應(yīng)用于無(wú)線傳感網(wǎng)探針饋電天線設(shè)計(jì)*

紀(jì)辛然

(山西工程科技職業(yè)大學(xué)，山西 晉中 030619)

0 引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，是由許多在空間上分布的自動(dòng)裝置組成的一種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，這些裝置使用傳感器協(xié)作監(jiān)控不同位置的物理或環(huán)境狀況(比如溫度、聲音、振動(dòng)、壓力、運(yùn)動(dòng)或污染物)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展最初起源于戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等軍事應(yīng)用，而現(xiàn)今無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)被應(yīng)用于很多民用領(lǐng)域，如環(huán)境與生態(tài)監(jiān)測(cè)、健康監(jiān)護(hù)、家庭自動(dòng)化、以及交通控制等[1]。

目前，無(wú)線傳感網(wǎng)主要采用Zigbee協(xié)議。ZigBee，也稱紫蜂，是一種低速短距離傳輸?shù)臒o(wú)線網(wǎng)上協(xié)議，底層是采用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的媒體訪問(wèn)層與物理層。主要特色有低速、低耗電、低成本、支持大量網(wǎng)上節(jié)點(diǎn)、支持多種網(wǎng)上拓?fù)?、低?fù)雜度、快速、可靠、安全。ZigBee技術(shù)本質(zhì)上是一種速率比較低的雙向無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其由IEEE.802.15.4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)而來(lái)，擁有低復(fù)雜度和短距離以及低成本和低功耗等優(yōu)點(diǎn)。其使用了2.4 GHz頻段，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)定義了ZigBee技術(shù)在IEEE.802.15.4標(biāo)準(zhǔn)媒體上支持的應(yīng)用服務(wù)。

本文通過(guò)曲流和矩形開(kāi)槽技術(shù)，縮小了微帶天線的尺寸，其核心工作頻段為2.4 GHz，適用于無(wú)線傳感網(wǎng)Zigbee協(xié)議需求。天線長(zhǎng)2.9 cm，寬2.9 cm，與波導(dǎo)波長(zhǎng)比值為0.4，在2.4 GHz頻段下，波導(dǎo)波長(zhǎng)為7.0 cm。天線具有較好的輻射性能，-10 dB帶寬大致覆蓋2.38 GHz～2.404 GHz，輻射增益全部高于0 dBi，在工作頻段(2.4 GHz)增長(zhǎng)為最高值，達(dá)到6 dBi。此外采用一個(gè)探針饋電，天線尺寸為6.6 mm×6.6 mm，相當(dāng)于0.165 g×0.165 g(g為2.4 GHz的導(dǎo)波波長(zhǎng))，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了小型化。

1 天線設(shè)計(jì)

近年來(lái)，共面波導(dǎo)饋電的微帶天線在無(wú)線領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，寬頻帶的共面波導(dǎo)饋電天線受到了較多的關(guān)注，特別是在微波和毫米波段應(yīng)用最多；由于平面天線具有厚度低、重量輕，易于安裝等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的重視[2]。通常微帶貼片天線饋電單元和輻射單元不在同一平面上，需要通過(guò)孔洞來(lái)連接，這對(duì)一般的集成電路是不太容易實(shí)現(xiàn)的，而共面波導(dǎo)(CPW)饋電的平面天線輻射單元和饋電單元在同一平面上，且CPW饋電天線存在兩種饋電方式：感性耦合和容性耦合，更能滿足不同環(huán)境對(duì)天線的要求，因此CPW饋電天線成為了微小平面天線領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。另外，容性耦合的諧振頻率比感性耦合要高4 GHz左右，這是兩邊的縫隙接通的緣故。此外，容性耦合的帶寬也比感性藕合的要窄，這是由于容性耦合時(shí)，共面波導(dǎo)中心線開(kāi)路呈容性，而感性耦合時(shí)，共面波導(dǎo)中心線短路呈感性，所以容性耦合時(shí)整個(gè)天線的分布電容要比感性耦合時(shí)大，這就引起天線的Q值增加，帶寬減小。容性耦合時(shí)組合結(jié)構(gòu)天線的帶寬比單一結(jié)構(gòu)振子天線都要寬。可以這樣理解，當(dāng)在天線中引入振子時(shí)，使得縫隙兩邊金屬的耦合增加，使帶寬增加。

