劉繼堯，韓鵬霄

（公安部第一研究所 信息技術(shù)事業(yè)部研發(fā)二部，北京 100048）

ZigBee室內(nèi)定位設(shè)備的天線與射頻接口電路設(shè)計(jì)

劉繼堯，韓鵬霄

（公安部第一研究所 信息技術(shù)事業(yè)部研發(fā)二部，北京 100048）

針對(duì)ZigBee室內(nèi)定位設(shè)備對(duì)電磁場(chǎng)高效產(chǎn)生和準(zhǔn)確測(cè)量的要求，分析了室內(nèi)定位設(shè)備中天線與射頻接口電路設(shè)計(jì)的基本需求，給出了一種倒F型1/4波長(zhǎng)單極子PCB板上天線及相應(yīng)射頻接口的分析設(shè)計(jì)方法。通過(guò)電磁場(chǎng)仿真軟件Ansoft HFSS及射頻電路仿真分析軟件ADS2011對(duì)天線進(jìn)行仿真，得到天線的關(guān)鍵參數(shù)仿真結(jié)果。在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中的測(cè)試結(jié)果證明，天線及其射頻接口能夠較好地支持定位設(shè)備與定位算法的工作，且滿足定位節(jié)點(diǎn)設(shè)備對(duì)體積與成本方面的要求。

天線；射頻接口；無(wú)線傳感設(shè)備；室內(nèi)定位

在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，人們對(duì)定位與導(dǎo)航的應(yīng)用需求日益增多，其應(yīng)用場(chǎng)景也從室外擴(kuò)展到了室內(nèi)。尤其在社會(huì)公共安全領(lǐng)域，羈押場(chǎng)所監(jiān)控、取保候?qū)?、?yīng)急救援等應(yīng)用場(chǎng)合均對(duì)室內(nèi)定位技術(shù)提出了新的需求。

當(dāng)前室內(nèi)定位系統(tǒng)有場(chǎng)強(qiáng)定位技術(shù)、磁場(chǎng)定位技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)定位技術(shù)、信標(biāo)定位技術(shù)等方案。其中場(chǎng)強(qiáng)定位技術(shù)是目前發(fā)展最成熟，應(yīng)用最廣泛的技術(shù)方案，其基本原理是通過(guò)測(cè)量電磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)判定定位節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)定位。因此，節(jié)點(diǎn)的天線及射頻電路設(shè)計(jì)是保證電磁場(chǎng)高效產(chǎn)生和準(zhǔn)確測(cè)量的關(guān)鍵[1]。

文中提出了一種適用于ZigBee室內(nèi)定位設(shè)備的天線與射頻接口電路設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其進(jìn)行了較為詳盡的仿真測(cè)試。

1 應(yīng)用需求

無(wú)線傳感設(shè)備的成本、功耗受到嚴(yán)格的限制，不能通過(guò)增大發(fā)射功率的方式增大輻射場(chǎng)強(qiáng)。因此提高天線能量轉(zhuǎn)換效率，保證有效發(fā)射功率和接收靈敏度是提高設(shè)備有效工作距離，保證設(shè)備性能，降低系統(tǒng)部署成本的關(guān)鍵。

根據(jù)場(chǎng)強(qiáng)定位原理，定位節(jié)點(diǎn)通過(guò)場(chǎng)強(qiáng)與距離的對(duì)應(yīng)關(guān)系確定與參考節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置。這樣就要求天線在不同方向具有相同的輻射或接受能力，即天線在各個(gè)方向均勻輻射，才能避免因?yàn)榉较虿煌鴮?duì)距離估計(jì)產(chǎn)生誤差。

參考節(jié)點(diǎn)需要在定位區(qū)域大量部署，每一個(gè)定位對(duì)象也均需要隨身攜帶定位節(jié)點(diǎn)設(shè)備，這樣就對(duì)設(shè)備的成本和體積提出了較為嚴(yán)格的要求。

2 天線設(shè)計(jì)

2.1 天線線形選擇

短距離低功耗射頻設(shè)備對(duì)于天線成本、體積等方面均有嚴(yán)格的限制。單極子天線由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，全向輻射，負(fù)載和饋電模式靈活多樣等特點(diǎn)，成為最理想的選擇。另外單極子天線使用非平衡饋電點(diǎn)，便于與射頻前端電路連接。常見(jiàn)的波長(zhǎng)單極子平面天線線性有鞭狀天線、Г型天線、倒F型天線等。

