農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)微帶天線技術(shù)

李 雪，文 燕，鄒承俊，尹華國

（成都農(nóng)業(yè)科技職業(yè)學(xué)院，四川 成都 611130）

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是支撐農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)信息獲取與傳輸?shù)暮诵某休d體。農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的傳遞需要通過無線設(shè)備進行無線電信號的收發(fā)。作為物聯(lián)網(wǎng)通信的重要技術(shù)之一，ZigBee短距離無線通信技術(shù)由于其通用、廉價、網(wǎng)絡(luò)自組織等特點，被廣泛應(yīng)用于智能農(nóng)業(yè)、智能電網(wǎng)、智能家居等物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點[1-4]。當(dāng)前，ZigBee依然面臨著增加網(wǎng)絡(luò)節(jié)點作用距離、提升鏈路信號質(zhì)量、降低功耗、集成小型化等工程設(shè)計問題[2]。而天線作為無線通信系統(tǒng)射頻能量發(fā)射與接收的核心器件，形成了無線信號收發(fā)的唯一空中接口，直接制約著無線通信的作用距離與能效，研究Zigbee天線[3-4]對提升ZigBee通信系統(tǒng)性能具有重要的意義。

在微帶天線的領(lǐng)域中，因其優(yōu)點多，適用范圍廣，低成本，易于與其他設(shè)備集成而廣泛應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)[1-5]。

1 傳統(tǒng)微帶

微帶天線具有低剖面、易于集成小型化等優(yōu)勢[5-8]，在Zigbee等無線通信系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。雖然微帶貼片天線技術(shù)成熟、易于設(shè)計，但是其尺寸較大、帶寬窄。傳統(tǒng)微帶貼片天線如圖1所示，結(jié)構(gòu)上天線在介質(zhì)基板上承載饋線及矩形貼片，并具有完整的接地面。在圖1所標(biāo)識的參數(shù)下，采用8mm厚的F4B-2板材（相對介電常數(shù)εr=2.65、損耗正切角tanθ=0.001）可通過全波電磁仿真得到其散射參數(shù)|S11|如圖2所示。該天線工作于2.44GHz，-10dB帶寬約為 20MHz，整體尺寸為 50mm×80mm×0.8mm。在特定工作頻率下，微帶貼片天線的尺寸與基板介電常數(shù)及磁導(dǎo)率呈反比。由于傳統(tǒng)微帶貼片天線不具備更多的設(shè)計自由度，可通過增大基板介電常數(shù)及磁導(dǎo)率來降低尺寸。論文[9]采用傳統(tǒng)微帶貼片結(jié)構(gòu)，利用新型陶瓷介質(zhì)作為襯底來降低天線尺寸，但如果使用陶瓷材料又提高了天線成本。同時傳統(tǒng)微帶結(jié)構(gòu)在頻率調(diào)諧與阻抗匹配方面難以兼顧，限制了這種天線結(jié)構(gòu)在工程中的應(yīng)用。論文[10-12]采用微帶復(fù)合左右手傳輸線結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)天線小型化，但是其諧振特性依賴于多個結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計復(fù)雜。同時，ZigBee在2.4GHz頻段具有多個工作頻帶可選，雖然微帶天線-10dB帶寬一般能覆蓋上述頻段，但是僅有諧振頻率處性能最優(yōu)。

圖1 傳統(tǒng)微帶貼片天線

圖2 工作于2.44GHz的微帶天線散射參數(shù)特性

同時，和手持設(shè)備中天線受人體負載效應(yīng)影響一樣，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景存在大量動植物及農(nóng)業(yè)設(shè)備等形成的復(fù)雜電磁環(huán)境，給農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)天線阻抗匹配、諧振頻率的穩(wěn)定帶來了挑戰(zhàn)[13]。

2 調(diào)諧與阻抗匹配

在農(nóng)業(yè)場景的應(yīng)用當(dāng)中，天線與周圍物體距離較近，其負載調(diào)制效應(yīng)使天線失諧、失配，面對復(fù)雜多樣的場景，在設(shè)計過程中需要微帶天線方案具有阻抗匹配調(diào)節(jié)、諧振頻率調(diào)諧的能力。論文[14]所提出的一種雙面微帶天線結(jié)構(gòu)如圖3所示，其天線包括頂層和底層金屬結(jié)構(gòu)，襯底采用0.8mm厚的F4B-2高頻基板，基板相對介電常數(shù)εr=2.65、損耗正切角tanθ=0.001。其原理是天線頂層與底層之間的金屬貼片形成輻射結(jié)構(gòu)的饋電激勵。天線的表面電流密度主要集中在下層的彎折線上，通過底層金屬彎折接地增大諧振回路電長度，從而降低天線尺寸。該天線實現(xiàn)了諧振頻率及阻抗匹配調(diào)控，并且比傳統(tǒng)微帶貼片天線結(jié)構(gòu)降低了整體尺寸，同時具有諧振頻率與阻抗匹配易于調(diào)控的特性。易于設(shè)計，滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用針對于不同頻段進行定制優(yōu)化的需求。

圖3 具有諧振頻率及阻抗匹配調(diào)控功能的微帶天線

圖上天線是通過改變上貼片與下貼片邊長的大小來調(diào)節(jié)諧振頻率和阻抗匹配的結(jié)果，因此在設(shè)計天線時，可以考慮在傳統(tǒng)微帶天線的基礎(chǔ)上通過改變部分結(jié)構(gòu)，甚至通過引入調(diào)諧電路[14-15]，來影響天線的諧振回路表面電流的分布，從而實現(xiàn)影響天線的阻抗匹配和諧振頻率的可調(diào)諧。

3 新型人工電磁材料實現(xiàn)小型化

新型人工電磁材料本身所蘊含的機理特性，在電磁波方面有特殊的響應(yīng)，有效介電常數(shù)和有效磁導(dǎo)率可控，而復(fù)合左右手傳輸線（CRLH）是其中的一種。利用CRLH傳輸線的零相移特性可使零階諧振天線頻率只由并聯(lián)諧振回路決定，而和天線尺寸大小無關(guān)。由此CRLH的諧振回路可以實現(xiàn)天線的小型化。在文獻[16]中提出的天線就是利用CRLH傳輸線的諧振單元來實現(xiàn)天線的寬帶小型化。在文獻[17]中同理利用負介電常數(shù)傳輸線的理論設(shè)計了一種新型的小型化零階諧振天線，實現(xiàn)了天線的小型化。

4 結(jié) 語

由于要滿足農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)復(fù)雜的應(yīng)用場景，在天線的設(shè)計上就要求滿足小型化、阻抗匹配好等需求。本文在研究了傳統(tǒng)微帶天線的制作方法、天線特征及優(yōu)劣勢的基礎(chǔ)上，結(jié)合文獻重點分析了天線的阻抗匹配和諧振頻率調(diào)諧的方法；并結(jié)合CRLH傳輸線天線小型化的幾個案例，來說明新型人工電磁材料在天線小型化的設(shè)計上是行之有效的。面向農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求，從新設(shè)計、新方法當(dāng)中更好地尋求解決天線設(shè)計的一些問題，以求獲得帶寬較寬、高增益、小型化的高性能物聯(lián)網(wǎng)天線。