基于CC2430芯片的2．4GHz微带天线设计

摘要 针对无线模块中直立式天线体积大、功耗高问题，提出用微带天线替代传统直立式天线的方法，并讨论了微带天线的工作原理。介绍了中心频率为2．4 GHz微带天线的设计流程。根据需求确定微带天线的材料、形状、类型，用公式和软件计算出天线的尺寸等参数，再在Agilent公司的微波电路仿真软件ADS中建立天线模型并对其仿真，通过优化匹配和调整天线模型，得到最佳的天线参数使其特性符合设计要求。
关键词 微带天线；ADS软件；反射系数；优化匹配

    随着科学技术的发展，无线传感网络越来越多地被应用于工业生产、安全监测等领域。对于一个无线系统来说，能正确地发送和接收信息是最基本的要求。天线作为无线通信中不可缺少的部分就是用来发送和接收电磁波，对无线系统起着非常重要的作用。而常用无线传输模块中的直立式天线体积太大。为解决这一问题，文中选择使用微带天线，不仅可以减小无线传输设备的体积，也可降低设备功耗、降低成
本。文中以CC2430射频芯片的WSN节点为对象，完成基于CC2430芯片的2．4 GHz微带天线的设计，从而为构成小体积、低功耗的WSN测控系统节点基本硬件奠定了基础。详细论述微带天线设计原理、设计过程以及阻抗匹配方案。

1 天线类型的选择
1．1 微带天线的辐射原理
    微带天线即在有金属接地板的介质基片上沉积或贴附所需形状导体贴片构成的微波天线，如图1所示。通常通过微带传输线或者同轴探针馈电，使导体贴片与接地板之间激励起高频电磁场，并通过贴片四周与接地板之间的缝隙向外辐射电磁波。

1．2 参数要求
    文中对天线的要求是工作在2．4 GHz，增益达到3 dB，方向性系数达到5．03 dB，阻抗能达到匹配，天线尺寸在5mm×7mm以内。
1．3 天线形状的选择
    贴片形状多种多样，其中圆形微带天线的波瓣宽度较矩形的窄，但方向性系数几乎相同。矩形微带天线所要求辐射元面积较圆形微带天线大，但经过计算，矩形贴片所需的尺寸在可以满足要求的范围内，而且矩形微带天线的效率、宽度都优于圆形微带天线。
1．4 天线馈电方式的选择
    微带天线有许多种馈电装置形式，但主要分为微带传输线馈电和同轴线探针馈电。其中微带传输线馈电的馈线也是一导体带，一般具有较窄的宽度。微带传输线馈电制造简单，易于匹配，也易于建模。同轴线探针馈电是将同轴线内导体接到辐射贴片上，外导体接到接地面。同轴线馈电也具有制造简单，易于匹配的优点，同时带宽比较窄，而且建模相对难些。因此选择传输线馈电，设计一个侧馈的矩形微带天线。

2 天线材料的选择
    基板材料的介电常数εr和其厚度h直接影响着微带天线的一系列性能指标。一般来说，h的取值决定着天线的体积和重量。如果安装面积有限，应选择εr较大的基板。陶瓷基片是比较常用的介电常数较高的介质基片，其常用的厚度是h=1．27 mm，0．635 mm，0．254mm。其中1．27 mm的基片有较高的天线效率，较宽的带宽以及较高的增益。因此选择1．27 mm的陶瓷基片，其介电常数εr为9．8。

3 天线尺寸的计算
    确定矩形贴片的尺寸，即单元长度L和单元宽度W。
3．1 宽度计算
    W的大小影响着微带天线的方向性函数、辐射电阻及输入阻抗，从而也影响着频带宽度和辐射效率。另外，W的大小直接支配着微带天线的总尺寸。在安装条件允许的情况下W取适当大一些对频带、效率、及阻抗匹配都有利，但当W的尺寸大于式(1)给出的值时，将产生高次模，从而引起场的畸变。
   
    其中，c为光速；εr为介质薄板的介电常数；fr为谐振频率。
3．2 长度计算
    矩形微带天线的单元长度L在理论上应选取其波长的一半即，但考虑到边缘场的影响，应该从减去2△L，L由式(2)计算。
   
