不改变天线的谐振频率。由于该天线外形与字母F 相似，故称此天线为倒F 天线，如图1（c）所示。

倒F 天线通常借助PCB 板制作成印刷天线[2]，图1（c）为倒F 天线的基本结构图，它可以看成是由长度为L 的终端开路传输线与长度为S 的终端短路传输线并联组成的谐振器。开路传输线到馈电点可以看作电阻与电容的并联，谐振时近似开路；短路传输线到馈电点可以看作电阻与电容的串联，谐振时近似短路。当倒F 天线发生谐振时，电流主要流过天线的终端开路传输线和终端短路传输线，而馈电点处的电流基本为0。

倒F 天线有三个主要的结构参数，分别是天线的谐振长度L，天线的高度H 及两条垂直臂之间的距离S，这三个结构参数决定着天线的输入阻抗、谐振频率和天线带宽等性能。

2 倒F天线设计

对倒F 天线进行设计时，重点考虑天线的结构参数对性能的影响。综合对比天线的谐振长度L、天线的高度H 和竖直臂间距S 对天线的谐振频率和输入阻抗的性能影响，发现谐振长度L 影响最大。适当增加L 时，发现天线的谐振频率和输入阻抗都会减小，同时天线表现为感性；适当减小L 时，天线的谐振频率和输入阻抗都会增大，同时天线表现为容性。通常，L 和H 的长度之和约为1/4 工作波长，由于倒F 天线要蚀刻在PCB 介质层上，所以除了考虑自由空间工作波长以外，还要增加对介质层导波波长的考虑，实际应用中，L 和H 的长度通常可以由以下经验公式得出：

其中，εr是介质板材的介电常数，λ0是自由空间波长。

图1：倒F 天线的衍变过程

图2：天线3D 模型

图3：S11 扫频分析结果

图4：输入阻抗结果报告

由于天线印制在PCB 板上，印制电路板的某些参数会影响天线的辐射特性。一般常用的PCB 其介质层材料是玻璃纤维环氧树脂（FR4），对应的介电常数为εr=4.3，损耗正切tanδ=0.02，介质层的厚度为1.6mm，长度和宽度分别为40mm 和45mm。由于印制天线存在于空气和介质板中间，同时介质板的背面没有金属材料，所以受板材材质的影响，天线的波长λ 不能用真空中波长λ0和按微带线中的任一计算，通常天线的波长λ 可以由以下经验公式进行计算：

图5：W 对天线性能的影响

图6：Smith 圆图

图7：PCB 板厚度对天线谐振频率的影响

图8：天线三维增益方向图

除了天线的波长λ 以外，天线的3 个参数L、H 和S 也会因板材材质的不同发生变化。在2.45GHz 时，λ0≈122.4mm，代入公式（2）得到λ ≈75.19mm。根据板子尺寸限制，初步设定L=14.8mm，H=4mm，S=5.1mm，天线宽度W=0.49mm，利用HFSS 仿真软件验证各参数尺寸对天线的谐振频率及输入阻抗影响如表1所示：

通过分析得出，适当调整倒F 天线的L、H 和S 参数，可将天线谐振在任何频率上，同时使天线的输入阻抗近似等于50Ω。换句话说，本次设计的倒F 天线可以不需要额外增加任何外围电路就可以很容易地实现与微波传输线的阻抗相匹配，增加了天线设计的自由性。

表1：结构参数对天线性能的影响

3 倒F天线仿真

首先，对天线进行3D 建模，建模效果如图2所示。建模完成后需要进行集总端口激励和理想边界条件创建，并完成分析参数设置。由于本次设计的印制倒F 天线工作在2.4GHz ISM 频段，其中心工作频率为2.45GHz，所以将本次设计的频率设置为2.45GHz，同时添加频率范围为1.8GHz ～3.2GHz 的扫描设置。最后，用HFSS 进行数值分析计算。

HFSS 仿真结束后，经过频率扫描分析和输入阻抗分析，得到S11曲线和输入阻抗结果如图3、图4所示。从仿真结果报告中可以看出，天线谐振频率为2.45GHz，10dB带宽约为400MHz。在2.45GHz时，S11=-28.33dB，天线的输入阻抗为（50.77+j3.2）Ω，天线的输入阻抗和50Ω 匹配良好[3]。

除此之外，在天线设计时，还要考虑结构参数W 对天线性能的影响，仿真结果如图5所示，观察可知，当W=0.49mm 时，可以取得较好的匹配效果，此时的Smith 圆图如图6所示，在2.45GHz时，天线的归一化输入阻抗为1.0153+0.0638i，近似为1，说明端口阻抗匹配良好。

最后，在天线整个设计过程中，还需要考虑PCB 板的厚度对天线谐振频率影响，因为PCB 板厚度将直接关系到发射机输出端到天线馈电点50Ω 微带线的走线宽度，走线宽度不宜过宽，通常为1mm ～2mm。PCB 板厚度对天线谐振频率的影响仿真报告如图7所示。从仿真结果中能发现，在保证其他参数不变的情况下，当PCB 板的厚度增加时，天线谐振频率在慢慢地减小，其原因是由于材料介质层厚度的增加，对介质中的波长产生影响，从而影响天线的谐振频率。

天线3D 增益方向图如图8所示，从仿真图可见，倒F 天线的方向图近似为全向，最大增益达到2.9dB。

4 结束语

本文设计了一款用于无线传感器网络中的倒F 天线，该天线具有低功耗、低速率传输、低成本、小型化、带宽高等优点。倒F 天线性能稳定，在工作频段内dB（S11）均小于-10dB。从仿真结果可知，设计的倒F 天线性能良好且具有工程实用价值。