18基于CC2430芯片的2.4GHZ微带天线设计

1、PAGE PAGE 9基于CC2430芯片的2.4GHz微带天线设计杨永侠，杨琳（西安工业大学 电子信息工程学院，陕西 西安 710032）【摘要】针对传统的无线模块中直立式天线体积大，功耗高等不足，本文提出了用微带天线替代传统的直立式天线的方法。文中根据项目需求确定微带天线的材料、形状、类型，估算出天线的尺寸，在ADS设计软件环境下，介绍了基于CC2430芯片、中心频率为2.4GHz微带天线的整个设计流程，利用ADS仿真软件建立天线模型并对其仿真，最后通过优化匹配和调整天线模型使天线的特性达到最佳、参数符合项目要求。【关键词】微带天线，ADS软件，反射系数，优化匹配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

6、。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。而常用的无线传输模块中的直立式天线体积太大。为了这一问题，本文选择使用微带天线，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。本文以CC2430射频芯片的WSN节点为对象，完成基于CC2430芯片的2.4GHZ 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基础。本文详细论述微带天线设计的原理、设计的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。通常，通过微带传输线

7、或者同轴探针来馈电，使导体贴片与接地板之间激励器高频电磁场，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。图1 微带天线Fig.1 Microstrip antenna1.2参数要求本文中对天线的要求是工作在2.4GHz，增益达到3dB，方向性系数达到5.03dB，阻抗能达到匹配（50），天线尺寸在57（mmmm）以内。1.3天线形状的选择贴片形状是多种多样，其中圆形微带天线的波瓣宽度较矩形的窄，但是方向性系数几乎相同3。矩形微带天线所要求辐射元面积较圆形微带天线要大，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4，故选择矩形微带

8、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，但主要分为两类，一是微带传输线馈电，二是同轴线探针馈电。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5。因此我们选择传输线馈电。经过上面的考虑我选择了设计一个侧馈的矩形微带天线。2天线材料的选择微带天线设计的第一步就是要选定介质基板的材料并确定其厚度。这是因为基板材料的介电常数r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

9、值决定着天线的体积和重量6。如果安装面积有限制的，应选择r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h1.27mm，0.635mm，0.254mm。其中1.27mm的基片有较高的天线效率，较宽的带宽以及较高的增益。因此我们选择1.27mm的陶瓷基片，其介电常数r为9.8。3天线尺寸的计算在确定介质板材料及其厚度以后，应先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的大小直接的支配着微带天线的总尺寸。在安装条件允许的情况下W取的适当得大一点对频带、效率、及阻

10、抗匹配都是有利，但当W的尺寸大于(1)式给出的值时，将产生高次模，从而引起场的畸变5。 (1)其中c为光速，为介质薄板的介电常数，是谐振频率。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，于是L的值由(2)式计算。 (2)其中为介质内波长，是有效介电常数，是实际受边缘场的影响而算出的一个修正公式5，分别由(3)式、(4)式、(5)式计算 (3) (4) (5)馈线的宽度d可以由Transmission Line Calculator 软件计算得出。在本设计中，=9.8，=2.4GHz，h=1.27mm，把这些参数代入以上设计公式计算得到初

11、步的矩形微带贴片天线的参数：W=26.89mm，L=19.71，d=1.23mm。4天线的设计打开ADS软件，在设计天线之前，首先需要设置天线介质基片的一些参数和系统设计的背景参数。然后根据计算得结果在ADS软件中Layout界面中点击画出与计算结果一致的天线和馈线布局图，并点击加入馈线端口，如图2。图2 天线初步布局Fig.2 The preliminary layout of antenna对上面设计好的天线仿真，设置扫描类型为线型，频率范围为1.4GHz到2.4GHz，扫描间隔为0.1GHz。仿真结果如图3。从图中可以看出，理论上的计算结果与实际的符合还是相当不错的，中心频率大约在2.4

12、GHz左右。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，天线才能够获得最大功率7-8。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馈电系统不相匹配，反射系数S11还比较大，所以还需要进一步匹配。图3 天线的初步仿真Fig3. The preliminary simulation of antenna5阻抗匹配为了进一步减小反射系数，达到较理想的匹配，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2.4GHz微带天线馈线后端串联一根50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

