機載無線傳感器小型化微帶天線設計

簡榮坤,井云鵬,修威國,余 磊,李奕軒,張曉峻

(1.中國電子科技集團公司第四十九研究所,黑龍江 哈爾濱 150028；2.哈爾濱工程大學 物理與光電工程學院,黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

伴隨著航空電子系統(tǒng)功能的日趨完善,機載電子設備和傳感器的裝機數(shù)量大幅提升,機載測量系統(tǒng)的組成也隨之復雜化。機載設備之間目前主流的連接方式是有線連接,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和能量的傳遞[1,2]。這種連接方式需要占據(jù)大量艙內空間,增加飛機的承重負擔,消耗飛機載運能力,影響產品的工程應用性和推廣性[3,4],難以應對新一代航空電子系統(tǒng)復雜的工作任務。

無線傳感器網絡由若干個無線傳感器節(jié)點組成,彼此之間使用天線進行信息傳輸,可有效解決有線連接方式所帶來的弊端[5,6]。飛機機翼內有限的空間尺寸和惡劣的工作環(huán)境對機載無線傳感器天線設計提出了嚴格要求。傳統(tǒng)的棒狀天線和鞭狀天線需要很大的安裝空間,且不能承受機翼內高強度的振動環(huán)境。微帶天線在無線通信技術領域中有著至關重要的地位,因其小型化、易集成、結構簡單、極化方式多樣和低剖面等特點,最初就被應用于飛機裝備上,并在之后不斷地發(fā)展壯大[7～10]。

因此,本文采用微帶天線技術將天線與無線傳感器殼體做成共型天線,實現(xiàn)無線傳感器的小型化設計的同時,提高天線的可靠性[11,12]。針對無線傳感器和無線控制器的通信頻率以及結構尺寸的要求,研究微帶天線的形狀、尺寸、安裝方式對天線帶寬、增益和方向角的影響,給出了詳細的理論設計公式和仿真過程。本文內容將為微帶天線的設計和工程安裝應用提供理論基礎。

1 微帶天線尺寸設計

根據(jù)結構設計要求,無線傳感器微帶天線尺寸需要小于無線傳感器的外形尺寸60 mm×60 mm；為了滿足通信質量,諧振頻率為915 MHz,諧振頻率處S11≤-20 dB,天線方向要求定向半球狀,滿足±30°范圍內正視通信；考慮無線電路器件的差異和溫度漂移特性,要求頻率帶寬不低于2 MHz；端口阻抗50 Ω。

微帶天線是由貼片、介質基板、接地板三部分組成。圖1是一個底邊長為L,側邊寬為W,基板厚度為H的矩形微帶貼片天線的示意圖[13]。圖中,微帶天線饋電方式為同軸線饋線。

圖1 矩形微帶貼片天線結構示意

設計時,首先需要根據(jù)工況選擇合適的介質基板選材,根據(jù)天線工作頻率和帶寬等指標確定微帶天線的基板厚度H,矩形貼片寬度W,矩形貼片長度L[14]。

1)微帶天線介質基板的厚度H

當介質基板的厚度H<λ/16時,電壓駐波比VSWR<2的頻帶寬度經驗公式[15]為

Δf(MHz)=5.04f2H

(1)

式中H單位為mm,f單位為GHz。由式(1)可計算出:當采用厚度為3 mm的F4BTM介質基板時,最大可以支持的頻帶寬度為12.66 MHz。

2)矩形貼片寬度W

矩形貼片的寬度W由式(2)確定

(2)

式中c=3×108m/s。代入諧振頻率fr=915 MHz,相對介電常數(shù)εr=11.72,可以算出W=65 mm。

3)矩形貼片長度L

矩形微帶天線長度理論上近似為0.5λg,但由于邊緣場的影響,L一般按式(3)取為

(3)

式中λg為諧振頻率915 MHz在介質基板中傳播的等效波長,ΔL為等效輻射縫隙長度,εe為有效介電常數(shù),它們分別由式(4)～式(6)確定

(4)

(5)

(6)

式中λ0為自由空間波長。

經過上述設計計算可得,選用相對介電常數(shù)為11.72,厚度為3 mm的F4BTM作為介質基板材料,輻射貼片尺寸為65 mm×76.5 mm,不滿足使用場景,故需要進行天線的尺寸小型化。

