18基于CC2430芯片的2.4GHZ微帶天線設(shè)計(jì)

1、PAGE PAGE 9基于CC2430芯片的2.4GHz微帶天線設(shè)計(jì)楊永俠，楊琳（西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，陜西 西安 710032）【摘要】針對(duì)傳統(tǒng)的無(wú)線模塊中直立式天線體積大，功耗高等不足，本文提出了用微帶天線替代傳統(tǒng)的直立式天線的方法。文中根據(jù)項(xiàng)目需求確定微帶天線的材料、形狀、類型，估算出天線的尺寸，在ADS設(shè)計(jì)軟件環(huán)境下，介紹了基于CC2430芯片、中心頻率為2.4GHz微帶天線的整個(gè)設(shè)計(jì)流程，利用ADS仿真軟件建立天線模型并對(duì)其仿真，最后通過(guò)優(yōu)化匹配和調(diào)整天線模型使天線的特性達(dá)到最佳、參數(shù)符合項(xiàng)目要求?！娟P(guān)鍵詞】微帶天線，ADS軟件，反射系數(shù)，優(yōu)化匹配Design of Mic

2、rostrip Antenna at frequency of 2.4 GHzBased on the chip of CC2430 YangYongXia，YangLin（School of Electronics and Information Engineering，Xian Technological University，Xian 710032 China）【Abstract】In this paper we presented a solution to improve the shortcoming which the upright antenna is too big, an

3、d the power consumption is too high. The solution is that use the microstrip antenna in place of the traditional upright antenna. In this paper we determined the materials, the shape and the type of the microstrip antenna according to the requirements of the project, and we estimated the size of the

4、 antenna. Then we introduced the process of the design of microstrip antenna at frequency of 2.4 GHz based on the chip of CC2430 under the HYPERLINK /environment/ t _blank environment of ADS(Agilent). And then we built the antenna model and simulated it in ADS. At last we made the antenna parameters

5、 optimum and the the antenna characteristics comply with the requirements of the project through adjusting the antenna model and optimizing and matching. 【Key words】microstrip antenna, ADS, reflection coefficient, Optimal matching0引言隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越多地被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、安全監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。對(duì)于一個(gè)無(wú)線系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，能正確地發(fā)送和接收信息是最基本的要求

6、。天線作為無(wú)線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(duì)無(wú)線系統(tǒng)起著非常重要的作用。而常用的無(wú)線傳輸模塊中的直立式天線體積太大。為了這一問(wèn)題，本文選擇使用微帶天線，不僅可以減小無(wú)線傳輸設(shè)備的體積，也可降低設(shè)備功耗、降低成本。本文以CC2430射頻芯片的WSN節(jié)點(diǎn)為對(duì)象，完成基于CC2430芯片的2.4GHZ 微帶天線的設(shè)計(jì)，從而為構(gòu)成小體積、低功耗的WSN測(cè)控系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)基本硬件奠定基礎(chǔ)。本文詳細(xì)論述微帶天線設(shè)計(jì)的原理、設(shè)計(jì)的過(guò)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(zhì)基片上沉積或貼附所需形狀導(dǎo)體貼片構(gòu)成的微波天線，如圖1。通常，通過(guò)微帶傳輸線

7、或者同軸探針來(lái)饋電，使導(dǎo)體貼片與接地板之間激勵(lì)器高頻電磁場(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。圖1 微帶天線Fig.1 Microstrip antenna1.2參數(shù)要求本文中對(duì)天線的要求是工作在2.4GHz，增益達(dá)到3dB，方向性系數(shù)達(dá)到5.03dB，阻抗能達(dá)到匹配（50），天線尺寸在57（mmmm）以內(nèi)。1.3天線形狀的選擇貼片形狀是多種多樣，其中圓形微帶天線的波瓣寬度較矩形的窄，但是方向性系數(shù)幾乎相同3。矩形微帶天線所要求輻射元面積較圓形微帶天線要大，但經(jīng)過(guò)計(jì)算，矩形貼片所需的尺寸在可以滿足要求的范圍內(nèi)，而且矩形微帶天線的效率、寬度都優(yōu)于圓形微帶天線4，故選擇矩形微帶

8、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，但主要分為兩類，一是微帶傳輸線饋電，二是同軸線探針饋電。其中微帶傳輸線饋電的饋線也是一導(dǎo)體帶，一般具有較窄的寬度。微帶傳輸線饋電制造簡(jiǎn)單，易于匹配，也易于建模。同軸線探針饋電是將同軸線內(nèi)導(dǎo)體接到輻射貼片上，外導(dǎo)體接到接地面。同軸線饋電也具有制造簡(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(duì)難些5。因此我們選擇傳輸線饋電。經(jīng)過(guò)上面的考慮我選擇了設(shè)計(jì)一個(gè)側(cè)饋的矩形微帶天線。2天線材料的選擇微帶天線設(shè)計(jì)的第一步就是要選定介質(zhì)基板的材料并確定其厚度。這是因?yàn)榛宀牧系慕殡姵?shù)r和其厚度h直接影響著微帶天線的一系列性能指標(biāo)。一般來(lái)說(shuō)，h的取

