一種433.92 MHz印刷天線的設計

楊輝 凃玲英 豐勵 帥 亮 尹龍川 曾李 劉樞翰

摘? 要： 鑒于汽車輪胎壓力監測系統（TPMS）中發射天線在PCB板上走線的局限性，根據傳統倒L型印刷天線的結構特點，微帶線在介質基板上模仿蛇形天線的走線形式設計了一種433.92 MHz小型化蛇形印刷天線，利用彎折技術極大地減小了天線的結構尺寸，并使用加載匹配網絡的方法改善了天線的阻抗特性。使用Ansoft HFSS 15.0仿真軟件對天線加載的匹配網絡中無源集總元件進行參數分析和優化，推導出天線加載的最佳無源集總元件的匹配值，并對天線的回波損耗、駐波比、天線阻抗和方向圖進行了仿真測試。結果表明，優化后的天線在433.92 MHz諧振頻點處的回波損耗為-21.64 dB，工作頻段為432.84～435.00 MHz，并且具有良好的全向性，可應用在汽車輪胎壓力監測系統之中。

關鍵詞： 小型化天線; 蛇形印刷天線; 回波損耗; 天線阻抗匹配; 參數優化; 仿真結果分析

中圖分類號： TN82?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）13?0006?05

Design of a 433.92 MHz printed antenna

YANG Hui1， TU Lingying1， FENG Li1， SHUAI Liang1， YIN Longchuan1， ZENG Li1， LIU Shuhan2

（1. School of Electrical and Electronic Engineering， Hubei University of Technology， Wuhan 430068， China;

2. School of Economics and Management， Changsha University of Science and Technology， Changsha 410067， China）

Abstract： As the transmission antenna routing has a limitation on PCB in TPMS， a 433.92 MHz miniaturized serpentine printed antenna is designed in this paper by simulating the serpentine antenna on the dielectric substrate and according to the structural characteristics of traditional inverted L type printed antenna， which greatly reduces the structure size of the antenna by using the bending technology. The impedance characteristics of the antenna are improved by loading a matching network. Ansoft HFSS 15.0 simulation software is used to analyze and optimize the parameters of the passive lumped elements in the matching network loaded by the antenna. The optimal matching value of the passive lumped elements loaded by the antenna is derived. The return loss， standing wave ratio， antenna impedance and directional diagram of the antenna were simulated. The results proves that the optimized antenna has a return loss of -21.64 dB at the resonance frequency of 433.92 MHz， and its effective working frequency range is 432.84～435.00 MHz， and it has good omnidirectional performance. Therefore， the antenna can be used in automobile tire pressure monitoring system.

Keywords： miniaturized antenna; serpentine printed antenna; return loss; antenna impedance matching; parameter optimization; simulation result analysis

0? 引? 言

汽車輪胎壓力監測系統（TPMS）能實時監測汽車在行駛過程中每個輪胎中是否出現漏氣或低氣壓的狀態，當輪胎出現異常狀態時將對駕駛員進行報警提醒，不僅降低了對輪胎的損耗，還避免了交通事故的發生[1?2]。相應地，也避免了交通事故的發生。為了保證監測系統的數據能夠實時監控與報警，離不開一個具有良好性能的天線，使得對特定工作頻率天線的研究顯得尤為重要。汽車輪胎壓力監測系統的發射天線的工作頻率為433.92 MHz，因為天線安裝在輪胎內部的空間較小，汽車在行駛過程中環境不斷變化，為了保證汽車在行駛時能夠使數據準確可靠傳輸，所以對胎壓天線的方向性和小型化的研究尤為關鍵。

在設計過程中天線實際有效尺寸和方向特性是小型化印刷天線的設計難點。本文以倒L型印刷天線為基礎，設計了一種433.92 MHz小型化蛇形印刷天線。仿真結果表明，天線尺寸大小為30 mm×23.4 mm，回波損耗為-21.64 dB，最大增益為-6.3 dBi，且具有全向性。

1? 天線結構與設計

本文所設計的天線是根據傳統倒L型印刷天線經過變形而得到的一種新結構的天線。即把印制在PCB板上的倒L型天線采用彎折技術，將倒L型天線的水平部分折彎，變成蛇形即可，其主要目的是為了降低天線所占PCB板的面積。

