0 引言

    隨著無線傳感技術的飛速發展，433 MHz無線通信設備在便攜設備、車載終端、智能鎖等領域得到了更加廣泛的應用^[1]。天線作為無線通信設備的重要組成部分，是影響通信系統整體性能的關鍵部件^[2]。

    國內外學者對433 MHz印刷天線高增益、小型化的結構方案進行了多年的探索。但是，以往的學者在433 MHz印刷天線的設計中，主要有兩種趨向：一種是犧牲尺寸來保證高增益，如文獻[3]中的結構方案；另一種是犧牲增益來保證尺寸的小型化，如文獻[4]中的方案。

    兼顧天線的有效尺寸和增益特性是433 MHz小型化印刷天線的設計難點，本設計汲取了國內外學者對433 MHz印刷天線的研究經驗，以1/4波長單極子天線為基礎，設計了一種433 MHz小型化螺旋形印刷天線。仿真結果表明，該天線占用面積僅20×35 mm²，有效增益為-4.14 dB。

1 天線的結構設計

    本文所設計的螺旋形印刷天線是蛇形印刷天線的變形結構，采用微帶線在介質基片的上下兩層串繞來模仿螺旋天線的走線形式。圖1所示為本文所設計的螺旋形印刷天線的結構示意圖。

    如圖1所示，螺旋形印刷天線上下兩層的走線端采用半徑為0.3 mm的銅孔連接，這使得天線既增加了電流路徑的有效長度，又節約了天線走線所需的空間。相對于蛇形印刷天線，采用兩層結構的螺旋形印刷天線既能有效增加天線的物理長度，又能最大化的減少天線的占用面積。同時，位于兩個天線層中間的介質基片，可以抑制兩個天線層之間的電磁干擾和相反方向電流走線所引起的增益衰減，從而增加天線的增益特性。

    當信號在介電常數為ε_r的電介質中傳輸時，其介質波長為：

    由于印刷天線介質基板的有效介電常數近似于微帶線的等效介電常數^[5]，且考慮到其增益的需求，通常天線寬度w與介質基板厚度h的比值都滿足w/h>1。印刷天線介質基板的有效介電常數的計算公式為：

式中，ε_eff為介質基板的有效介電常數，h為介質基板的厚度，w為印刷天線的線寬。由此可以得出單極子印刷天線的長度為：

    由上文對印刷天線的數值分析公式可知，本文設計的天線的初始長度為155 mm。由于印刷天線的彎折對尺寸減小有效性的影響，因此天線實際尺寸要大于理論計算尺寸，變量初始值設定如表1所示。

2 天線結構參數的研究與優化

    為了獲得最優的天線結構尺寸，采用HFSS建立天線模型，并對天線各結構參數進行仿真和優化。

2.1 天線的結構對天線性能的影響

    (1)L對天線諧振頻率的影響

    保持天線其他結構參數不變，借助HFSS的參數掃描功能掃描L1=14 mm、L2=13 mm和L3=12 mm時天線的回波損耗，得到天線的諧振頻率分別為628 MHz、653 MHz和684 MHz，結果如圖2所示。因此，可以得出結論：隨著L的增大，諧振頻率逐漸減小，反之亦然。

    (2)D對天線諧振頻率的影響

    保持天線其他結構參數不變，掃描D1=2 mm、D2=1.8 mm和D3=1.6 mm時天線的回波損耗，得到天線的諧振頻率分別為644 MHz、653 MHz和663 MHz，結果如圖3所示。因此，可以得出結論：隨著D的增大，諧振頻率逐漸減小，反之亦然。

    (3)W對天線諧振頻率的影響

    保持其他結構參數不變，掃描W1=0.8 mm、W2=0.9 mm和W3=1 mm時天線的回波損耗，得到天線的諧振頻率分別為653 MHz、667 MHz和674 MHz，結果如圖4所示。因此，可以得出結論：隨著天線寬度W的增大，諧振頻率逐漸增大，反之亦然。

    根據上文對各結構參數的研究結果，綜合考慮各項因素，得出天線結構尺寸如表2所示。

2.2 天線的阻抗匹配和無源集總原件的加載

    天線與饋線之間的阻抗匹配將影響天線的諧振頻率，還將直接影響到天線與收發機之間的信號傳輸效率。在天線與饋線間插入阻抗匹配網絡，可以減小由阻抗失配引起的損耗^[6，7]。因此對天線進行阻抗匹配是非常重要的。

    本文通過加載無源集總元件來改進天線的阻抗性能。圖5所示為天線在結構尺寸優化后得到的Smith阻抗圓圖。從圖中可知，天線的歸一化輸入阻抗為0.1-j0.64，即(5-j32) Ω，與標準阻抗50 Ω有較大偏差。

    為了提升天線的阻抗特性，使天線的諧振頻率達到預期目標，本文采用L型匹配網絡對天線進行無源集總元件加載，匹配網絡及集總元件取值如圖6所示。

    為了不影響天線本身的輻射性能，本文采用HFSS將無源集總元件加載在微帶饋線上。電感串聯在微帶饋線與天線的輸入端中間，電容并連在微帶饋線與接地面之間。

3 天線仿真結果分析

    采用HFSS運行已經優化了結構的天線模型，分析仿真結果。

3.1 回波損耗分析

    選取天線掃頻范圍為420 MHz～446 MHz，回波損耗S11的仿真結果如圖7所示。

    由圖7知，天線的諧振頻段為433 MHz，諧振頻點處的回波損耗為-24 dB，在3.4 MHz(431.5 MHz～434.9 MHz)的有效帶寬內S11<-10 dB。

3.2 增益分析

    天線增益是天線最重要的指標之一。天線在E面和H面各方向上的增益值大小是天線增益特性的主要判斷依據。

    由圖8知，在433 MHz頻段上，天線在XZ平面的有效增益曲線較為平穩，出現的最大有效增益值為-4.14 dB；在XY平面的有效增益曲線有較大的波動，出現的最大有效增益為-4.15 dB。

4 結論

    通過研究和分析，設計了一種433 MHz小型化螺旋形印刷天線。天線在設計中融合了傳統的外置型螺旋天線和單極子蛇形印刷天線的結構特點，采用微帶線在介質基片上模仿螺旋天線的走線形式，減小了天線的結構尺寸。此外，無源集總元件的加載確保了天線的小型化，使得天線不需要再通過延長物理長度來降低諧振頻率。最終的仿真測試結果表明，天線的性能都滿足預期指標。

參考文獻

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作者信息:

嚴  冬，王鵬飛，李帥永，王  平，汪  朋

（重慶郵電大學 工業物聯網與網絡化控制教育部重點實驗室，重慶400065）