一种433.92 MHz印刷天线的设计

杨辉 凃玲英 丰励 帅 亮 尹龙川 曾李 刘枢翰

摘  要： 鉴于汽车轮胎压力监测系统（TPMS）中发射天线在PCB板上走线的局限性，根据传统倒L型印刷天线的结构特点，微带线在介质基板上模仿蛇形天线的走线形式设计了一种433.92 MHz小型化蛇形印刷天线，利用弯折技术极大地减小了天线的结构尺寸，并使用加载匹配网络的方法改善了天线的阻抗特性。使用Ansoft HFSS 15.0仿真软件对天线加载的匹配网络中无源集总元件进行参数分析和优化，推导出天线加载的最佳无源集总元件的匹配值，并对天线的回波损耗、驻波比、天线阻抗和方向图进行了仿真测试。结果表明，优化后的天线在433.92 MHz谐振频点处的回波损耗为-21.64 dB，工作频段为432.84～435.00 MHz，并且具有良好的全向性，可应用在汽车轮胎压力监测系统之中。

关键词： 小型化天线; 蛇形印刷天线; 回波损耗; 天线阻抗匹配; 参数优化; 仿真结果分析

中图分类号： TN82?34                         文献标识码： A                            文章编号： 1004?373X（2020）13?0006?05

Design of a 433.92 MHz printed antenna

YANG Hui1， TU Lingying1， FENG Li1， SHUAI Liang1， YIN Longchuan1， ZENG Li1， LIU Shuhan2

（1. School of Electrical and Electronic Engineering， Hubei University of Technology， Wuhan 430068， China;

2. School of Economics and Management， Changsha University of Science and Technology， Changsha 410067， China）

Abstract： As the transmission antenna routing has a limitation on PCB in TPMS， a 433.92 MHz miniaturized serpentine printed antenna is designed in this paper by simulating the serpentine antenna on the dielectric substrate and according to the structural characteristics of traditional inverted L type printed antenna， which greatly reduces the structure size of the antenna by using the bending technology. The impedance characteristics of the antenna are improved by loading a matching network. Ansoft HFSS 15.0 simulation software is used to analyze and optimize the parameters of the passive lumped elements in the matching network loaded by the antenna. The optimal matching value of the passive lumped elements loaded by the antenna is derived. The return loss， standing wave ratio， antenna impedance and directional diagram of the antenna were simulated. The results proves that the optimized antenna has a return loss of -21.64 dB at the resonance frequency of 433.92 MHz， and its effective working frequency range is 432.84～435.00 MHz， and it has good omnidirectional performance. Therefore， the antenna can be used in automobile tire pressure monitoring system.

Keywords： miniaturized antenna; serpentine printed antenna; return loss; antenna impedance matching; parameter optimization; simulation result analysis

0  引  言

汽車轮胎压力监测系统（TPMS）能实时监测汽车在行驶过程中每个轮胎中是否出现漏气或低气压的状态，当轮胎出现异常状态时将对驾驶员进行报警提醒，不仅降低了对轮胎的损耗，还避免了交通事故的发生[1?2]。相应地，也避免了交通事故的发生。为了保证监测系统的数据能够实时监控与报警，离不开一个具有良好性能的天线，使得对特定工作频率天线的研究显得尤为重要。汽车轮胎压力监测系统的发射天线的工作频率为433.92 MHz，因为天线安装在轮胎内部的空间较小，汽车在行驶过程中环境不断变化，为了保证汽车在行驶时能够使数据准确可靠传输，所以对胎压天线的方向性和小型化的研究尤为关键。

在设计过程中天线实际有效尺寸和方向特性是小型化印刷天线的设计难点。本文以倒L型印刷天线为基础，设计了一种433.92 MHz小型化蛇形印刷天线。仿真结果表明，天线尺寸大小为30 mm×23.4 mm，回波损耗为-21.64 dB，最大增益为-6.3 dBi，且具有全向性。

1  天线结构与设计

本文所设计的天线是根据传统倒L型印刷天线经过变形而得到的一种新结构的天线。即把印制在PCB板上的倒L型天线采用弯折技术，将倒L型天线的水平部分折弯，变成蛇形即可，其主要目的是为了降低天线所占PCB板的面积。

