面向森林环境的 2.4 GHz射频信号印制倒 F天线的研制

代智慧,李文彬

(北京林业大学,北京 100083)

目前无线传感器网络应用广泛,在军事、环境、健康、家庭、商业领域等许多方面有着巨大的潜在应用前景[1]。在森林环境信息监测方面也开展了一些应用研究[2,3],本设计的工作环境是森林环境。无线传感器网络节点是组成网络的基本单元,其数据收发单元多采用符合 ZigBee标准的CC2430和 CC2510等频段范围为 2.400～2.484GHz的射频收发芯片,该节点特点是体积小,储能低,通信带宽较窄。天线在无线传感器网络节点中占有重要地位,其结构和性能直接影响着网络节点的尺寸和传输效果。之前的研究中常用单极天线等直接作为收发天线,这样难以发挥出节点的最佳效果,根据无线传感器网络节点、ZigBee标准射频芯片的特点以及森林环境,对于无线天线传播方向和极化方式等有一定要求:其方向图在水平面上应具有全向性、天线的尺寸要小,重量要轻,结构简单紧凑。经国内外研究证明倒 F天线 (invert F antenna,IFA)具备以上特点。

Audun Andersen设计的 2.4 GHz PCB小型天线为当前国际比较前沿的印制倒 F型天线,此设计为适合于 2.4GHz频段德克萨斯州生产的 cc24XX芯片的倒 F天线。本文设计的是一款基于国产cc2430芯片、面向森林这种独特环境的倒 F型天线,在尺寸、结构和性能等方面具有其针对性和独特性。

1 天线原理及设计

印制倒 F型天线结构如图 1所示[4],天线从开路端到接地端的距离为 L+S+H,源距接地点(短路面)的长度为 2H+S;从源到开路面的距离L+H;设计 IFA的思路就是设计出 IFA各段长并进行调整,观察其阻抗变化趋势,使其反射系数在工作频带内尽可能低[5]。倒 F天线尺寸可由以下经验公式得出:

图1 倒 F天线的结构Fig.1.Structure of invert F antenna

2 倒 F天线的仿真及优化

2.1 仿真软件简介

为确保天线设计的精准性,用有效的仿真软件对其前期的研究工作进行仿真计算和对实验结果进行验证是非常重要的。天线的仿真分析方法有MATLAB仿真分析、三维 ADI-FDTD全波分析方法和有限元法等,仿真软件也有 MMANA-GAL、HFSS和 GRASP等。因 Ansoft HFSS可分析仿真任意三维无源结构的高频电磁场,可直接得到特征阻抗、传播常数、S参数及电磁场、辐射场和天线方向图等结果,该软件现在广泛应用于无线和有线通信、计算机、卫星、雷达、半导体和微波集成电路、航空航天等领域,所以本文也将采用基于有限元法的 Ansoft HFSS软件进行天线的仿真设计[8,9]。

2.2 仿真步骤

用 HFSS对微带天线进行设计计算采用以下步骤。

(1)建立天线模型。

(2)创建波端口激励和理想边界。

(3)设置分析参数,解析频率为:2.4 GHz,扫频范围 1.0～3.0 GHz。

(4)用 HFSS进行数值分析计算。

图2 倒 F天线仿真模型Fig.2 Simulation model of invert F antenna

2.3 仿真及优化结果

仿真完后,根据天线回波损耗仿真图和方向仿真图等显示的信息,通过修改天线尺寸、更改扫描频率设置,增加分析的精确率,减小反射系数,提高辐射效率。倒F天线仿真模型如图 2所示。经反复实验,当 L增加 0.06,即天线平面尺寸为 23.06×7.0 mm,同时将扫描频率设置在 2～3 GHz之间,此时效果最好,结果如下。

(1)经过扫频,得到电压驻波比在带内的曲线如图 3所示。

图3 IFA天线回波损耗仿真结果Fig.3 Simulation results of IFA antenna return loss

(2)利用软件的场计算功能可以得到在中心频率时 E面和 H面的方向图,如图 4所示。

回波损耗的仿真结果如图 3所示,该天线在2.44 GHz谐振频率时回波损耗为 -37.16 db,在2.4 GHz时,其回波损耗为 -23.13 db,损耗小,且有良好的阻抗匹配性能。其中虚线处为电压驻波比为 2.0时,即回波损耗为 -9.5 db时,可完全覆盖射频芯片所工作的 ISM频段 2.400～2.484 GHz,大的带宽让天线在碰到塑料或其他物品的时候不会太敏感,稳定性好。从图 4中可以看出改天线在水平面上具有全向性,且该天线可同时接收垂直和水平极化电磁波,完全满足前述的森林环境对天线方向性和极化的要求。

图4 IFA天线仿真方向图Fig.4 Direction diagram of IFA antenna simulation

3 测试与分析

对印制的倒 F天线的测试采用本地分析仪和远程分析仪时钟同步化、拥有高质量测量结果的安捷伦 (Agilent)网络分析仪,以及ETS 3Dchamber测试回波损耗、方向图以及增益和效率。

(1)回波损耗测量结果如图 5所示。

图5 IFA天线回损的测量结果Fig.5 Measurement result of IFA antenna return loss

(2)增益与效率测试结果见表 1。

回波损耗的实测结果如图 5所示,在 2.45 GHz时,其回波损耗为 -19.142 db,虚线处为电压驻波比为 2.0时,回波损耗为 -9.5 db,带宽约为 460 MHz,相对带宽 19%,覆盖了 2.174～2.632 GHz的频率范围。增益与效率实测结果显示:该天线最高辐射效率为 96.06%,最高增益3.25 dbi,实测结果与仿真结果基本吻合,且具有较高的效率,符合设计要求,如图 6所示为该 IFA天线的实物图。

表1 IFA天线性能测试结果表Tab.1 Performance test results of IFA antenna

图6 IFA天线研制实物图Fig.6 Physical diagram of IFA antenna

4 结 论

本文研制出一种结构简单的平面印制倒 F天线,阐述了运用 HFSS仿真 IFA天线的流程,并利用 optimetrics对指标进行优化,取得了满意的结果。同时对研制的平面印制倒 F天线进行了 S参数、增益、方向图和效率测试,实测得到了与仿真结果比较吻合的数据,获得很好的带宽和增益,结果说明了 HFSS软件的可靠性和高效性,该天线可满足在森林环境中信号传输的要求。

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