面向森林環境的 2.4 GHz射頻信號印制倒 F天線的研制

代智慧,李文彬

(北京林業大學,北京 100083)

目前無線傳感器網絡應用廣泛,在軍事、環境、健康、家庭、商業領域等許多方面有著巨大的潛在應用前景[1]。在森林環境信息監測方面也開展了一些應用研究[2,3],本設計的工作環境是森林環境。無線傳感器網絡節點是組成網絡的基本單元,其數據收發單元多采用符合 ZigBee標準的CC2430和 CC2510等頻段范圍為 2.400～2.484GHz的射頻收發芯片,該節點特點是體積小,儲能低,通信帶寬較窄。天線在無線傳感器網絡節點中占有重要地位,其結構和性能直接影響著網絡節點的尺寸和傳輸效果。之前的研究中常用單極天線等直接作為收發天線,這樣難以發揮出節點的最佳效果,根據無線傳感器網絡節點、ZigBee標準射頻芯片的特點以及森林環境,對于無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具有全向性、天線的尺寸要小,重量要輕,結構簡單緊湊。經國內外研究證明倒 F天線 (invert F antenna,IFA)具備以上特點。

Audun Andersen設計的 2.4 GHz PCB小型天線為當前國際比較前沿的印制倒 F型天線,此設計為適合于 2.4GHz頻段德克薩斯州生產的 cc24XX芯片的倒 F天線。本文設計的是一款基于國產cc2430芯片、面向森林這種獨特環境的倒 F型天線,在尺寸、結構和性能等方面具有其針對性和獨特性。

1 天線原理及設計

印制倒 F型天線結構如圖 1所示[4],天線從開路端到接地端的距離為 L+S+H,源距接地點(短路面)的長度為 2H+S;從源到開路面的距離L+H;設計 IFA的思路就是設計出 IFA各段長并進行調整,觀察其阻抗變化趨勢,使其反射系數在工作頻帶內盡可能低[5]。倒 F天線尺寸可由以下經驗公式得出:

圖1 倒 F天線的結構Fig.1.Structure of invert F antenna

2 倒 F天線的仿真及優化

2.1 仿真軟件簡介

為確保天線設計的精準性,用有效的仿真軟件對其前期的研究工作進行仿真計算和對實驗結果進行驗證是非常重要的。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源結構的高頻電磁場,可直接得到特征阻抗、傳播常數、S參數及電磁場、輻射場和天線方向圖等結果,該軟件現在廣泛應用于無線和有線通信、計算機、衛星、雷達、半導體和微波集成電路、航空航天等領域,所以本文也將采用基于有限元法的 Ansoft HFSS軟件進行天線的仿真設計[8,9]。

2.2 仿真步驟

用 HFSS對微帶天線進行設計計算采用以下步驟。

(1)建立天線模型。

(2)創建波端口激勵和理想邊界。

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

(4)用 HFSS進行數值分析計算。

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

2.3 仿真及優化結果

仿真完后,根據天線回波損耗仿真圖和方向仿真圖等顯示的信息,通過修改天線尺寸、更改掃描頻率設置,增加分析的精確率,減小反射系數,提高輻射效率。倒F天線仿真模型如圖 2所示。經反復實驗,當 L增加 0.06,即天線平面尺寸為 23.06×7.0 mm,同時將掃描頻率設置在 2～3 GHz之間,此時效果最好,結果如下。

(1)經過掃頻,得到電壓駐波比在帶內的曲線如圖 3所示。

圖3 IFA天線回波損耗仿真結果Fig.3 Simulation results of IFA antenna return loss

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

回波損耗的仿真結果如圖 3所示,該天線在2.44 GHz諧振頻率時回波損耗為 -37.16 db,在2.4 GHz時,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,即回波損耗為 -9.5 db時,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候不會太敏感,穩定性好。從圖 4中可以看出改天線在水平面上具有全向性,且該天線可同時接收垂直和水平極化電磁波,完全滿足前述的森林環境對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 測試與分析

對印制的倒 F天線的測試采用本地分析儀和遠程分析儀時鐘同步化、擁有高質量測量結果的安捷倫 (Agilent)網絡分析儀,以及ETS 3Dchamber測試回波損耗、方向圖以及增益和效率。

(1)回波損耗測量結果如圖 5所示。

圖5 IFA天線回損的測量結果Fig.5 Measurement result of IFA antenna return loss

(2)增益與效率測試結果見表 1。

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

表1 IFA天線性能測試結果表Tab.1 Performance test results of IFA antenna

圖6 IFA天線研制實物圖Fig.6 Physical diagram of IFA antenna

4 結 論

本文研制出一種結構簡單的平面印制倒 F天線,闡述了運用 HFSS仿真 IFA天線的流程,并利用 optimetrics對指標進行優化,取得了滿意的結果。同時對研制的平面印制倒 F天線進行了 S參數、增益、方向圖和效率測試,實測得到了與仿真結果比較吻合的數據,獲得很好的帶寬和增益,結果說明了 HFSS軟件的可靠性和高效性,該天線可滿足在森林環境中信號傳輸的要求。

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