由電磁學知識可知，當電磁波在介電常數為[εr]的介質中傳播時，其介質波長[λ]為：

式中[c]表示光在真空中傳播的速度。

對于PCB印刷天線，不僅要考慮介質板材的介電常數對天線的影響，還要考慮天線周邊空氣的影響。

根據文獻[3]可知，印刷天線介質基板的有效介電常數為：

式中：[εe]為介質基板的有效介電常數;[εer]為微帶線的有效介電常數;[h]為介質基板的厚度;[w]為印刷天線的線寬。

根據文獻[4?6]可知，在PCB蛇形印刷天線的設計過程中，其輻射貼片長度通常取為[14]介質波長[λ]。

則天線的理論計算長度[Lεr]為：

本文所設計的433.92 MHz蛇形PCB印刷天線結構如圖1所示。采用玻璃纖維環氧樹脂（FR?4）為介質基板，介質基板的介電常數[εr]=4.6，PCB板厚度[h]為1.6 mm。為了滿足所設計天線的增益要求，通常天線寬度[w]與介質基板厚度[h]的比值需大于1，則取天線的寬度[w]為1.7 mm，通過對式（1）～式（3）天線的數值分析公式的計算，最終得到的天線理論計算長度為172 mm，天線結構參數值如表1所示。

2? 天線模型建立與仿真結果分析

2.1? 初始天線模型建立

采用Ansoft HFSS（High Frequency Structure Simulator，高頻結構仿真器）15.0仿真軟件，根據表1結構參數建立的433.92 MHz印刷天線模型如圖2所示，采用集總端口饋電。模型結構分為三層：天線層、介質層和接地層。

2.2? 初始天線仿真結果分析

回波損耗仿真結果如圖3所示?？梢缘贸觯禾炀€的中心頻率為1.086 1 GHz，回波損耗為-4.909 2 dB。此時的中心頻率與預期的中心頻率433.92 MHz相差較大，并且沒有滿足回波損耗低于-10 dB。

天線阻抗仿真結果如圖4所示?？梢缘贸觯寒旑l率為433.92 MHz時，天線的阻抗值為（3.77-j266.11） Ω，偏離了天線標準阻抗50 Ω。

由圖3、圖4的仿真結果分析可以得出：該結構尺寸下的天線諧振頻率和回波損耗都不能滿足預期設計要求。

為了降低天線的諧振頻率，由于天線安裝空間的局限性，根據微波網絡理論[7?8]，在不改變天線物理長度的前提條件下，本文采用在天線輸入端加載匹配電路的方法，通過優化調節匹配網絡中各無源集總元件的數值大小使得天線的輸入阻抗達到設計標準的50 Ω，使工作頻率和回波損耗達到設計要求。

2.3? 加載匹配網絡后的天線模型建立與仿真結果分析

2.3.1? 微帶線饋線的設計

通常印刷天線的輸入阻抗設計目標都是50 Ω，以便于通過50 Ω微帶饋線進行阻抗匹配。在通信系統中，信號在天線與電路系統之間是否能高質量傳遞的關鍵在于饋線上損耗的大小，饋線上損耗越小信號質量越高，反之亦然。所以天線阻抗匹配的優劣直接影響整個通信系統的質量。

在50 Ω微帶饋線的設計中，借助APPCAD微帶傳輸線計算工具進行輔助設計，設計過程如圖5所示。

從圖5的計算結果中可得：帶饋線的厚度為[T=]0.2 mm，微帶線寬度為2.777 mm。

2.3.2? 匹配網絡的設計

通常設計天線的匹配網絡要考慮到設計的簡單性、可實現性、可調整性，本次匹配網絡采用L型匹配網絡[9]。使用Advanced Design System（先進設計系統）2016.01中Smith Chart工具[10]對L型匹配電路進行設計與仿真驗證。

ADS仿真原理圖如圖6所示，利用Smith Chart工具如圖7所示，在Smith Chart Utility窗口中采用集總參數元件的手動匹配。負載首先沿著等電阻圓順時針旋轉串聯一個電感[L]，然后又沿著等電導圓順時針旋轉并聯一個電容[C]。

