ZigBee室內定位設備的天線與射頻接口電路設計

劉繼堯，韓鵬霄

（公安部第一研究所 信息技術事業部研發二部，北京 100048）

ZigBee室內定位設備的天線與射頻接口電路設計

劉繼堯，韓鵬霄

（公安部第一研究所 信息技術事業部研發二部，北京 100048）

針對ZigBee室內定位設備對電磁場高效產生和準確測量的要求，分析了室內定位設備中天線與射頻接口電路設計的基本需求，給出了一種倒F型1/4波長單極子PCB板上天線及相應射頻接口的分析設計方法。通過電磁場仿真軟件Ansoft HFSS及射頻電路仿真分析軟件ADS2011對天線進行仿真，得到天線的關鍵參數仿真結果。在實際應用系統中的測試結果證明，天線及其射頻接口能夠較好地支持定位設備與定位算法的工作，且滿足定位節點設備對體積與成本方面的要求。

天線；射頻接口；無線傳感設備；室內定位

在移動互聯網時代，人們對定位與導航的應用需求日益增多，其應用場景也從室外擴展到了室內。尤其在社會公共安全領域，羈押場所監控、取保候審、應急救援等應用場合均對室內定位技術提出了新的需求。

當前室內定位系統有場強定位技術、磁場定位技術、計算機視覺定位技術、信標定位技術等方案。其中場強定位技術是目前發展最成熟，應用最廣泛的技術方案，其基本原理是通過測量電磁場強度來判定定位節點與參考節點的相對位置，進而實現定位。因此，節點的天線及射頻電路設計是保證電磁場高效產生和準確測量的關鍵[1]。

文中提出了一種適用于ZigBee室內定位設備的天線與射頻接口電路設計方案，并對其進行了較為詳盡的仿真測試。

1 應用需求

無線傳感設備的成本、功耗受到嚴格的限制，不能通過增大發射功率的方式增大輻射場強。因此提高天線能量轉換效率，保證有效發射功率和接收靈敏度是提高設備有效工作距離，保證設備性能，降低系統部署成本的關鍵。

根據場強定位原理，定位節點通過場強與距離的對應關系確定與參考節點的相對位置。這樣就要求天線在不同方向具有相同的輻射或接受能力，即天線在各個方向均勻輻射，才能避免因為方向不同而對距離估計產生誤差。

參考節點需要在定位區域大量部署，每一個定位對象也均需要隨身攜帶定位節點設備，這樣就對設備的成本和體積提出了較為嚴格的要求。

2 天線設計

2.1 天線線形選擇

短距離低功耗射頻設備對于天線成本、體積等方面均有嚴格的限制。單極子天線由于其結構簡單，全向輻射，負載和饋電模式靈活多樣等特點，成為最理想的選擇。另外單極子天線使用非平衡饋電點，便于與射頻前端電路連接。常見的波長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是縱向長度大，有效高度不足，不利于安裝使用。 型天線是把鞭狀天線相對于地面彎折成Г形狀，相當于增加了一個頂負載，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Г型結構組成，附加的Г型結構可以方便地調整天線與饋電傳輸線間的匹配，解決了Г型天線輸入阻抗過低的問題[2]。

倒F天線因其結構緊湊、高天線效率、匹配方便、易于設計實現等優點，在移動通信設備和無線傳感設備中得到了廣泛應用[3]。

2.2 天線幾何參數設計

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，采用1.6 mm標準板厚，在2.45 GHz頻率下材料介電常數εr為4.4。由公式（2）可得到有效介電常數 εeff。

其中h為介質版厚度，W為導體線寬。計算可得，在W=2.5 mm左右時，εeff約為3.12。由波長縮短公式可知，導波波長

倒F天線附加的Г型結構bcd用來調整天線和饋電傳輸線的匹配。計算阻抗時，整個倒F天線可以看作由長為L（ab段）的終端開路傳輸線和長為S的終端短路傳輸線（bc段）的并聯。當傳輸線導體線寬W遠小于H時，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：

當忽略損耗時，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：

在理論計算的基礎上，根據仿真結果及實際測試情況對天線尺寸做出微調，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 天線仿真結果