    其中，λg为介质内波长；εe是有效介电常数；△l是实际受边缘场的影响而算出的一个修正公式，分别由式(3)～式(5)计算。
   
    馈线宽度d可由Transmission Line Calculator软件计算得出。
    在设计中，εr=9．8；fr=2．4 GHz；h=1．27 mm，把这些参数代入，计算得到矩形微带贴片天线参数：W=26．89 mm；L=19．71 mm；d=1．23mm。

4 天线设计

    对设计好的天线仿真，设置扫描类型为线型，频率范围1．4～2．4 GHz，扫描间隔为0．1 GHz，仿真结果如图3所示。

    从图中可以看出，理论计算结果与实际相符，中心频率约为2．4 GHz。只有天线的输入阻抗等于馈线的特性阻抗时，馈线终端才没有功率反射，馈线上没有驻波，天线才能获得最大功率。从输入阻抗图得到，在2．4 GHz时天线输入阻抗实部为8．55，虚部为-42．05，他与50 Ω馈电系统不匹配，反射系数S11较大，所以需要进一步匹配。

5 阻抗匹配
    为进一步减小反射系数，达到理想匹配，并且使中心频率更加精确，要对天线进行阻抗匹配。
5．1 匹配原理
    在2．4 GHz微带天线馈线后端串联一根50 Ω的微带传输线，使得S11在等反射系数圆上旋转，到达g=1的等g圆上，然后再并联一根50 Ω传输线，将S11参数转移到接近处，这时就把输入阻抗8．55-j42．05匹配到50+j0，达到了与50 Ω馈电系统的匹配，这实质也是利用史密斯圆法进行阻抗匹配的理论。微带线匹配法就是计算串联的微带传输线和并联的微带传输线的长度。
5．2 匹配的过程
    天线输入阻抗为8．55-j42．05，这样天线可以等效为一个电阻和电容的串连，设电阻为R1，电容为C1。
   
    由式(6)计算得到R1=8．55 Ω，C1=1．57 pF。
    在ADS中新建一个Schematic文件，在这个原理图中画出天线所的等效电容和电感，并且添加一个MLIN元件一个MLEF元件。其中MLIN元件代表串联传输线，MLEF元件代表并联传输线，设定这两个元件的宽度为1．23 mm，长度初值为10 mm，并设定优化范围为1～20 mm。再添加一个三端口连接器MTEE_ADS，3个端口的宽度都设定为1．23 mm。将电容、电感、MLEF元件、MLIN元件以及MTEE_ADS联接起来，如图4所示。

    如图4设置MSub元件介质层和金属层的各项参数，和S-Parameters元件中频率范围和扫描间隔。并在GOAL元件中设置优化目标，即将反射系数S11优化到-70dB。最后设置OPTM元件中的优化方式，常用的优化方法有Random(随机)、Gradient(梯度)等。随机法通常用于大范围搜索时使用，梯度法则用于局部收敛。文中选择Random，优化次数为300，其他的参数一般设为缺省。
5．3 匹配结果
    点击仿真按钮，信息栏中Currentef为0时，优化完成。此时更新优化结果，可以看到MLIN元件和MLEF元件的长度值已经被优化成最佳值，如图5所示。MLIN元件的长度被优化成7．47 mm，MLEF元件的长度被优化成9．60 mm。即先串联一段长度为7．47mm的50Ω微带线，然后再并联一段长度为9．60mm的50 Ω微带线。按照这个结果将这些微带线添加到布局中，可以得到新的天线布局，如图6所示。

    用上述方法对修改后的天线再次进行仿真，仿真结果如图7所示。在图7中的反射系数圆图中可以看到，归一化阻抗等于1．092-j0．004，接近于1，反射系数接近于0，即天线的输入阻抗基本接近50Ω。说明阻抗匹配效果良好，反射系数图中的中心谐振频率为2．401 GHz，满足设计频率。

    天线3D模型如图8所示，立体方向图如图9所示。天线的总辐射图如图10所示，可以看到天线的增益4．399 dB，方向性系数5．635 dB，效率75．319％，达到设计要求。

6 结束语
    介绍了微带天线的辐射原理，依据经典设计矩形微带天线的公式，按照设计要求计算出天线的理论物理尺寸。利用ADS软件中建立天线模型，然后对天线辐射特性进行仿真，通过不断调整天线模型的各个物理尺寸参数，并对其进行优化匹配，使设计出的2．4 GHz微带天线的各项性能参数都达到设计要求。