如圖8所示，L型匹配電路中電感[L]值的大小為102.46 nH，電容[C]值的大小為25.63 pF。

天線在加載L型匹配網絡后，通過使用ADS仿真得到的[S]參數結果如圖9所示，其中心頻率為433.92 MHz，回波損耗達到了-53.343 dB。

2.3.3? 加載匹配網絡后的天線模型建立

為了不影響天線本身的輻射性能，在HFSS軟件中將ADS設計出的L型匹配網絡的無源集總元件加載到50 Ω微帶饋線上。加載集總元件后的天線模型如圖10所示。首先在天線的輸入端與50 Ω微帶饋線之間串聯一個匹配電感[L]，然后在50 Ω微帶饋線與接地板之間并聯一個匹配電容[C]。

2.3.4? 加載匹配網絡后的天線仿真結果分析

如圖11，圖12所示，天線在加載了無源集總元件匹配網絡后，天線的工作頻率為445.5 MHz，天線阻抗為（1.64-j2.93） Ω。與中心頻率433.92 MHz相差較大，并且天線輸出阻抗與標準50 Ω也存在較大差別。

接下來將對匹配網絡中電感[L]和電容[C]的數值對天線[S]參數的影響進行分析和優化。

2.4? [L]，[C]值對[S]參數的影響

為了獲得最優的天線匹配網絡中電感和電容的數值，在之前HFSS建立的加載了無源集總元件的天線模型如圖10所示，對其匹配網絡中的電感電容參數進行仿真和優化。

2.4.1? 電感[C]值對天線[S]參數的影響

保持天線結構參數以及匹配網絡中電感[L=]102.46 nH不變，借助HFSS軟件的參數掃描功能對天線的[S]參數進行仿真。設置電容[C]的掃描范圍為23.63～27.63 pF，掃描間隔為1 pF。結果如圖13所示，天線的中心頻率隨電容[C]值的增大而減小，回波損耗值也隨電容[C]值的增大而減小。

2.4.2? 電感[L]值對天線諧振頻率的影響

保持天線結構參數以及匹配網絡中電感[L]=25.63 nH不變，借助HFSS軟件的參數掃描功能對天線的[S]參數進行仿真。設置電感[L]的掃描范圍為108.46～112.46 nH，掃描間隔為1 nH。結果如圖14所示，天線的中心頻率隨電容[C]值的增大而減小，而回波損耗值變化較小，可忽略不計。

由圖14可得：隨著電容[C]值的增大，天線的工作頻率和其回波損耗都在逐漸降低，而隨著電感[L]值的增大，天線的工作頻率在逐漸降低但其回波損耗保持不變。最終經過優化得到電感[L]=110.09 nH，電容[C]=25.63 pF。

2.5? 優化后仿真結果

使用HFSS軟件仿真已經優化了的天線模型，在仿真過程中選取天線掃頻范圍為400～500 MHz，并分析仿真結果。

2.5.1? [S]參數結果分析

從圖15的[S]參數仿真結果得出：天線的中心頻率為433.92 MHz，工作頻段為432.84～435.00 MHz，回波損耗為-21.64 dB。

2.5.2? 駐波比結果分析

如圖16所示天線在433.92 MHz時的駐波比為1.180 6，滿足天線的設計要求。

2.5.3? 阻抗結果分析

如圖17所示天線在433.92 MHz時的阻抗值為（42.75-j2.56） Ω，與標準阻抗50 Ω匹配結果較好。

2.5.4? 方向圖結果分析

天線在工作頻率為433.92 MHz時的[xOy]平面和[xOz]平面的輻射方向圖分別如圖18，圖19所示?？傻贸觯涸赱xOy]面方向上的最大增益為-6.34 dBi，在[xOz]面方向上的最大增益為-6.21 dBi;[xOy]面方向圖以及[xOz]面方向圖曲線整體較為平穩光滑且具有全向性。

3? 結? 論

本文首先對天線理論進行分析，計算出天線的實際物理長度，根據傳統的倒L型天線的結構特點，把印刷在PCB板上的傳統倒L型天線采用彎折技術，然后通過加載L型的匹配網絡，設計了一款小型化蛇形印刷天線。最終的仿真測試結果表明：天線的工作頻率為433.92 MHz，回波損耗達到-21.64 dB，駐波比為1.18，并且天線具有全向性，可應用在汽車輪胎壓力監測系統之中，作為其發射天線。

注：本文通訊作者為豐勵。

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