实用：433 MHz小型化螺旋形印刷天线的设计

严  冬，王鹏飞，李帅永，王  平，汪  朋

（重庆邮电大学 工业物联网与网络化控制教育部重点实验室，重庆400065）

摘  要： 采用微带线在介质基片上模仿螺旋天线的走线形式，设计了一种433 MHz小型化螺旋形印刷天线，减小了天线的结构尺寸。采用仿真软件HFSS对天线的主要结构参数进行分析和优化，推导出了天线的最佳结构参数，并通过加载无源集总元件的方法改进了天线的阻抗性能。对回波损耗、增益进行了研究，结果表明：S(1，1)<-10 dB的有效带宽为3.4 MHz(431.5 MHz～434.9 MHz)，在433 MHz谐振频点处的S11为-24 dB，有效增益为-4.14 dB。

引言

随着无线传感技术的飞速发展，433 MHz无线通信设备在便携设备、车载终端、智能锁等领域得到了更加广泛的应用^[1]。天线作为无线通信设备的重要组成部分，是影响通信系统整体性能的关键部件^[2]。

国内外学者对433 MHz印刷天线高增益、小型化的结构方案进行了多年的探索。但是，以往的学者在433 MHz印刷天线的设计中，主要有两种趋向：一种是牺牲尺寸来保证高增益，如文献[3]中的结构方案；另一种是牺牲增益来保证尺寸的小型化，如文献[4]中的方案。

兼顾天线的有效尺寸和增益特性是433 MHz小型化印刷天线的设计难点，本设计汲取了国内外学者对433 MHz印刷天线的研究经验，以1/4波长单极子天线为基础，设计了一种433 MHz小型化螺旋形印刷天线。仿真结果表明，该天线占用面积仅20×35 mm²，有效增益为-4.14 dB。

1 天线的结构设计

本文所设计的螺旋形印刷天线是蛇形印刷天线的变形结构，采用微带线在介质基片的上下两层串绕来模仿螺旋天线的走线形式。图1所示为本文所设计的螺旋形印刷天线的结构示意图。

如图1所示，螺旋形印刷天线上下两层的走线端采用半径为0.3 mm的铜孔连接，这使得天线既增加了电流路径的有效长度，又节约了天线走线所需的空间。相对于蛇形印刷天线，采用两层结构的螺旋形印刷天线既能有效增加天线的物理长度，又能最大化的减少天线的占用面积。同时，位于两个天线层中间的介质基片，可以抑制两个天线层之间的电磁干扰和相反方向电流走线所引起的增益衰减，从而增加天线的增益特性。

当信号在介电常数为ε_r的电介质中传输时，其介质波长为：

由于印刷天线介质基板的有效介电常数近似于微带线的等效介电常数^[5]，且考虑到其增益的需求，通常天线宽度w与介质基板厚度h的比值都满足w/h>1。印刷天线介质基板的有效介电常数的计算公式为：

式中，ε_eff为介质基板的有效介电常数，h为介质基板的厚度，w为印刷天线的线宽。由此可以得出单极子印刷天线的长度为：

由上文对印刷天线的数值分析公式可知，本文设计的天线的初始长度为155 mm。由于印刷天线的弯折对尺寸减小有效性的影响，因此天线实际尺寸要大于理论计算尺寸，变量初始值设定如表1所示。

2 天线结构参数的研究与优化

为了获得最优的天线结构尺寸，采用HFSS建立天线模型，并对天线各结构参数进行仿真和优化。

2.1 天线的结构对天线性能的影响

(1)L对天线谐振频率的影响

保持天线其他结构参数不变，借助HFSS的参数扫描功能扫描L1=14 mm、L2=13 mm和L3=12 mm时天线的回波损耗，得到天线的谐振频率分别为628 MHz、653 MHz和684 MHz，结果如图2所示。因此，可以得出结论：随着L的增大，谐振频率逐渐减小，反之亦然。

(2)D对天线谐振频率的影响

保持天线其他结构参数不变，扫描D1=2 mm、D2=1.8 mm和D3=1.6 mm时天线的回波损耗，得到天线的谐振频率分别为644 MHz、653 MHz和663 MHz，结果如图3所示。因此，可以得出结论：随着D的增大，谐振频率逐渐减小，反之亦然。

(3)W对天线谐振频率的影响

保持其他结构参数不变，扫描W1=0.8 mm、W2=0.9 mm和W3=1 mm时天线的回波损耗，得到天线的谐振频率分别为653 MHz、667 MHz和674 MHz，结果如图4所示。因此，可以得出结论：随着天线宽度W的增大，谐振频率逐渐增大，反之亦然。

根据上文对各结构参数的研究结果，综合考虑各项因素，得出天线结构尺寸如表2所示。

2.2 天线的阻抗匹配和无源集总原件的加载

天线与馈线之间的阻抗匹配将影响天线的谐振频率，还将直接影响到天线与收发机之间的信号传输效率。在天线与馈线间插入阻抗匹配网络，可以减小由阻抗失配引起的损耗^[6，7]。因此对天线进行阻抗匹配是非常重要的。

 本文通过加载无源集总元件来改进天线的阻抗性能。图5所示为天线在结构尺寸优化后得到的Smith阻抗圆图。从图中可知，天线的归一化输入阻抗为0.1-j0.64，即(5-j32) Ω，与标准阻抗50 Ω有较大偏差。

为了提升天线的阻抗特性，使天线的谐振频率达到预期目标，本文采用L型匹配网络对天线进行无源集总元件加载，匹配网络及集总元件取值如图6所示。

为了不影响天线本身的辐射性能，本文采用HFSS将无源集总元件加载在微带馈线上。电感串联在微带馈线与天线的输入端中间，电容并连在微带馈线与接地面之间。

3 天线仿真结果分析

采用HFSS运行已经优化了结构的天线模型，分析仿真结果。

3.1 回波损耗分析

选取天线扫频范围为420 MHz～446 MHz，回波损耗S11的仿真结果如图7所示。

由图7知，天线的谐振频段为433 MHz，谐振频点处的回波损耗为-24 dB，在3.4 MHz(431.5 MHz～434.9 MHz)的有效带宽内S11<-10 dB。

3.2 增益分析

天线增益是天线最重要的指标之一。天线在E面和H面各方向上的增益值大小是天线增益特性的主要判断依据。

由图8知，在433 MHz频段上，天线在XZ平面的有效增益曲线较为平稳，出现的最大有效增益值为-4.14 dB；在XY平面的有效增益曲线有较大的波动，出现的最大有效增益为-4.15 dB。

4 结论

通过研究和分析，设计了一种433 MHz小型化螺旋形印刷天线。天线在设计中融合了传统的外置型螺旋天线和单极子蛇形印刷天线的结构特点，采用微带线在介质基片上模仿螺旋天线的走线形式，减小了天线的结构尺寸。此外，无源集总元件的加载确保了天线的小型化，使得天线不需要再通过延长物理长度来降低谐振频率。最终的仿真测试结果表明，天线的性能都满足预期指标。