2 微帶天線優(yōu)化

為了進一步減少天線的尺寸,采用輻射貼片開槽延長電流的有效路徑,使天線尺寸和諧振頻率滿足技術要求,因此,基于HFSS軟件,采用開槽技術優(yōu)化設計無線傳感器天線。

2.1 開槽技術的設計與仿真

貼片減小尺寸會導致諧振頻率增加,導致中心頻率達不到設計要求,故需要在減小尺寸的同時,使諧振頻率為915 MHz。由于微帶天線本身尺寸不大,所以造成了天線的Q值較高,進而導致了天線工作頻段的帶寬較小,不滿足2 MHz以上的帶寬要求。因此,需要采取措施縮小傳感器微帶天線體積,同時展寬天線帶寬。

Kubacki R等人使用分型結構來刻蝕人工電磁材料單元,該結構可以產生左手材料的特性,將其加載于微帶貼片天線的上表面和底面,最終使得其工作頻帶達到4.1～19.4 GHz,并且工作頻帶內的增益范圍從最小6 dB到最高10 dB[16]。Prakash P等人提出一個共面波導饋電的高增益單極子天線,天線下方的AMC結構采用蝕刻了圓環(huán)形縫隙的方形貼片陣列,其增益可以達到10 dB[17]。Kim D等人設計了一種小型化的射頻識別標簽天線,通過在平面偶極子天線下方放置一個加載金屬過孔的改進型矩形貼片式AMC,降低了天線的剖面并將其尺寸減小至0.1λ0×0.2λ0×0.01λ0,其中,λ0為工作波長[18]。這些方法能顯著提高小型化微帶天線的增益和帶寬,但也會導致天線厚度、損耗和結構復雜度顯著增加。

本文對天線尺寸要求的優(yōu)先級最高,在不增加天線厚度的情況下,采用開槽技術可以實現(xiàn)縮小天線體積,同時保持微帶貼片天線低剖面、簡單結構和低成本的優(yōu)點。根據(jù)無線傳感器結構尺寸需求,暫定無線傳感器微帶天線的輻射貼片尺寸為40 mm×56 mm。在此基礎上,通過仿真優(yōu)化方法,計算并分析不同的無線傳感器天線矩形槽深度、寬度對諧振頻率和帶寬的影響以及無線控制器天線基板尺寸對天線參數(shù)的影響。

小型化微帶天線單元的設計關鍵在于天線開槽的設計。通過仿真優(yōu)化方法計算并分析無線傳感器天線不同矩形槽深度對諧振頻率和帶寬的影響。天線基板尺寸為60 mm×60 mm×3 mm,材料為F4BTM,貼片尺寸大小為40 mm×56 mm,采用仿真庫中的氯化聚乙烯(PEC)材料,開有8道矩形槽。如圖2所示,無線傳感器天線上開有兩種矩形槽,即第一象限所示兩種不同深度的槽,槽深L1即為槽1,槽深L2即為槽2,剩余的6道槽均與槽1、槽2關于X或Y軸對稱。兩種矩形槽寬度相同,為2 mm,槽2深度L2為16 mm,對槽1深度L1進行最優(yōu)設計,使天線的諧振頻率和帶寬均達到預期標準。

圖2 無線傳感器天線示意

設定矩形槽寬度2 mm,矩形槽2長度16 mm,矩形槽1長度范圍14～16 mm,通過仿真確定此范圍內矩形槽1的最佳長度L1,仿真結果如圖3所示。通過分析仿真結果,當矩形槽1長度L1=14.22 mm時,曲線在915 MHz時取得最低點,即當矩形槽1長度L1=14.22 mm時,天線的諧振頻率為915 MHz,同時在縱軸取值-10 dB時,曲線兩交點間隔最大且大于2 MHz,帶寬達到最大值。L1=14.22 mm為最優(yōu)解。

圖3 L1優(yōu)化仿真

故最終確定本文天線采用開矩形槽設計,傳感器介質基板上天線貼片具體尺寸為40 mm×56 mm,傳感器天線貼片槽1尺寸為14.22 mm×2 mm,槽2尺寸為16 mm×2 mm。