由电磁学知识可知，当电磁波在介电常数为[εr]的介质中传播时，其介质波长[λ]为：

式中[c]表示光在真空中传播的速度。

对于PCB印刷天线，不仅要考虑介质板材的介电常数对天线的影响，还要考虑天线周边空气的影响。

根据文献[3]可知，印刷天线介质基板的有效介电常数为：

式中：[εe]为介质基板的有效介电常数;[εer]为微帶线的有效介电常数;[h]为介质基板的厚度;[w]为印刷天线的线宽。

根据文献[4?6]可知，在PCB蛇形印刷天线的设计过程中，其辐射贴片长度通常取为[14]介质波长[λ]。

则天线的理论计算长度[Lεr]为：

本文所设计的433.92 MHz蛇形PCB印刷天线结构如图1所示。采用玻璃纤维环氧树脂（FR?4）为介质基板，介质基板的介电常数[εr]=4.6，PCB板厚度[h]为1.6 mm。为了满足所设计天线的增益要求，通常天线宽度[w]与介质基板厚度[h]的比值需大于1，则取天线的宽度[w]为1.7 mm，通过对式（1）～式（3）天线的数值分析公式的计算，最终得到的天线理论计算长度为172 mm，天线结构参数值如表1所示。

2  天线模型建立与仿真结果分析

2.1  初始天线模型建立

采用Ansoft HFSS（High Frequency Structure Simulator，高频结构仿真器）15.0仿真软件，根据表1结构参数建立的433.92 MHz印刷天线模型如图2所示，采用集总端口馈电。模型结构分为三层：天线层、介质层和接地层。

2.2  初始天线仿真结果分析

回波损耗仿真结果如图3所示。可以得出：天线的中心频率为1.086 1 GHz，回波损耗为-4.909 2 dB。此时的中心频率与预期的中心频率433.92 MHz相差较大，并且没有满足回波损耗低于-10 dB。

天线阻抗仿真结果如图4所示。可以得出：当频率为433.92 MHz时，天线的阻抗值为（3.77-j266.11） Ω，偏离了天线标准阻抗50 Ω。

由图3、图4的仿真结果分析可以得出：该结构尺寸下的天线谐振频率和回波损耗都不能满足预期设计要求。

为了降低天线的谐振频率，由于天线安装空间的局限性，根据微波网络理论[7?8]，在不改变天线物理长度的前提条件下，本文采用在天线输入端加载匹配电路的方法，通过优化调节匹配网络中各无源集总元件的数值大小使得天线的输入阻抗达到设计标准的50 Ω，使工作频率和回波损耗达到设计要求。

2.3  加载匹配网络后的天线模型建立与仿真结果分析

2.3.1  微带线馈线的设计

通常印刷天线的输入阻抗设计目标都是50 Ω，以便于通过50 Ω微带馈线进行阻抗匹配。在通信系统中，信号在天线与电路系统之间是否能高质量传递的关键在于馈线上损耗的大小，馈线上损耗越小信号质量越高，反之亦然。所以天线阻抗匹配的优劣直接影响整个通信系统的质量。

在50 Ω微带馈线的设计中，借助APPCAD微带传输线计算工具进行辅助设计，设计过程如图5所示。

从图5的计算结果中可得：带馈线的厚度为[T=]0.2 mm，微带线宽度为2.777 mm。

2.3.2  匹配网络的设计

通常设计天线的匹配网络要考虑到设计的简单性、可实现性、可调整性，本次匹配网络采用L型匹配网络[9]。使用Advanced Design System（先进设计系统）2016.01中Smith Chart工具[10]对L型匹配电路进行设计与仿真验证。

ADS仿真原理图如图6所示，利用Smith Chart工具如图7所示，在Smith Chart Utility窗口中采用集总参数元件的手动匹配。负载首先沿着等电阻圆顺时针旋转串联一个电感[L]，然后又沿着等电导圆顺时针旋转并联一个电容[C]。