利用三維電磁場仿真軟件Ansoft HFSS對所設計天線的進行建模仿真，得到天線網絡參數如圖2無線網絡參數所示。圖2(a)為輸入端反射系數，表示匹配網絡回波損耗；圖2(b)為天線駐波比；圖2(c)為天線輸入阻抗。

圖2 天線網絡參數Fig.2 Antenna Network Parameters

由Ansoft HFSS仿真得到天線基本參數如表2所示。

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

3 射頻接口電路設計

定位節點設備采用TI公司的CC2530為核心的解決方案，射頻收發器集成在主控芯片中。射頻接口電路設計的主要任務是完成CC2530芯片輸出的差分信號轉換為單端信號，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公司提供的參考設計的基礎上進行了參數仿真和優化，并在天線接口端根據系統需求及節點硬件設計特點進行了重新設計，保證在阻抗匹配、收斂性及電磁兼容性能等方面符合設計需求。

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果Fig.4 Simulation Results of RF Interface

在ADS2011環境下對該設計進行S參數仿真及Z參數仿真，仿真結果如圖4所示。圖4(a)為輸入端到輸出端的正向傳輸系數，表示匹配網絡的插入損耗；圖 為輸入端反射系數，表示匹配網絡回波損耗；圖4(c)為輸入阻抗，圖4(d)為驅動點阻抗，即匹配網絡的輸出阻抗。

仿真結果顯示，匹配網絡正向傳播系數為-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。

定位節點設備其他部分硬件設計參考TI公司的參考設計。

4 實現與測試

為測試天線在實際應用系統中的性能，對工程初樣設備進行了初步測試。測試環境為室內走廊，2個設備作為固定位置的參考節點布置在長度為58m的走廊兩端，1個設備作為定位節點由測試者手持在走廊中勻速往復走動。定位節點廣播發送自身的特征信息數據，參考節點接收并記錄場強信息。測試結果如圖5所示。其中橫軸為時間軸，縱軸為參考節點測得的場強信號RSSI值。

圖5 應用系統測試結果Fig.5 Test Results of Application System

由測試結果可知，傳感網絡通信穩定，無線場強RSSI值穩定且與參考節點到定位節點的距離具有良好的單調關系，說明天線及射頻電路部分設計能夠較好地支持定位設備與定位算法的工作。

5 結論

倒F型PCB板上天線具有體積小、成本低、結構緊湊、高天線效率、匹配方便、易于設計實現等優點，在移動通信設備和無線傳感設備中得到了廣泛應用。本文介紹了一種適用于手持式室內定位設備的倒F型PCB板上天線及其射頻接口電路的分析設計方法，并對天線相關參數及射頻電路的主要參數進行了仿真分析。在實際應用系統中的測試結果證明，天線及射頻電路部分設計能夠較好地支持定位設備與定位算法的工作，且滿足定位節點設備對體積與成本方面的要求。

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Shamir A.Introduction to radio transmission:special terms,indoor transmission,path loss and instances [J].Electronic Products China,2002:26-30.

[2]林昌祿，聶在平.天線工程手冊[M].北京 電子工業出版社，2002.

[3]Caso R，Alessandro A D,Serra A.A compact dual=band PIFA for DVB-T and WLAN applications[J].Antennas and Propagation,IEEE Transactions,2012,60（4）：2084-2087.

[4]FreescaleSemiconductor,CompactIntegrated Antennas Designs and Applications for the MC 13191/92/93[EB/OL].（2004-11）,http://www.freescale.com.

[5]Texas Instruments,CC2530F256 Datasheet[EB/OL]（2011-02）.http://www.ti.com.

[6]韓鵬霄，劉繼堯，張彥.ZigBee室內定位節點關鍵技術研究[J].單片機與嵌入式系統應用，2013(4):25-28.

HAN Peng-xiao,LIU Ji-yao,ZHANG Yan.Indoor positioning node design based on ZigBee[J].Microcontrollers&Embedded Systems,2013(4):25-28.

[7]王利民，吳平，孫旭，等.遠程控制的多路數字延遲脈沖發生器[J].現代應用物理，2013，4（4）：339-342.

WANG Li-min，WU Ping，SUN Xu，etal.A remotely controlled digital pulse generator with multichannel delayed signals[J].Modern Applie Physics，2013，4（4）：339-342

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：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：數字集成電路設計，處理器設計，天線與射頻電路，嵌入式系統，數字防偽技術。