2.2 微帶天線性能仿真分析

對無線傳感器模型進行仿真分析,得到S11回波損耗、增益仿真曲線如圖4所示,三維增益方向如圖5所示。

圖4 天線S11與增益

圖5 天線三維增益方向

通過圖4無線傳感器S11回波損耗圖(黑色曲線)仿真結果可知,其中心頻率為915 MHz(S11參數(shù)衰減最大的頻率為中心頻率),中心頻率處S11為-23.13 dB,通過觀察圖4無線傳感器S11回波損耗圖中小于-10 dB數(shù)值,可知帶寬為2.44 MHz(在縱軸取值-10 dB時,曲線兩交點橫坐標間隔即為帶寬)。觀察圖4模型二維增益圖(點劃線)中中心頻率處的數(shù)值,可知無線傳感器模型增益為-2.22 dB。觀察圖5三維增益方向圖深色部分可知，模型增益集中位于Theta角度為±25°的范圍內(Theta即為與z軸夾角)。

微帶天線采用相對介電常數(shù)11.7的F4BTM作為天線的介質基板材料,板厚3 mm,無線傳感器天線金屬貼片尺寸為40 mm×56 mm,介質基板尺寸為60 mm×60 mm。仿真得到的技術參數(shù)如表1所示。

表1 天線的仿真結果

通過仿真可確定無線傳感器天線中心頻率、增益和天線方向能夠滿足應用需求,這將在后續(xù)測試部分進行驗證。

3 機載無線傳感器天線的指標測試

首先對微帶天線進行噴涂處理,在天線表面形成有機圖層,保護貼片金屬表面。圖6為經噴涂處理前后天線的實物。

圖6 微帶天線工藝處理對比

測試過程中,天線與殼體安裝到一起,測試參數(shù)包括天線駐波、方向圖(方位面和俯仰面)和增益測試。使用的儀器有Keysight—N5234B矢量網絡分析儀、安捷倫—E5071C矢量網絡分析儀、暗室及其操作系統(tǒng)。利用矢量網絡分析儀測試天線的網絡參數(shù)如S參數(shù)、增益、阻抗等；利用微波暗室隔離外界電磁干擾,模擬理想的電磁環(huán)境,提高測試結果準確性。

圖7(a)為無線傳感器和微帶天線測試暗室,圖7(b)為測試所用矢量網絡分析儀。

圖7 試驗環(huán)境與主要設備實物

中心頻率及帶寬測量：用矢量網絡分析儀進行相應頻段駐波測試,首先進行矢網校準,通過電子校準器對單端口矢網進行校準(含相應頻段線纜),校準頻率為相應頻率。然后將天線接口接于測試校準的線纜上,并保存記錄數(shù)據(jù)。

圖8為無線傳感器天線在低、中、高3個頻點的駐波測試結果,無線傳感器天線的中心頻率為915 MHz,帶寬為3.52 MHz。

圖8 無線傳感器天線駐波

測試天線增益及方向圖：首先進行相應頻段的標準天線校準工作,設置所測頻點。然后將待測天線安裝于轉臺上,設好收發(fā)天線極化進行測試(為同向極化),分別進行H面、V面測試,天線增益為-2.7 dB。

無線傳感器天線的方向圖測試結果如圖9所示。從圖中看出,天線方向是沿著天線頂部,定向半球狀,發(fā)射方向圖的角度定向半球狀±40°正向通視,接收方向圖的角度定向半球狀-47°～+40°正向通視,波束寬度范圍覆蓋±30°正向通視的要求。

圖9 天線方位方向

無線傳感器和無線控制器天線的設計指標與實際測試得到的技術參數(shù)如表2所示。

表2 傳感器天線實測與設計仿真參數(shù)

4 結 論

本文根據(jù)矩形微帶天線的設計原理,設計出一種915 MHz機載無線傳感器小型化微帶天線。天線選擇適合機載環(huán)境的F4BTM材料作為微帶天線基板,同軸饋電,并使用開槽法在貼片表面開有兩種不同長度的矩形槽,實現(xiàn)了微帶天線的小型化。經過對天線性能參數(shù)的仿真和實際測試,天線增益-2.7 dB,帶寬3.52 MHz,方向定向半球狀±47°正向通視,天線尺寸60 mm×60 mm,滿足機載無線傳感器小型化天線設計需求。