基于CC2430芯片的2．4GHz微帶天線設計

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微帶天線的設計流程。根據需求確定微帶天線的材料、形狀、類型，用公式和軟件計算出天線的尺寸等參數，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，通過優化匹配和調整天線模型，得到最佳的天線參數使其特性符合設計要求。
關鍵詞 微帶天線；ADS軟件；反射系數；優化匹配

隨著科學技術的發展，無線傳感網絡越來越多地被應用于工業生產、安全監測等領域。對于一個無線系統來說，能正確地發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送和接收電磁波，對無線系統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備的體積，也可降低設備功耗、降低成
本。文中以CC2430射頻芯片的WSN節點為對象，完成基于CC2430芯片的2．4 GHz微帶天線的設計，從而為構成小體積、低功耗的WSN測控系統節點基本硬件奠定了基礎。詳細論述微帶天線設計原理、設計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基片上沉積或貼附所需形狀導體貼片構成的微波天線，如圖1所示。通常通過微帶傳輸線或者同軸探針饋電，使導體貼片與接地板之間激勵起高頻電磁場，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 參數要求
文中對天線的要求是工作在2．4 GHz，增益達到3 dB，方向性系數達到5．03 dB，阻抗能達到匹配，天線尺寸在5mm×7mm以內。
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，但經過計算，矩形貼片所需的尺寸在可以滿足要求的范圍內，而且矩形微帶天線的效率、寬度都優于圓形微帶天線。
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導體接到輻射貼片上，外導體接到接地面。同軸線饋電也具有制造簡單，易于匹配的優點，同時帶寬比較窄，而且建模相對難些。因此選擇傳輸線饋電，設計一個側饋的矩形微帶天線。

2 天線材料的選擇
基板材料的介電常數εr和其厚度h直接影響著微帶天線的一系列性能指標。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，應選擇εr較大的基板。陶瓷基片是比較常用的介電常數較高的介質基片，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εr為9．8。

3 天線尺寸的計算
確定矩形貼片的尺寸，即單元長度L和單元寬度W。
3．1 寬度計算
W的大小影響著微帶天線的方向性函數、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取適當大一些對頻帶、效率、及阻抗匹配都有利，但當W的尺寸大于式(1)給出的值時，將產生高次模，從而引起場的畸變。

其中，c為光速；εr為介質薄板的介電常數；fr為諧振頻率。
3．2 長度計算
矩形微帶天線的單元長度L在理論上應選取其波長的一半即，但考慮到邊緣場的影響，應該從減去2△L，L由式(2)計算。

其中，λg為介質內波長；εe是有效介電常數；△l是實際受邊緣場的影響而算出的一個修正公式，分別由式(3)～式(5)計算。

饋線寬度d可由Transmission Line Calculator軟件計算得出。
在設計中，εr=9．8；fr=2．4 GHz；h=1．27 mm，把這些參數代入，計算得到矩形微帶貼片天線參數：W=26．89 mm；L=19．71 mm；d=1．23mm。