9、值決定著天線的體積和重量6。如果安裝面積有限制的，應(yīng)選擇r較大的基板。陶瓷基片是比較常用的介電常數(shù)較高的介質(zhì)基片，其常用的厚度是h1.27mm，0.635mm，0.254mm。其中1.27mm的基片有較高的天線效率，較寬的帶寬以及較高的增益。因此我們選擇1.27mm的陶瓷基片，其介電常數(shù)r為9.8。3天線尺寸的計(jì)算在確定介質(zhì)板材料及其厚度以后，應(yīng)先確定矩形貼片的尺寸，即單元長(zhǎng)度L和單元寬度W。3.1寬度計(jì)算W的大小影響著微帶天線的方向性函數(shù)、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的大小直接的支配著微帶天線的總尺寸。在安裝條件允許的情況下W取的適當(dāng)?shù)么笠稽c(diǎn)對(duì)頻帶、效率、及阻

10、抗匹配都是有利，但當(dāng)W的尺寸大于(1)式給出的值時(shí)，將產(chǎn)生高次模，從而引起場(chǎng)的畸變5。 (1)其中c為光速，為介質(zhì)薄板的介電常數(shù)，是諧振頻率。3.2長(zhǎng)度計(jì)算矩形微帶天線的單元長(zhǎng)度L在理論上應(yīng)選取其波長(zhǎng)的一半即，但考慮到邊緣場(chǎng)的影響，應(yīng)該從減去，于是L的值由(2)式計(jì)算。 (2)其中為介質(zhì)內(nèi)波長(zhǎng)，是有效介電常數(shù)，是實(shí)際受邊緣場(chǎng)的影響而算出的一個(gè)修正公式5，分別由(3)式、(4)式、(5)式計(jì)算 (3) (4) (5)饋線的寬度d可以由Transmission Line Calculator 軟件計(jì)算得出。在本設(shè)計(jì)中，=9.8，=2.4GHz，h=1.27mm，把這些參數(shù)代入以上設(shè)計(jì)公式計(jì)算得到初

11、步的矩形微帶貼片天線的參數(shù)：W=26.89mm，L=19.71，d=1.23mm。4天線的設(shè)計(jì)打開ADS軟件，在設(shè)計(jì)天線之前，首先需要設(shè)置天線介質(zhì)基片的一些參數(shù)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的背景參數(shù)。然后根據(jù)計(jì)算得結(jié)果在ADS軟件中Layout界面中點(diǎn)擊畫出與計(jì)算結(jié)果一致的天線和饋線布局圖，并點(diǎn)擊加入饋線端口，如圖2。圖2 天線初步布局Fig.2 The preliminary layout of antenna對(duì)上面設(shè)計(jì)好的天線仿真，設(shè)置掃描類型為線型，頻率范圍為1.4GHz到2.4GHz，掃描間隔為0.1GHz。仿真結(jié)果如圖3。從圖中可以看出，理論上的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際的符合還是相當(dāng)不錯(cuò)的，中心頻率大約在2.4

12、GHz左右。只有天線的輸入阻抗等于饋線的特性阻抗時(shí)，饋線終端才沒有功率反射，饋線上沒有駐波，天線才能夠獲得最大功率7-8。從輸入阻抗圖得到，在2.4 GHz時(shí)天線輸入阻抗實(shí)部為8.55，虛部為-42.05，他與50饋電系統(tǒng)不相匹配，反射系數(shù)S11還比較大，所以還需要進(jìn)一步匹配。圖3 天線的初步仿真Fig3. The preliminary simulation of antenna5阻抗匹配為了進(jìn)一步減小反射系數(shù)，達(dá)到較理想的匹配，并且使中心頻率更加精確，要對(duì)天線進(jìn)行阻抗匹配。5.1匹配原理在2.4GHz微帶天線饋線后端串聯(lián)一根50的微帶傳輸線，使得S11在等反射系數(shù)圓上旋轉(zhuǎn)，到達(dá)g=1的等g

13、圓(導(dǎo)納圓)上，然后再并聯(lián)一根50歐姆傳輸線，將S11參數(shù)轉(zhuǎn)移到接近處，這時(shí)就把輸入阻抗8.55-j42.05匹配到50+j0，達(dá)到了與50歐姆饋電系統(tǒng)的匹配，這實(shí)質(zhì)也是利用史密斯圓法進(jìn)行阻抗匹配的理論9。微帶線匹配法就是計(jì)算串聯(lián)的微帶傳輸線和并聯(lián)的微帶傳輸線的長(zhǎng)度。5.2匹配的過(guò)程天線輸入阻抗為8.55-j42.05，這樣天線可以等效為一個(gè)電阻和電容的串連，設(shè)電阻為，電容為。 (6)由式(6)計(jì)算得到：=8.55，=1.57pF，在ADS中新建一個(gè)Schematic文件，在這個(gè)原理圖中畫出天線所等效的電容和電感，并且添加一個(gè)MLIN元件一個(gè)MLEF元件。其中MLIN元件代表串聯(lián)傳輸線，MLE