1.1 天線結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)天線采用了微帶線饋電，天線尺寸是在2.4 GHz時(shí)的導(dǎo)波波長(zhǎng)的0.4倍，為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)小型化，對(duì)天線結(jié)構(gòu)采用探針饋電。圖1給出的是天線結(jié)構(gòu)。

圖1 天線結(jié)構(gòu)

介質(zhì)板的介電常數(shù)為εr=4.4，厚度h=1.6 mm，天線在2.4 GHz的波導(dǎo)波長(zhǎng)λg=70 mm天線大小為29 mm×29 mm，是波導(dǎo)波長(zhǎng)的0.4倍。部分尺寸為：天線的長(zhǎng)和寬為w=l=29 mm，水平縫隙的深度為ws=19 mm，寬度為ls=0.5 mm，垂直縫隙的寬度為wf=3.5 mm，長(zhǎng)度為lf=25 mm。仿真結(jié)果如圖2，圖3所示。

圖2 天線在2.4 GHz時(shí)的回波損耗特性

圖2給出了天線在2.4 GHz時(shí)的回波損耗特性曲線圖，圖中顯示天線在2.4 GHz頻段上回波損耗較小達(dá)到了-22 dBi，在S11<-10 dBi時(shí)帶寬為26 MHz，頻率為2.365 GHz-2.391 GHz。

圖3 天線增益特性曲線

圖3給出了所設(shè)計(jì)的天線的增益與頻率的仿真曲線，在工作頻率2.4 GHz的增益為5 dBi，反映了此天線輻射電磁波或接收電磁波的能力還是很強(qiáng)的。

通過(guò)圖2和圖3分別給出的天線回波損耗特性和天線增益曲線，并對(duì)天線E面與H面輻射方向進(jìn)行仿真，可見(jiàn)天線有較好的全向輻射特性，由于在仿真過(guò)程中我們默認(rèn)接地板為無(wú)限大，天線背面不能夠輻射出信號(hào)，而實(shí)際的天線接地板為有限的背面也可以輻射信號(hào)。

1.2 優(yōu)化的天線結(jié)構(gòu)

為了對(duì)天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，采用了加短路探針和開(kāi)凹槽的技術(shù)來(lái)縮小天線的體積，同時(shí)采用了探針饋電，天線結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 改進(jìn)后的天線結(jié)構(gòu)

介質(zhì)板的介電常數(shù)為16.5，厚度2.4 mm，天線在2.4 GHz的波導(dǎo)波長(zhǎng)λg=40 mm天線大小為6.6 mm×6.6 mm，是波導(dǎo)波長(zhǎng)的0.165倍。圖中結(jié)構(gòu)加了三個(gè)探針，其中一個(gè)用來(lái)饋電，另外兩個(gè)是短路探針，部分尺寸為：ws=4.2 mm，ls=3.9 mm，lp=2.9 mm。仿真結(jié)果見(jiàn)圖5，圖6所示：

圖5 天線在2.4GHz時(shí)的回波損耗特性

圖5給出了天線在2.4 GHz時(shí)的回波損耗特性曲線圖，圖中顯示天線在2.4 GHz頻段上回波損耗較小達(dá)到了-20 dBi，在S11<-10 dBi時(shí)帶寬為5 MHz，可見(jiàn)隨著天線尺寸的減小帶寬變窄了。

圖6 天線增益特性曲線

圖6給出了所設(shè)計(jì)天線的增益與頻率的仿真曲線，在工作頻率2.4 GHz的增益為1.07 dBi。

通過(guò)圖5和圖6分別給出的天線回波損耗特性和天線增益特性曲線，并對(duì)天線E面和H面輻射方向進(jìn)行仿真，可見(jiàn)采用探針饋電后天線仍然具有良好的輻射性能。

2 結(jié)論

本文通過(guò)探針饋電和矩形開(kāi)槽技術(shù)，在保證天線具有良好輻射性能的同時(shí)，減小了天線的尺寸，符合無(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的需求。在工作中心頻段2.4 GHz附近，天線輻射增益高于0 dBi，ISM波段駐波比低于2，回波損耗S11<-10 dB對(duì)應(yīng)帶寬為5 MHz。本文設(shè)計(jì)的天線針對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)Zigbee協(xié)議和節(jié)點(diǎn)需求，在天線帶寬、輻射性能和尺寸要求之間進(jìn)行平衡，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。