集成到ZigBee模塊的倒F天線研究

程筱軍

（杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，浙江杭州 310018）

集成到ZigBee模塊的倒F天線研究

程筱軍

（杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，浙江杭州 310018）

隨著無線傳感網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，基于ZigBee協(xié)議的無線抄表系統(tǒng)得到快速發(fā)展。而天線是智能電表終端ZigBee通信模塊中影響傳輸距離重要因素之一。為了滿足電表空間小的環(huán)境需求，設(shè)計(jì)了與ZigBee模塊一體化的IFA(inverted-F antenna)，采用了HFSS軟件進(jìn)行了電磁仿真，用印制板技術(shù)與4層結(jié)構(gòu)的ZigBee模塊集成在PCB上，并與射頻端口實(shí)現(xiàn)良好的匹配，提高天線的發(fā)射效率。測(cè)試結(jié)果表明:設(shè)計(jì)的IFA天線在2.405 GHz到2.483 5 GHz之間S11均小于－10 dB，在2.45 GHz中心頻率下，最大增益達(dá)2 dB以上，天線具有全向性。

智能電表;ZigBee模塊;IFA天線;無線傳感網(wǎng)絡(luò)

0 引言

伴隨著MEMS技術(shù)和無線通訊技術(shù)、傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)控制、軍事生產(chǎn)、生活、醫(yī)療、教育科研中有了更廣泛的應(yīng)用，ZigBee無線通訊技術(shù)具有低功耗、抗干擾能力強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)健壯性好、傳輸距離較近、短時(shí)延、高容量、高安全、免執(zhí)照頻段等優(yōu)越的特點(diǎn)［1-2］，近幾年發(fā)展迅速。然而無線傳感網(wǎng)絡(luò)不僅要求天線具有成本低廉、尺寸小巧及易于匹配等特點(diǎn)，更要求天線適于各類家電間通信的室內(nèi)應(yīng)用環(huán)境，文獻(xiàn)［3-13］表明IFA天線適用于室內(nèi)通信環(huán)境，且IFA天線具有體積小易于匹配等優(yōu)點(diǎn)。本文針對(duì)Zigbee無線通信模塊設(shè)計(jì)了板載IFA天線，對(duì)天線的工作原理及輸入阻抗、方向性等各項(xiàng)性能進(jìn)行研究和分析，通過方案完成了天線的設(shè)計(jì)。測(cè)試表明，天線有良好的性能，并與仿真結(jié)果較為一致。

1 印制IFA天線設(shè)計(jì)

1.1 IFA天線電路特性

由于微帶天線具有體積小，重量輕，低剖面，能和有源器件、電路集成為統(tǒng)一的組件，能夠滿足Zigbee窄頻帶應(yīng)用，而IFA天線由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制作，在實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，故本次微帶天線設(shè)計(jì)采用了IFA天線，并通過HFSS軟件仿真結(jié)合理論分析了各個(gè)參數(shù)對(duì)天線性能的影響，在PCB設(shè)計(jì)時(shí)我們通過0 Ω電阻可以選擇IFA天線或外置其它天線。圖1為IFA天線的基本結(jié)構(gòu):

圖1 IFA天線基本結(jié)構(gòu)

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［4］:

式中S為間距，L為天線水平部分長(zhǎng)度，H為天線高度，k=2π/λ為波數(shù)，設(shè)印制IFA天線的輸入阻抗為ZIFA=RIFA+jXIFA，其中輸入電抗XIFA可以表示為X1與X2的并聯(lián)，即:

當(dāng)忽略損耗時(shí)，天線的輸入電阻即等于其輻射電阻，由文獻(xiàn)［4］給出的IFA天線的輻射電阻可得印制IFA天線的輸入電阻為:RIFA=30(kH)2

當(dāng)天線水平部分的長(zhǎng)度L=λ/4時(shí)，由式(3)可知，天線的輸入電抗為0，天線處于諧振狀態(tài)，即:

代人(4)可得此時(shí)天線的輸入電阻為:

此時(shí)天線的輸入電阻為純電阻，與間距S無關(guān)，只與天線高度H有關(guān)，并隨天線高度H的增加而增加。

間距S的取值通常小于L，故sinkS＞0，coskS＞0，可得RIFA＜R0，XIFA＞0，

即當(dāng)天線水平部分的長(zhǎng)度L增加時(shí)，天線的輸入電阻R0將減小，而天線的輸入電抗XIFA則大于0，使天線呈現(xiàn)電感性。

即當(dāng)天線水平部分的長(zhǎng)度L減小時(shí)，天線的輸入電阻R0將增大，而天線的輸入電抗XIFA則小于0，使天線呈現(xiàn)電容性。

總之，作為天線的諧振部分，天線水平部分長(zhǎng)度L對(duì)天線輸入阻抗的影響最為直接，當(dāng)其增加時(shí)，天線的輸入電阻減小，天線呈感性，反之亦然。通過調(diào)整L，可使天線的輸入阻抗呈純阻性，然后再調(diào)節(jié)天線高度H以使天線的輸入電阻接近50 Ω，即不需任何額外的電路就可完成阻抗匹配。

