無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)近場(chǎng)信號(hào)測(cè)量可調(diào)探頭設(shè)計(jì)*

宋 濤, 安笑雨, 王蒙軍, 徐曉輝

(河北工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,天津 300401)

0 引 言

隨著無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)和窄帶物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展,多頻段的無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)應(yīng)用越來(lái)越多[1],常用的無(wú)線(xiàn)通信有315 MHz的無(wú)線(xiàn)透?jìng)?800 MHz/1.8 GHz的手機(jī)通信,2.4 GHz的藍(lán)牙或路由器通信,在各種無(wú)線(xiàn)模塊的通信調(diào)試過(guò)程中,無(wú)線(xiàn)信號(hào)的頻率,信號(hào)強(qiáng)度等參數(shù)是衡量信號(hào)質(zhì)量的關(guān)鍵因素[2],研制寬頻帶、高增益、低成本的無(wú)線(xiàn)信號(hào)探頭成為無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域一個(gè)重要的發(fā)展方向。目前常用的近場(chǎng)無(wú)線(xiàn)信號(hào)探頭大部分為進(jìn)口產(chǎn)品,其價(jià)格昂貴,帶寬有限且易受到干擾,如來(lái)自電源線(xiàn)的高頻諧波干擾[3]。為了提高近場(chǎng)無(wú)線(xiàn)信號(hào)測(cè)量裝置的靈敏度、增加測(cè)量的帶寬,很多研究者提出或發(fā)明了自己的近場(chǎng)探頭方案。

本設(shè)計(jì)提出一種基于4層印制電路板(printed circuit board,PCB)的無(wú)線(xiàn)信號(hào)探頭,受倒F天線(xiàn)(inverted F antenna,IFA)的啟發(fā),饋電點(diǎn)處于不同位置會(huì)導(dǎo)致諧振頻率有著顯著的差異,傳統(tǒng)IFA的第一個(gè)交叉臂連接在覆銅板的地,第二個(gè)交叉臂作為饋線(xiàn)來(lái)傳輸信號(hào),在垂直臂上可以感應(yīng)到空間電磁輻射[4]。當(dāng)饋電點(diǎn)設(shè)置在垂直臂的末端時(shí),雙橫臂結(jié)構(gòu)中存在折彎和T型連接,不同傳輸線(xiàn)段的等效電路和諧振頻率會(huì)發(fā)生變化,當(dāng)帶狀線(xiàn)嵌入表面覆銅的四層PCB,其IFA的參數(shù)完全不同。

改變IFA帶狀線(xiàn)的饋點(diǎn)位置之后,原始計(jì)算諧振頻率的公式不再適用,諧振頻率會(huì)受到一些其他因素的影響,例如帶狀線(xiàn)的形狀、傳輸線(xiàn)嵌入PCB的深度、覆銅板的接地位置和外加貼片電容的參數(shù),本設(shè)計(jì)針對(duì)無(wú)線(xiàn)探頭的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、PCB參數(shù)和結(jié)構(gòu),利用CSTMWS(Computer Simulation Technology Microwave Studio)軟件進(jìn)行了建模仿真,力求獲得最優(yōu)的探頭設(shè)計(jì)參數(shù),在PCB探頭設(shè)計(jì)并制作完成后,添加調(diào)整電路將探頭的諧振頻率點(diǎn)調(diào)整到探測(cè)需要的頻率點(diǎn)附近。

考慮到實(shí)際諧振頻率調(diào)整電路中需要添加可變電容,以獲得一定范圍內(nèi)可變的諧振頻率點(diǎn)[5],而可變電容一般利用變?nèi)荻O管施加電壓來(lái)實(shí)現(xiàn),外部電源的引入又會(huì)或多或少地增加外部串?dāng)_,本設(shè)計(jì)采用柔性光纖導(dǎo)入激光為探頭提供電能,探頭和電源之間沒(méi)有電纜連接,可有效減少外部電源對(duì)近場(chǎng)無(wú)線(xiàn)信號(hào)探測(cè)的干擾[6],通過(guò)調(diào)節(jié)激光功率可間接接調(diào)節(jié)探頭上的電容二極管供電電壓,從而改變探頭的整體電容值,以達(dá)到調(diào)節(jié)諧振頻率點(diǎn)的目的。