14、F元件代表并聯(lián)傳輸線，設(shè)定這兩個(gè)元件的寬度為1.23mm，長(zhǎng)度初值為10mm，并設(shè)定優(yōu)化范圍為1mm20mm。再添加一個(gè)三端口連接器MTEE_ADS ，三個(gè)端口的寬度都設(shè)定為1.23mm。將電容、電感、MLEF元件、MLIN元件以及MTEE_ADS聯(lián)接起來(lái)，如圖4。圖4 匹配電路Fig.4 Matching circuit如圖4設(shè)置MSub元件的介質(zhì)層和金屬層的各項(xiàng)參數(shù)，和S-PARAMETERS元件中的頻率掃描范圍和掃描間隔。并在GOAL元件中設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)，即將反射系數(shù)S11優(yōu)化到-70dB。最后設(shè)置OPTM元件中的優(yōu)化方式，常用的優(yōu)化方法有Random(隨機(jī))、Gradient(梯度)等。

15、隨機(jī)法通常用于大范圍搜索時(shí)使用，梯度法則用于局部收斂。本文選擇Random，優(yōu)化次數(shù)可以選得大些，設(shè)為300，其他的參數(shù)一般設(shè)為缺省即可。5.3匹配結(jié)果點(diǎn)擊仿真按鈕，信息欄中Currentef為0時(shí)，優(yōu)化完成。此時(shí)更新優(yōu)化結(jié)果，可以看到MLIN元件和MLEF元件的長(zhǎng)度值已經(jīng)被優(yōu)化成最佳值，如圖5所示，MLIN元件的長(zhǎng)度被優(yōu)化成7.47mm和MLEF元件的長(zhǎng)度被優(yōu)化成9.60mm。也就是先串聯(lián)一段長(zhǎng)度為7.47mm的50的微帶線，然后再并聯(lián)一段長(zhǎng)度為9.60gmm的50的微帶線。按照這個(gè)結(jié)果將這些微帶線添加到布局圖中，可以得到的新的天線布局，如圖6。圖5 優(yōu)化匹配結(jié)果Fig.5 The resu

16、lt of optimization and matching圖6 天線重新布局Fig.6 The new layout of antenna用上述的方法再次對(duì)修改后的天線進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖7。在圖7中的反射系數(shù)圓圖中可以看到，歸一化阻抗等于1.092-j0.004，非常接近于1，反射系數(shù)已經(jīng)接近于0，那么，天線的輸入阻抗基本接近于50。說(shuō)明阻抗匹配效果良好，反射系數(shù)圖中的中心諧振頻率為2.401GHz，也基本滿足2.4GHz的設(shè)計(jì)頻率。圖7 天線重新仿真Fig7. The new simulation of antenna查看天線3D模型（圖8）、立體方向圖（圖9）以及天線的總輻射圖（圖

17、10），可以看到天線的增益達(dá)到4.399dB，方向性系數(shù)達(dá)到5.635 dB，效率達(dá)到75.319%，的已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。圖8 天線3D模型Fig.8 The 3D model of antenna圖9 天線立體方向圖Fig.9 The stereoscopic pattern of HYPERLINK /antenna/ t _blank antenna圖10 天線增益、方向性系數(shù)和天線效率Fig.10 The gain, directivity and HYPERLINK /efficiency/ t _blank efficiency of HYPERLINK /antenna/ t

18、_blank antenna 6 結(jié)論本文首先簡(jiǎn)單介紹了微帶天線的輻射原理，依據(jù)經(jīng)典設(shè)計(jì)矩形微帶天線的設(shè)計(jì)公式，按照設(shè)計(jì)要求計(jì)算出天線的理論物理尺寸。利用ADS軟件中建立天線模型，然后對(duì)天線輻射特性進(jìn)行仿真，通過(guò)不斷調(diào)整天線模型的各個(gè)物理尺寸參數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化匹配，使設(shè)計(jì)出的2.4GHz的微帶天線的各項(xiàng)性能參數(shù)都達(dá)到設(shè)計(jì)要求，為實(shí)現(xiàn)小體積、低功耗的WSN模塊奠定了基礎(chǔ)，有廣泛的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)：殷際杰.微波技術(shù)與天線M.北京：電子工業(yè)出版社，2004.YIN Ji-jie. Microwave Technology and Antenna M.Beijing: The Press of e

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