应用于无线传感网探针馈电天线设计*

纪辛然

(山西工程科技职业大学，山西 晋中 030619)

0 引言

无线传感器网络，是由许多在空间上分布的自动装置组成的一种计算机网络，这些装置使用传感器协作监控不同位置的物理或环境状况(比如温度、声音、振动、压力、运动或污染物)，无线传感器网络的发展最初起源于战场监测等军事应用，而现今无线传感器网络被应用于很多民用领域，如环境与生态监测、健康监护、家庭自动化、以及交通控制等[1]。

目前，无线传感网主要采用Zigbee协议。ZigBee，也称紫蜂，是一种低速短距离传输的无线网上协议，底层是采用IEEE 802.15.4标准规范的媒体访问层与物理层。主要特色有低速、低耗电、低成本、支持大量网上节点、支持多种网上拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。ZigBee技术本质上是一种速率比较低的双向无线网络技术，其由IEEE.802.15.4无线标准开发而来，拥有低复杂度和短距离以及低成本和低功耗等优点。其使用了2.4 GHz频段，这个标准定义了ZigBee技术在IEEE.802.15.4标准媒体上支持的应用服务。

本文通过曲流和矩形开槽技术，缩小了微带天线的尺寸，其核心工作频段为2.4 GHz，适用于无线传感网Zigbee协议需求。天线长2.9 cm，宽2.9 cm，与波导波长比值为0.4，在2.4 GHz频段下，波导波长为7.0 cm。天线具有较好的辐射性能，-10 dB带宽大致覆盖2.38 GHz～2.404 GHz，辐射增益全部高于0 dBi，在工作频段(2.4 GHz)增长为最高值，达到6 dBi。此外采用一个探针馈电，天线尺寸为6.6 mm×6.6 mm，相当于0.165 g×0.165 g(g为2.4 GHz的导波波长)，进一步实现了小型化。

1 天线设计

近年来，共面波导馈电的微带天线在无线领域得到了广泛的应用，宽频带的共面波导馈电天线受到了较多的关注，特别是在微波和毫米波段应用最多；由于平面天线具有厚度低、重量轻，易于安装等优点，越来越受到人们的重视[2]。通常微带贴片天线馈电单元和辐射单元不在同一平面上，需要通过孔洞来连接，这对一般的集成电路是不太容易实现的，而共面波导(CPW)馈电的平面天线辐射单元和馈电单元在同一平面上，且CPW馈电天线存在两种馈电方式：感性耦合和容性耦合，更能满足不同环境对天线的要求，因此CPW馈电天线成为了微小平面天线领域研究的热点。另外，容性耦合的谐振频率比感性耦合要高4 GHz左右，这是两边的缝隙接通的缘故。此外，容性耦合的带宽也比感性藕合的要窄，这是由于容性耦合时，共面波导中心线开路呈容性，而感性耦合时，共面波导中心线短路呈感性，所以容性耦合时整个天线的分布电容要比感性耦合时大，这就引起天线的Q值增加，带宽减小。容性耦合时组合结构天线的带宽比单一结构振子天线都要宽。可以这样理解，当在天线中引入振子时，使得缝隙两边金属的耦合增加，使带宽增加。

1.1 天线结构

本文设计天线采用了微带线馈电，天线尺寸是在2.4 GHz时的导波波长的0.4倍，为了进一步实现小型化，对天线结构采用探针馈电。图1给出的是天线结构。

图1 天线结构

介质板的介电常数为εr=4.4，厚度h=1.6 mm，天线在2.4 GHz的波导波长λg=70 mm天线大小为29 mm×29 mm，是波导波长的0.4倍。部分尺寸为：天线的长和宽为w=l=29 mm，水平缝隙的深度为ws=19 mm，宽度为ls=0.5 mm，垂直缝隙的宽度为wf=3.5 mm，长度为lf=25 mm。仿真结果如图2，图3所示。

图2 天线在2.4 GHz时的回波损耗特性

图2给出了天线在2.4 GHz时的回波损耗特性曲线图，图中显示天线在2.4 GHz频段上回波损耗较小达到了-22 dBi，在S11<-10 dBi时带宽为26 MHz，频率为2.365 GHz-2.391 GHz。

图3 天线增益特性曲线

图3给出了所设计的天线的增益与频率的仿真曲线，在工作频率2.4 GHz的增益为5 dBi，反映了此天线辐射电磁波或接收电磁波的能力还是很强的。

通过图2和图3分别给出的天线回波损耗特性和天线增益曲线，并对天线E面与H面辐射方向进行仿真，可见天线有较好的全向辐射特性，由于在仿真过程中我们默认接地板为无限大，天线背面不能够辐射出信号，而实际的天线接地板为有限的背面也可以辐射信号。

1.2 优化的天线结构

为了对天线结构进行进一步优化，采用了加短路探针和开凹槽的技术来缩小天线的体积，同时采用了探针馈电，天线结构如图4所示。

图4 改进后的天线结构

介质板的介电常数为16.5，厚度2.4 mm，天线在2.4 GHz的波导波长λg=40 mm天线大小为6.6 mm×6.6 mm，是波导波长的0.165倍。图中结构加了三个探针，其中一个用来馈电，另外两个是短路探针，部分尺寸为：ws=4.2 mm，ls=3.9 mm，lp=2.9 mm。仿真结果见图5，图6所示：

图5 天线在2.4GHz时的回波损耗特性

图5给出了天线在2.4 GHz时的回波损耗特性曲线图，图中显示天线在2.4 GHz频段上回波损耗较小达到了-20 dBi，在S11<-10 dBi时带宽为5 MHz，可见随着天线尺寸的减小带宽变窄了。

图6 天线增益特性曲线

图6给出了所设计天线的增益与频率的仿真曲线，在工作频率2.4 GHz的增益为1.07 dBi。

通过图5和图6分别给出的天线回波损耗特性和天线增益特性曲线，并对天线E面和H面辐射方向进行仿真，可见采用探针馈电后天线仍然具有良好的辐射性能。

2 结论

本文通过探针馈电和矩形开槽技术，在保证天线具有良好辐射性能的同时，减小了天线的尺寸，符合无线传感网节点的需求。在工作中心频段2.4 GHz附近，天线辐射增益高于0 dBi，ISM波段驻波比低于2，回波损耗S11<-10 dB对应带宽为5 MHz。本文设计的天线针对无线传感网Zigbee协议和节点需求，在天线带宽、辐射性能和尺寸要求之间进行平衡，具有一定的应用价值。