1 仿真設(shè)計(jì)與探頭制作

為了獲得預(yù)期的諧振頻率,用CST MWS軟件對(duì)無(wú)線(xiàn)探測(cè)探頭進(jìn)行了建模和制作,主要工作如下：

1)以四層PCB作為探頭主題,在中間一層中嵌入F形狀的傳輸線(xiàn)作為無(wú)線(xiàn)信號(hào)感應(yīng)天線(xiàn),調(diào)整F型傳輸線(xiàn)各線(xiàn)段的長(zhǎng)度和寬度,使得仿真出的諧振頻率點(diǎn)大于目標(biāo)值,以便于后續(xù)添加外部調(diào)整電路后,諧振頻率點(diǎn)會(huì)變小。

2)制作實(shí)際PCB并進(jìn)行S11測(cè)試,與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,根據(jù)對(duì)比結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化探測(cè)探頭內(nèi)部F型傳輸線(xiàn)參數(shù)。

3)在制作的四層PCB上添加激光供電調(diào)整電路,將諧振頻率點(diǎn)調(diào)整到目標(biāo)諧振頻率點(diǎn)附近。

圖1 F型探測(cè)天線(xiàn)結(jié)構(gòu)

在CST仿真建模中,選用FR-4材料模擬PCB,其材料介電常數(shù)為4.5,選擇IFA垂直臂的末端作為探測(cè)天線(xiàn)的信號(hào)饋入點(diǎn)?？紤]到標(biāo)準(zhǔn)厚度為1.6 mm的四層PCB兩個(gè)中間層距離表面均為0.2 mm,仿真模型將帶狀線(xiàn)嵌入PCB的一個(gè)內(nèi)層,距離兩個(gè)表面的距離分別為0.2 mm和1.4 mm,信號(hào)傳輸線(xiàn)的厚度為0.035 mm,因?yàn)槭乔度氲絇CB中,所以PCB基板的整體厚度還是1.6 mm。對(duì)于無(wú)線(xiàn)信號(hào)的近場(chǎng)探測(cè)而言,其結(jié)構(gòu)尺寸越小越好。如圖1所示,CST中的仿真尺寸為6 mm×2.8 mm,兩個(gè)橫臂間距3 mm,橫臂線(xiàn)寬0.15 mm,傳輸線(xiàn)寬度0.3 mm,仿真所得的輸入反射系數(shù)S11如圖2所示。

圖2 F型探測(cè)天線(xiàn)仿真S11曲線(xiàn)

如果在帶狀線(xiàn)和覆銅板接地點(diǎn)之間添加貼片電容,根據(jù)諧振頻率公式

(1)

在整體等效電容顯著增加時(shí),諧振頻率將明顯變小,因此圖2中的諧振頻率點(diǎn)會(huì)向左偏移,在傳輸線(xiàn)和電源地之間,加入主電容C1和微調(diào)電容C2,如圖3所示,C1的電容值比較大,主要作用是將制作出來(lái)的實(shí)際PCB探頭的諧振頻率點(diǎn)調(diào)整到設(shè)計(jì)的目標(biāo)頻率點(diǎn)附近,其數(shù)值是固定的,選取合適的貼片電容焊接即可。C2是變?nèi)荻O管,配合外加可變直流電壓,可以使探頭的實(shí)際諧振頻率點(diǎn)有一個(gè)可涵蓋目標(biāo)頻率的調(diào)節(jié)范圍,從而獲得比較優(yōu)異的探測(cè)性能。

對(duì)于整個(gè)F型探測(cè)天線(xiàn),其橫臂、豎臂、傳輸線(xiàn)、直角轉(zhuǎn)彎和T型連接分別對(duì)應(yīng)不同的電路形式,除了調(diào)整電容外,在探測(cè)天線(xiàn)末端還要加入隔直流電容C3和匹配電阻R2,隔直流電阻C3選取高低頻信號(hào)均可通過(guò)的電容數(shù)值,匹配電阻可根據(jù)探測(cè)探頭的整體輸出阻抗和50 Ω匹配法則來(lái)確定。

實(shí)際制作的PCB探測(cè)探頭分為三部分,頂部的F型內(nèi)嵌傳輸線(xiàn)、頻率調(diào)整電路和光纖激光供電電路,如圖4所示,光纖激光供電電路由10個(gè)串聯(lián)硅光電池和導(dǎo)光光纖固定槽構(gòu)成[7],在可變功率激光條件下可提供0～2 V穩(wěn)定直流電壓輸出。R1是用于限制從電源到帶狀線(xiàn)的電流,阻值為510 Ω。