13、圆(导纳圆)上，然后再并联一根50欧姆传输线，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欧姆馈电系统的匹配，这实质也是利用史密斯圆法进行阻抗匹配的理论9。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，电容为。 (6)由式(6)计算得到：=8.55，=1.57pF，在ADS中新建一个Schematic文件，在这个原理图中画出天线所等效的电容和电感，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，MLE

14、F元件代表并联传输线，设定这两个元件的宽度为1.23mm，长度初值为10mm，并设定优化范围为1mm20mm。再添加一个三端口连接器MTEE_ADS ，三个端口的宽度都设定为1.23mm。将电容、电感、MLEF元件、MLIN元件以及MTEE_ADS联接起来，如图4。图4 匹配电路Fig.4 Matching circuit如图4设置MSub元件的介质层和金属层的各项参数，和S-PARAMETERS元件中的频率扫描范围和扫描间隔。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。

15、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。本文选择Random，优化次数可以选得大些，设为300，其他的参数一般设为缺省即可。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7.47mm和MLEF元件的长度被优化成9.60mm。也就是先串联一段长度为7.47mm的50的微带线，然后再并联一段长度为9.60gmm的50的微带线。按照这个结果将这些微带线添加到布局图中，可以得到的新的天线布局，如图6。图5 优化匹配结果Fig.5 The resu

16、lt of optimization and matching图6 天线重新布局Fig.6 The new layout of antenna用上述的方法再次对修改后的天线进行仿真，仿真结果如图7。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，非常接近于1，反射系数已经接近于0，那么，天线的输入阻抗基本接近于50。说明阻抗匹配效果良好，反射系数图中的中心谐振频率为2.401GHz，也基本满足2.4GHz的设计频率。图7 天线重新仿真Fig7. The new simulation of antenna查看天线3D模型（图8）、立体方向图（图9）以及天线的总辐射图（图

17、10），可以看到天线的增益达到4.399dB，方向性系数达到5.635 dB，效率达到75.319%，的已经达到设计的要求。图8 天线3D模型Fig.8 The 3D model of antenna图9 天线立体方向图Fig.9 The stereoscopic pattern of HYPERLINK /antenna/ t _blank antenna图10 天线增益、方向性系数和天线效率Fig.10 The gain, directivity and HYPERLINK /efficiency/ t _blank efficiency of HYPERLINK /antenna/ t

18、_blank antenna 6 结论本文首先简单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设计公式，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2.4GHz的微带天线的各项性能参数都达到设计要求，为实现小体积、低功耗的WSN模块奠定了基础，有广泛的应用前景。参考文献：殷际杰.微波技术与天线M.北京：电子工业出版社，2004.YIN Ji-jie. Microwave Technology and Antenna M.Beijing: The Press of e

19、lectronics industry, 2004.宋铮，张建华，黄治.天线与电波传播M.西安：西安电子科技大学出版社，2002.SONG Zheng, ZHANG Jian-hua, HUANG Zhi. The Antenna and the radio wave propagation M.Xian: The Press of Xidian University, 2002.宋旭亮，朱义胜.矩形微带天线设计与阻抗匹配网络D.大连：大连海事大学，2008.SONG Xu-liang, ZHU Yi-sheng. The Design of Microstrip Antenna and Im

20、pedance Matching Networks D.Dalian: Dalian Maritime University, 2008.Y T Lo, D Solomon and W F Richards. Theory and experiment on microstrip antennas J.IEEE Trans-actions on Antennas and Propagation, 1979, 27(2):137145.I.J.鲍尔，P.布哈蒂亚著.微带天线M. 梁联悼，寇廷耀译.北京：电子工业出版社，1985.I J Bahl, P Bhartia. Microstrip Antennas M.LIANG Lian-zhuo, KOU Ting-yao Translated, Beijing: The Press of electronics industry, 1985.I J Bahl and P Bhartia. Microstrip Antennas M.Artech House, 1980.王新稳，李萍.微波技术与天线M.北京：电子工业出版社，2004.WANG Xin-wen, Li Ping. Microwave Technology a