代智慧,李文彬

(北京林業(yè)大學(xué),北京 100083)

目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用廣泛,在軍事、環(huán)境、健康、家庭、商業(yè)領(lǐng)域等許多方面有著巨大的潛在應(yīng)用前景[1]。在森林環(huán)境信息監(jiān)測(cè)方面也開(kāi)展了一些應(yīng)用研究[2,3],本設(shè)計(jì)的工作環(huán)境是森林環(huán)境。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是組成網(wǎng)絡(luò)的基本單元,其數(shù)據(jù)收發(fā)單元多采用符合 ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的CC2430和 CC2510等頻段范圍為 2.400～2.484GHz的射頻收發(fā)芯片,該節(jié)點(diǎn)特點(diǎn)是體積小,儲(chǔ)能低,通信帶寬較窄。天線在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中占有重要地位,其結(jié)構(gòu)和性能直接影響著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的尺寸和傳輸效果。之前的研究中常用單極天線等直接作為收發(fā)天線,這樣難以發(fā)揮出節(jié)點(diǎn)的最佳效果,根據(jù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、ZigBee標(biāo)準(zhǔn)射頻芯片的特點(diǎn)以及森林環(huán)境,對(duì)于無(wú)線天線傳播方向和極化方式等有一定要求:其方向圖在水平面上應(yīng)具有全向性、天線的尺寸要小,重量要輕,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。經(jīng)國(guó)內(nèi)外研究證明倒 F天線 (invert F antenna,IFA)具備以上特點(diǎn)。

Audun Andersen設(shè)計(jì)的 2.4 GHz PCB小型天線為當(dāng)前國(guó)際比較前沿的印制倒 F型天線,此設(shè)計(jì)為適合于 2.4GHz頻段德克薩斯州生產(chǎn)的 cc24XX芯片的倒 F天線。本文設(shè)計(jì)的是一款基于國(guó)產(chǎn)cc2430芯片、面向森林這種獨(dú)特環(huán)境的倒 F型天線,在尺寸、結(jié)構(gòu)和性能等方面具有其針對(duì)性和獨(dú)特性。

1 天線原理及設(shè)計(jì)

印制倒 F型天線結(jié)構(gòu)如圖 1所示[4],天線從開(kāi)路端到接地端的距離為 L+S+H,源距接地點(diǎn)(短路面)的長(zhǎng)度為 2H+S;從源到開(kāi)路面的距離L+H;設(shè)計(jì) IFA的思路就是設(shè)計(jì)出 IFA各段長(zhǎng)并進(jìn)行調(diào)整,觀察其阻抗變化趨勢(shì),使其反射系數(shù)在工作頻帶內(nèi)盡可能低[5]。倒 F天線尺寸可由以下經(jīng)驗(yàn)公式得出:

圖1 倒 F天線的結(jié)構(gòu)Fig.1.Structure of invert F antenna

2 倒 F天線的仿真及優(yōu)化

2.1 仿真軟件簡(jiǎn)介

為確保天線設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)性,用有效的仿真軟件對(duì)其前期的研究工作進(jìn)行仿真計(jì)算和對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證是非常重要的。天線的仿真分析方法有MATLAB仿真分析、三維 ADI-FDTD全波分析方法和有限元法等,仿真軟件也有 MMANA-GAL、HFSS和 GRASP等。因 Ansoft HFSS可分析仿真任意三維無(wú)源結(jié)構(gòu)的高頻電磁場(chǎng),可直接得到特征阻抗、傳播常數(shù)、S參數(shù)及電磁場(chǎng)、輻射場(chǎng)和天線方向圖等結(jié)果,該軟件現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于無(wú)線和有線通信、計(jì)算機(jī)、衛(wèi)星、雷達(dá)、半導(dǎo)體和微波集成電路、航空航天等領(lǐng)域,所以本文也將采用基于有限元法的 Ansoft HFSS軟件進(jìn)行天線的仿真設(shè)計(jì)[8,9]。