鞭狀天線又叫直立天線，是形狀最簡(jiǎn)單的單極子天線，呈垂直于地平面的直立桿狀。鞭狀天線的主要缺點(diǎn)是縱向長(zhǎng)度大，有效高度不足，不利于安裝使用。 型天線是把鞭狀天線相對(duì)于地面彎折成Г形狀，相當(dāng)于增加了一個(gè)頂負(fù)載，減小了其縱向尺寸。但由于其垂直高度不足，造成其輸入阻抗過(guò)低，不利于傳輸線阻抗匹配。倒F天線由Г型天線的垂直元末端加上一個(gè)Г型結(jié)構(gòu)組成，附加的Г型結(jié)構(gòu)可以方便地調(diào)整天線與饋電傳輸線間的匹配，解決了Г型天線輸入阻抗過(guò)低的問(wèn)題[2]。

倒F天線因其結(jié)構(gòu)緊湊、高天線效率、匹配方便、易于設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，在移動(dòng)通信設(shè)備和無(wú)線傳感設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用[3]。

2.2 天線幾何參數(shù)設(shè)計(jì)

倒F天線線型如圖1所示[4]。

圖1 倒F天線Fig.1 PIFA Antenna

PCB基板為FR4材質(zhì)，采用1.6 mm標(biāo)準(zhǔn)板厚，在2.45 GHz頻率下材料介電常數(shù)εr為4.4。由公式（2）可得到有效介電常數(shù) εeff。

其中h為介質(zhì)版厚度，W為導(dǎo)體線寬。計(jì)算可得，在W=2.5 mm左右時(shí)，εeff約為3.12。由波長(zhǎng)縮短公式可知，導(dǎo)波波長(zhǎng)

倒F天線附加的Г型結(jié)構(gòu)bcd用來(lái)調(diào)整天線和饋電傳輸線的匹配。計(jì)算阻抗時(shí)，整個(gè)倒F天線可以看作由長(zhǎng)為L(zhǎng)（ab段）的終端開路傳輸線和長(zhǎng)為S的終端短路傳輸線（bc段）的并聯(lián)。當(dāng)傳輸線導(dǎo)體線寬W遠(yuǎn)小于H時(shí)，傳輸線的特性阻抗可以表示為：

公式中d為微帶線厚度，ξ0=120π為空氣中的波阻抗。

由傳輸線理論可知終端短路和終端開路傳輸線的輸入電抗分別為：

當(dāng)忽略損耗時(shí)，天線輸入電阻即等于其輻射電阻。倒F型天線的輻射電阻為：

在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，根據(jù)仿真結(jié)果及實(shí)際測(cè)試情況對(duì)天線尺寸做出微調(diào)，最終得到天線尺寸如表1所示。

表1 天線尺寸Tob.1 Dimensions of the antenna

2.3 天線仿真結(jié)果

利用三維電磁場(chǎng)仿真軟件Ansoft HFSS對(duì)所設(shè)計(jì)天線的進(jìn)行建模仿真，得到天線網(wǎng)絡(luò)參數(shù)如圖2無(wú)線網(wǎng)絡(luò)參數(shù)所示。圖2(a)為輸入端反射系數(shù)，表示匹配網(wǎng)絡(luò)回波損耗；圖2(b)為天線駐波比；圖2(c)為天線輸入阻抗。

圖2 天線網(wǎng)絡(luò)參數(shù)Fig.2 Antenna Network Parameters

由Ansoft HFSS仿真得到天線基本參數(shù)如表2所示。

表2 天線主要參數(shù)Tab.2 Key Parameters of the antenna

3 射頻接口電路設(shè)計(jì)

定位節(jié)點(diǎn)設(shè)備采用TI公司的CC2530為核心的解決方案，射頻收發(fā)器集成在主控芯片中。射頻接口電路設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是完成CC2530芯片輸出的差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)，并完成69+j29 Ω到天線輸入阻抗的匹配[5]。

射頻接口電路在TI公司提供的參考設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了參數(shù)仿真和優(yōu)化，并在天線接口端根據(jù)系統(tǒng)需求及節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，保證在阻抗匹配、收斂性及電磁兼容性能等方面符合設(shè)計(jì)需求。

射頻接口電路原理圖如圖3所示[6]，其中，Term2為50 Ω天線接口，Term1與 Term3及 Balun器件CMP1是模擬CC2530射頻輸出端的虛擬器件。