1.2 IFA天線設(shè)計(jì)

由于印制天線位于空氣與介電板之間，且介電板背面無金屬，因此受板材影響，天線的波長(zhǎng)λ既不能用真空中波長(zhǎng)λ0計(jì)算，也不能按微帶線計(jì)算，而應(yīng)由經(jīng)驗(yàn)公式得出波長(zhǎng)的修正值［14-15］:

與此相對(duì)應(yīng)，天線的3個(gè)參數(shù)L，S，H都會(huì)由于受到電路板材介質(zhì)的影響而相應(yīng)縮短。在2.45 G時(shí)，λ0≈12.2 cm，代入公式6得到 λ≈7.625 cm，故仿真初始值L設(shè)置為19 mm，由于板子寬度尺寸已固定為25 mm×35 mm，因此L部分采用彎折技術(shù)，進(jìn)一步縮小天線尺寸，最終設(shè)計(jì)的天線模型如圖2所示:

圖2 天線模型俯視圖

表1 尺寸參數(shù)對(duì)天線輸入阻抗及諧振頻率的影響

由前面計(jì)算得到PCB天線λ/4長(zhǎng)度為19mm，根據(jù)板子尺寸限制，初步設(shè)定 S1=4.5mm，H1=1.8mm，由HFSS仿真得到各尺寸參數(shù)對(duì)輸入阻抗及諧振頻率點(diǎn)的影響如表1所示:

通過參數(shù)調(diào)整，在 S1=4.5mm，H1=1.8mm，H=6.5mm，S=5mm，W=0.5mm時(shí)，仿真結(jié)果較理想。

2 測(cè)試結(jié)果及分析

圖2的結(jié)構(gòu)及仿真得到的理想尺寸制作并調(diào)試天線，最終得到的天線實(shí)物圖如圖3所示，集成有IFA天線的Zigbee模塊放置在微波暗室中。測(cè)試采用安捷倫公司的E8358A矢網(wǎng)測(cè)試了IFA天線的S11，測(cè)試結(jié)果如圖4所示，微波測(cè)試暗室里測(cè)試了天線在中心頻率2.45 GHz的方向圖及在2.405 GHz-2.483 5 GHz的天線增益等，圖 5(a)，5(b)，5(c)，5(d)分別對(duì)應(yīng)增益-頻率變化趨勢(shì)，天線三維圖測(cè)試及天線的E面、H面測(cè)試結(jié)果。

圖3 IFA天線測(cè)試環(huán)境按裝照

圖4 IFA天線S11測(cè)試結(jié)果

圖5

測(cè)試結(jié)果表明在2.26 GHz-2.51 GHz下dB(S11)均小于 －10 dB，帶寬達(dá)到250 MHz，諧振點(diǎn)在2.43 GHz左右，天線在2.405 GHz-2.483 5 GHz頻帶下，最大增益基本都在2 dB以上，在2.45 GHz下增益達(dá)到2.5 dB，在2.45 GHz時(shí):phi=0 時(shí)，3 dB 帶寬達(dá)到77.65°左右，phi=90時(shí)，3 dB帶寬基本涵蓋整個(gè)面，由于實(shí)際的PCB線路較復(fù)雜，天線模型建立上只能是盡可能的接近模型本身且由于天線測(cè)試時(shí)沒有擺放的很平整，故測(cè)試得到的天線性能不可能像仿真的那么理想化。

3 結(jié)語

設(shè)計(jì)了與ZigBee模塊一體化集成的IFA天線，改善了天線與前端模塊之間的匹配，使得天線性能更加穩(wěn)定，在工作頻段內(nèi)dB(S11)均小于－10 dB。并成功應(yīng)用于無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)。

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The Study for Inverted-F Antenna Integrated with ZigBee Module

CHENG Xiao-jun
(School of Electronic and information，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，China)

With the development of wireless sensor network technology，the wireless meter reading system gets rapid development based on ZigBee protocol.The antenna is one of the most important factors that affect the transmission distance on smart meter terminal ZigBee communication module.For meeting the environment needs of small space，IFA integrated with ZigBee module is designed in this paper，and HFSS software is adopted for electromagnetic simulation，The IFA designed with printed circuit board technology and integrated in the 4 layer structure of the ZigBee module.The IFA achieves good matching with the RF port and improve antenna transmitting efficiency.Measurement results show that the designed IFA has the input reflectivity coefficient S11of less than －10 dB at the frequency between 2.405 GHz to 2.483 5 GHz.The biggest gain is more than 2 dB at the frequency of 2.45 GHz .

smart meter;Zigbee module;IFA antenna

TN820

A

1006－7167(2014)05－0081－03

2014－03－04

程筱軍(1956－)男，浙江杭州人，實(shí)驗(yàn)師，研究方向:機(jī)電一體化等相關(guān)方向。E-mail:cxj@hdu.edu.cn