2.2 仿真步驟

用 HFSS對(duì)微帶天線進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算采用以下步驟。

(1)建立天線模型。

(2)創(chuàng)建波端口激勵(lì)和理想邊界。

(3)設(shè)置分析參數(shù),解析頻率為:2.4 GHz,掃頻范圍 1.0～3.0 GHz。

(4)用 HFSS進(jìn)行數(shù)值分析計(jì)算。

圖2 倒 F天線仿真模型Fig.2 Simulation model of invert F antenna

2.3 仿真及優(yōu)化結(jié)果

仿真完后,根據(jù)天線回波損耗仿真圖和方向仿真圖等顯示的信息,通過(guò)修改天線尺寸、更改掃描頻率設(shè)置,增加分析的精確率,減小反射系數(shù),提高輻射效率。倒F天線仿真模型如圖 2所示。經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn),當(dāng) L增加 0.06,即天線平面尺寸為 23.06×7.0 mm,同時(shí)將掃描頻率設(shè)置在 2～3 GHz之間,此時(shí)效果最好,結(jié)果如下。

(1)經(jīng)過(guò)掃頻,得到電壓駐波比在帶內(nèi)的曲線如圖 3所示。

圖3 IFA天線回波損耗仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of IFA antenna return loss

(2)利用軟件的場(chǎng)計(jì)算功能可以得到在中心頻率時(shí) E面和 H面的方向圖,如圖 4所示。

回波損耗的仿真結(jié)果如圖 3所示,該天線在2.44 GHz諧振頻率時(shí)回波損耗為 -37.16 db,在2.4 GHz時(shí),其回波損耗為 -23.13 db,損耗小,且有良好的阻抗匹配性能。其中虛線處為電壓駐波比為 2.0時(shí),即回波損耗為 -9.5 db時(shí),可完全覆蓋射頻芯片所工作的 ISM頻段 2.400～2.484 GHz,大的帶寬讓天線在碰到塑料或其他物品的時(shí)候不會(huì)太敏感,穩(wěn)定性好。從圖 4中可以看出改天線在水平面上具有全向性,且該天線可同時(shí)接收垂直和水平極化電磁波,完全滿足前述的森林環(huán)境對(duì)天線方向性和極化的要求。

圖4 IFA天線仿真方向圖Fig.4 Direction diagram of IFA antenna simulation

3 測(cè)試與分析

對(duì)印制的倒 F天線的測(cè)試采用本地分析儀和遠(yuǎn)程分析儀時(shí)鐘同步化、擁有高質(zhì)量測(cè)量結(jié)果的安捷倫 (Agilent)網(wǎng)絡(luò)分析儀,以及ETS 3Dchamber測(cè)試回波損耗、方向圖以及增益和效率。

(1)回波損耗測(cè)量結(jié)果如圖 5所示。

圖5 IFA天線回?fù)p的測(cè)量結(jié)果Fig.5 Measurement result of IFA antenna return loss

(2)增益與效率測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表 1。

回波損耗的實(shí)測(cè)結(jié)果如圖 5所示,在 2.45 GHz時(shí),其回波損耗為 -19.142 db,虛線處為電壓駐波比為 2.0時(shí),回波損耗為 -9.5 db,帶寬約為 460 MHz,相對(duì)帶寬 19%,覆蓋了 2.174～2.632 GHz的頻率范圍。增益與效率實(shí)測(cè)結(jié)果顯示:該天線最高輻射效率為 96.06%,最高增益3.25 dbi,實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合,且具有較高的效率,符合設(shè)計(jì)要求,如圖 6所示為該 IFA天線的實(shí)物圖。

表1 IFA天線性能測(cè)試結(jié)果表Tab.1 Performance test results of IFA antenna

圖6 IFA天線研制實(shí)物圖Fig.6 Physical diagram of IFA antenna

4 結(jié) 論

本文研制出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的平面印制倒 F天線,闡述了運(yùn)用 HFSS仿真 IFA天線的流程,并利用 optimetrics對(duì)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化,取得了滿意的結(jié)果。同時(shí)對(duì)研制的平面印制倒 F天線進(jìn)行了 S參數(shù)、增益、方向圖和效率測(cè)試,實(shí)測(cè)得到了與仿真結(jié)果比較吻合的數(shù)據(jù),獲得很好的帶寬和增益,結(jié)果說(shuō)明了 HFSS軟件的可靠性和高效性,該天線可滿足在森林環(huán)境中信號(hào)傳輸?shù)囊蟆?/p>

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