圖3 射頻前端電路原理圖Fig.3 RF interface Schematic

圖4 射頻前端電路仿真結(jié)果Fig.4 Simulation Results of RF Interface

在ADS2011環(huán)境下對(duì)該設(shè)計(jì)進(jìn)行S參數(shù)仿真及Z參數(shù)仿真，仿真結(jié)果如圖4所示。圖4(a)為輸入端到輸出端的正向傳輸系數(shù)，表示匹配網(wǎng)絡(luò)的插入損耗；圖 為輸入端反射系數(shù)，表示匹配網(wǎng)絡(luò)回波損耗；圖4(c)為輸入阻抗，圖4(d)為驅(qū)動(dòng)點(diǎn)阻抗，即匹配網(wǎng)絡(luò)的輸出阻抗。

仿真結(jié)果顯示，匹配網(wǎng)絡(luò)正向傳播系數(shù)為-0.685 dB，插入損耗小于0.076；回波損耗為-22.733 dB，小于 0.073；輸入阻抗為 69.181-j28.839 Ω，輸出阻抗為 41.665-j20.508 Ω。

定位節(jié)點(diǎn)設(shè)備其他部分硬件設(shè)計(jì)參考TI公司的參考設(shè)計(jì)。

4 實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

為測(cè)試天線在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中的性能，對(duì)工程初樣設(shè)備進(jìn)行了初步測(cè)試。測(cè)試環(huán)境為室內(nèi)走廊，2個(gè)設(shè)備作為固定位置的參考節(jié)點(diǎn)布置在長(zhǎng)度為58m的走廊兩端，1個(gè)設(shè)備作為定位節(jié)點(diǎn)由測(cè)試者手持在走廊中勻速往復(fù)走動(dòng)。定位節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)送自身的特征信息數(shù)據(jù)，參考節(jié)點(diǎn)接收并記錄場(chǎng)強(qiáng)信息。測(cè)試結(jié)果如圖5所示。其中橫軸為時(shí)間軸，縱軸為參考節(jié)點(diǎn)測(cè)得的場(chǎng)強(qiáng)信號(hào)RSSI值。

圖5 應(yīng)用系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果Fig.5 Test Results of Application System

由測(cè)試結(jié)果可知，傳感網(wǎng)絡(luò)通信穩(wěn)定，無(wú)線場(chǎng)強(qiáng)RSSI值穩(wěn)定且與參考節(jié)點(diǎn)到定位節(jié)點(diǎn)的距離具有良好的單調(diào)關(guān)系，說(shuō)明天線及射頻電路部分設(shè)計(jì)能夠較好地支持定位設(shè)備與定位算法的工作。

5 結(jié)論

倒F型PCB板上天線具有體積小、成本低、結(jié)構(gòu)緊湊、高天線效率、匹配方便、易于設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，在移動(dòng)通信設(shè)備和無(wú)線傳感設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。本文介紹了一種適用于手持式室內(nèi)定位設(shè)備的倒F型PCB板上天線及其射頻接口電路的分析設(shè)計(jì)方法，并對(duì)天線相關(guān)參數(shù)及射頻電路的主要參數(shù)進(jìn)行了仿真分析。在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中的測(cè)試結(jié)果證明，天線及射頻電路部分設(shè)計(jì)能夠較好地支持定位設(shè)備與定位算法的工作，且滿足定位節(jié)點(diǎn)設(shè)備對(duì)體積與成本方面的要求。

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An antenna and RF interface design for ZigBee mobile location devices

LIU Ji-yao,HAN Peng-xiao
（Second R&D Section of Information Technology Department,the First Research Institute of the Ministry of Public Security of PRC,Beijing 100048,China）

According to the high requirement of mobile location devices thatelectromagnetic field should be generated efficiently and measured accurately,in this paper,basic requirements of antenna and RF interface design are analyzed and a design of a PIFA quarter wave monopole PCB onboard antennaand its RF interface is proposed.The key parameters of the PIFA antenna is presented in the simulation results carried out by Ansoft HFSS and ADS2011.Employed in practical application system,the antenna thoroughly meets the performance,size and cost requirements.

antenna;RF interface;wireless sensing device;indoor positioning

TN82

A

1674-6236（2014）13-0100-04

2013-08-21 稿件編號(hào)：201308147

劉繼堯（1985—），男，山東日照人，碩士研究生，助理工程師。研究方向：數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)，處理器設(shè)計(jì)，天線與射頻電路，嵌入式系統(tǒng)，數(shù)字防偽技術(shù)。