如图8所示，L型匹配电路中电感[L]值的大小为102.46 nH，电容[C]值的大小为25.63 pF。

天线在加载L型匹配网络后，通过使用ADS仿真得到的[S]参数结果如图9所示，其中心频率为433.92 MHz，回波损耗达到了-53.343 dB。

2.3.3  加载匹配网络后的天线模型建立

为了不影响天线本身的辐射性能，在HFSS软件中将ADS设计出的L型匹配网络的无源集总元件加载到50 Ω微带馈线上。加载集总元件后的天线模型如图10所示。首先在天线的输入端与50 Ω微带馈线之间串联一个匹配电感[L]，然后在50 Ω微带馈线与接地板之间并联一个匹配电容[C]。

2.3.4  加载匹配网络后的天线仿真结果分析

如图11，图12所示，天线在加载了无源集总元件匹配网络后，天线的工作频率为445.5 MHz，天线阻抗为（1.64-j2.93） Ω。与中心频率433.92 MHz相差较大，并且天线输出阻抗与标准50 Ω也存在较大差别。

接下来将对匹配网络中电感[L]和电容[C]的数值对天线[S]参数的影响进行分析和优化。

2.4  [L]，[C]值对[S]参数的影响

为了获得最优的天线匹配网络中电感和电容的数值，在之前HFSS建立的加载了无源集总元件的天线模型如图10所示，对其匹配网络中的电感电容参数进行仿真和优化。

2.4.1  电感[C]值对天线[S]参数的影响

保持天线结构参数以及匹配网络中电感[L=]102.46 nH不变，借助HFSS软件的参数扫描功能对天线的[S]参数进行仿真。设置电容[C]的扫描范围为23.63～27.63 pF，扫描间隔为1 pF。结果如图13所示，天线的中心频率随电容[C]值的增大而减小，回波损耗值也随电容[C]值的增大而减小。

2.4.2  电感[L]值对天線谐振频率的影响

保持天线结构参数以及匹配网络中电感[L]=25.63 nH不变，借助HFSS软件的参数扫描功能对天线的[S]参数进行仿真。设置电感[L]的扫描范围为108.46～112.46 nH，扫描间隔为1 nH。结果如图14所示，天线的中心频率随电容[C]值的增大而减小，而回波损耗值变化较小，可忽略不计。

由图14可得：随着电容[C]值的增大，天线的工作频率和其回波损耗都在逐渐降低，而随着电感[L]值的增大，天线的工作频率在逐渐降低但其回波损耗保持不变。最终经过优化得到电感[L]=110.09 nH，电容[C]=25.63 pF。

2.5  优化后仿真结果

使用HFSS软件仿真已经优化了的天线模型，在仿真过程中选取天线扫频范围为400～500 MHz，并分析仿真结果。

2.5.1  [S]参数结果分析

从图15的[S]参数仿真结果得出：天线的中心频率为433.92 MHz，工作频段为432.84～435.00 MHz，回波损耗为-21.64 dB。

2.5.2  驻波比结果分析

如图16所示天线在433.92 MHz时的驻波比为1.180 6，满足天线的设计要求。

2.5.3  阻抗结果分析

如图17所示天线在433.92 MHz时的阻抗值为（42.75-j2.56） Ω，与标准阻抗50 Ω匹配结果较好。

2.5.4  方向图结果分析

天线在工作频率为433.92 MHz时的[xOy]平面和[xOz]平面的辐射方向图分别如图18，图19所示。可得出：在[xOy]面方向上的最大增益为-6.34 dBi，在[xOz]面方向上的最大增益为-6.21 dBi;[xOy]面方向图以及[xOz]面方向图曲线整体较为平稳光滑且具有全向性。

3  结  论

本文首先对天线理论进行分析，计算出天线的实际物理长度，根据传统的倒L型天线的结构特点，把印刷在PCB板上的传统倒L型天线采用弯折技术，然后通过加载L型的匹配网络，设计了一款小型化蛇形印刷天线。最终的仿真测试结果表明：天线的工作频率为433.92 MHz，回波损耗达到-21.64 dB，驻波比为1.18，并且天线具有全向性，可应用在汽车轮胎压力监测系统之中，作为其发射天线。

注：本文通讯作者为丰励。

参考文献

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