圖4 PCB探測(cè)探頭實(shí)物

2 測(cè)量結(jié)果

將制作的PCB探測(cè)探頭連接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果表明實(shí)測(cè)S11有三個(gè)以上的諧振頻率點(diǎn),與CST仿真曲線(xiàn)相比,其主要諧振頻率點(diǎn)4.6 GHz基本吻合,如圖5所示。由于焊接到PCB信號(hào)饋點(diǎn)的SMA端子延長(zhǎng)線(xiàn)匹配和PCB實(shí)際電路中的過(guò)孔等問(wèn)題,導(dǎo)致實(shí)際測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)一些不可預(yù)測(cè)的頻率點(diǎn)[8]。

圖5 未焊接組件之前帶狀線(xiàn)的S11曲線(xiàn)

焊接頻率調(diào)整電路和光纖激光供電電路后,選擇參數(shù)為250 mW和650 nm可調(diào)激光源作為能量供應(yīng)。圖6顯示了整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)。

圖6 實(shí)際測(cè)試

測(cè)試結(jié)果表明電容C1對(duì)諧振頻率具有顯著影響,最終選擇使用86 nF貼片電容,C2選擇BB200變?nèi)荻O管。測(cè)試過(guò)程中提供的電壓值越大,電容越小。BB200采用SOT23小型塑料SMD封裝,其電壓輸入范圍為DC 1 V～4.5 V,其電容值從74.2 pF變?yōu)?2 pF,在0.80 V電壓以下和2.00 V電壓以上,其電容值變化范圍很小。在0.82～1.86 V電壓范圍內(nèi)選取了10組電壓值進(jìn)行了測(cè)試,得到S11曲線(xiàn)如圖7所示。

圖7 不同電壓下的S11曲線(xiàn)

在測(cè)試中激光電源的功率變化是連續(xù)的,這導(dǎo)致諧振頻率的變化也是連續(xù)的。當(dāng)在PCB上固定鏡頭罩時(shí),可忽略室內(nèi)熒光燈管造成的影響。由于電容C2的值很大,所以電路變化對(duì)3 GHz及以上的諧振頻率幾乎沒(méi)有影響。主諧振頻率分別位于327.046,693.649 MHz,1.799 GHz和2.459 GHz?？烧{(diào)激光電源對(duì)4個(gè)諧振頻率點(diǎn)的帶寬影響如表1所示。

表1 探頭性能參數(shù)

3 結(jié) 論

針對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的多頻信號(hào)檢測(cè)問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)了一種基于四層PCB的近場(chǎng)無(wú)線(xiàn)信號(hào)探頭,主要由F型內(nèi)嵌傳輸線(xiàn)、頻率調(diào)整電路和光纖激光供電電路組成。

在傳輸線(xiàn)設(shè)計(jì)部分,討論了多種可能對(duì)信號(hào)測(cè)量造成影響的因素,例如帶狀線(xiàn)的形狀、傳輸線(xiàn)嵌入PCB的深度以及信號(hào)的饋點(diǎn)位置,并使用了CST MWS軟件對(duì)探頭進(jìn)行仿真以獲得最優(yōu)參數(shù)。其次,為了得到目標(biāo)諧振頻率值,在電路中添加了調(diào)整電路,以獲得特定范圍內(nèi)可變的諧振頻率點(diǎn),從測(cè)試結(jié)果可以看出：本裝置在多頻帶內(nèi)性能良好,其測(cè)量帶寬均大于10 MHz,在頻率點(diǎn)4處的帶寬高達(dá)48.664 MHz,若考慮-10 dB增益為參考點(diǎn),則其帶寬更大。對(duì)探頭的能量供應(yīng)部分進(jìn)行了優(yōu)化,選用柔性光纖導(dǎo)入激光為探頭提供電能,有效地降低了電纜帶來(lái)的信號(hào)干擾。

總的來(lái)說(shuō),本文提出的近場(chǎng)無(wú)線(xiàn)信號(hào)探頭大幅改善了探頭帶寬有限且易受干擾的現(xiàn)狀,適用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的多種無(wú)線(xiàn)模塊的通信調(diào)試。