基于CC2430芯片的2．4GHz微帶天線(xiàn)設計

摘要 針對無(wú)線(xiàn)模塊中直立式天線(xiàn)體積大、功耗高問(wèn)題，提出用微帶天線(xiàn)替代傳統直立式天線(xiàn)的方法，并討論了微帶天線(xiàn)的工作原理。介紹了中心頻率為2．4 GHz微帶天線(xiàn)的設計流程。根據需求確定微帶天線(xiàn)的材料、形狀、類(lèi)型，用公式和軟件計算出天線(xiàn)的尺寸等參數，再在A(yíng)gilent公司的微波電路仿真軟件ADS中建立天線(xiàn)模型并對其仿真，通過(guò)優(yōu)化匹配和調整天線(xiàn)模型，得到最佳的天線(xiàn)參數使其特性符合設計要求。
關(guān)鍵詞 微帶天線(xiàn)；ADS軟件；反射系數；優(yōu)化匹配

隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )越來(lái)越多地被應用于工業(yè)生產(chǎn)、安全監測等領(lǐng)域。對于一個(gè)無(wú)線(xiàn)系統來(lái)說(shuō)，能正確地發(fā)送和接收信息是最基本的要求。天線(xiàn)作為無(wú)線(xiàn)通信中不可缺少的部分就是用來(lái)發(fā)送和接收電磁波，對無(wú)線(xiàn)系統起著(zhù)非常重要的作用。而常用無(wú)線(xiàn)傳輸模塊中的直立式天線(xiàn)體積太大。為解決這一問(wèn)題，文中選擇使用微帶天線(xiàn)，不僅可以減小無(wú)線(xiàn)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(diǎn)為對象，完成基于CC2430芯片的2．4 GHz微帶天線(xiàn)的設計，從而為構成小體積、低功耗的WSN測控系統節點(diǎn)基本硬件奠定了基礎。詳細論述微帶天線(xiàn)設計原理、設計過(guò)程以及阻抗匹配方案。

1 天線(xiàn)類(lèi)型的選擇
1．1 微帶天線(xiàn)的輻射原理
微帶天線(xiàn)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體貼片構成的微波天線(xiàn)，如圖1所示。通常通過(guò)微帶傳輸線(xiàn)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(chǎng)，并通過(guò)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(xiàn)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(xiàn)尺寸在5mm×7mm以?xún)取?br />1．3 天線(xiàn)形狀的選擇
貼片形狀多種多樣，其中圓形微帶天線(xiàn)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(xiàn)所要求輻射元面積較圓形微帶天線(xiàn)大，但經(jīng)過(guò)計算，矩形貼片所需的尺寸在可以滿(mǎn)足要求的范圍內，而且矩形微帶天線(xiàn)的效率、寬度都優(yōu)于圓形微帶天線(xiàn)。
1．4 天線(xiàn)饋電方式的選擇
微帶天線(xiàn)有許多種饋電裝置形式，但主要分為微帶傳輸線(xiàn)饋電和同軸線(xiàn)探針饋電。其中微帶傳輸線(xiàn)饋電的饋線(xiàn)也是一導體帶，一般具有較窄的寬度。微帶傳輸線(xiàn)饋電制造簡(jiǎn)單，易于匹配，也易于建模。同軸線(xiàn)探針饋電是將同軸線(xiàn)內導體接到輻射貼片上，外導體接到接地面。同軸線(xiàn)饋電也具有制造簡(jiǎn)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(xiàn)饋電，設計一個(gè)側饋的矩形微帶天線(xiàn)。

2 天線(xiàn)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(zhù)微帶天線(xiàn)的一系列性能指標。一般來(lái)說(shuō)，h的取值決定著(zhù)天線(xiàn)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(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(xiàn)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(xiàn)尺寸的計算
確定矩形貼片的尺寸，即單元長(cháng)度L和單元寬度W。
3．1 寬度計算
W的大小影響著(zhù)微帶天線(xiàn)的方向性函數、輻射電阻及輸入阻抗，從而也影響著(zhù)頻帶寬度和輻射效率。另外，W的大小直接支配著(zhù)微帶天線(xiàn)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(shí)，將產(chǎn)生高次模，從而引起場(chǎng)的畸變。

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

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

饋線(xiàn)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(xiàn)參數：W=26．89 mm；L=19．71 mm；d=1．23mm。