无线传感器网络近场信号测量可调探头设计*

宋 涛, 安笑雨, 王蒙军, 徐晓辉

(河北工业大学 电子信息工程学院,天津 300401)

0 引 言

随着无线传感器网络和窄带物联网的飞速发展,多频段的无线组网应用越来越多[1],常用的无线通信有315 MHz的无线透传,800 MHz/1.8 GHz的手机通信,2.4 GHz的蓝牙或路由器通信,在各种无线模块的通信调试过程中,无线信号的频率,信号强度等参数是衡量信号质量的关键因素[2],研制宽频带、高增益、低成本的无线信号探头成为无线通信领域一个重要的发展方向。目前常用的近场无线信号探头大部分为进口产品,其价格昂贵,带宽有限且易受到干扰,如来自电源线的高频谐波干扰[3]。为了提高近场无线信号测量装置的灵敏度、增加测量的带宽,很多研究者提出或发明了自己的近场探头方案。

本设计提出一种基于4层印制电路板(printed circuit board,PCB)的无线信号探头,受倒F天线(inverted F antenna,IFA)的启发,馈电点处于不同位置会导致谐振频率有着显著的差异,传统IFA的第一个交叉臂连接在覆铜板的地,第二个交叉臂作为馈线来传输信号,在垂直臂上可以感应到空间电磁辐射[4]。当馈电点设置在垂直臂的末端时,双横臂结构中存在折弯和T型连接,不同传输线段的等效电路和谐振频率会发生变化,当带状线嵌入表面覆铜的四层PCB,其IFA的参数完全不同。

改变IFA带状线的馈点位置之后,原始计算谐振频率的公式不再适用,谐振频率会受到一些其他因素的影响,例如带状线的形状、传输线嵌入PCB的深度、覆铜板的接地位置和外加贴片电容的参数,本设计针对无线探头的结构、材质、PCB参数和结构,利用CSTMWS(Computer Simulation Technology Microwave Studio)软件进行了建模仿真,力求获得最优的探头设计参数,在PCB探头设计并制作完成后,添加调整电路将探头的谐振频率点调整到探测需要的频率点附近。

考虑到实际谐振频率调整电路中需要添加可变电容,以获得一定范围内可变的谐振频率点[5],而可变电容一般利用变容二极管施加电压来实现,外部电源的引入又会或多或少地增加外部串扰,本设计采用柔性光纤导入激光为探头提供电能,探头和电源之间没有电缆连接,可有效减少外部电源对近场无线信号探测的干扰[6],通过调节激光功率可间接接调节探头上的电容二极管供电电压,从而改变探头的整体电容值,以达到调节谐振频率点的目的。

1 仿真设计与探头制作

为了获得预期的谐振频率,用CST MWS软件对无线探测探头进行了建模和制作,主要工作如下：

1)以四层PCB作为探头主题,在中间一层中嵌入F形状的传输线作为无线信号感应天线,调整F型传输线各线段的长度和宽度,使得仿真出的谐振频率点大于目标值,以便于后续添加外部调整电路后,谐振频率点会变小。

2)制作实际PCB并进行S11测试,与仿真结果进行对比,根据对比结果进一步优化探测探头内部F型传输线参数。

3)在制作的四层PCB上添加激光供电调整电路,将谐振频率点调整到目标谐振频率点附近。

图1 F型探测天线结构

在CST仿真建模中,选用FR-4材料模拟PCB,其材料介电常数为4.5,选择IFA垂直臂的末端作为探测天线的信号馈入点。考虑到标准厚度为1.6 mm的四层PCB两个中间层距离表面均为0.2 mm,仿真模型将带状线嵌入PCB的一个内层,距离两个表面的距离分别为0.2 mm和1.4 mm,信号传输线的厚度为0.035 mm,因为是嵌入到PCB中,所以PCB基板的整体厚度还是1.6 mm。对于无线信号的近场探测而言,其结构尺寸越小越好。如图1所示,CST中的仿真尺寸为6 mm×2.8 mm,两个横臂间距3 mm,横臂线宽0.15 mm,传输线宽度0.3 mm,仿真所得的输入反射系数S11如图2所示。

图2 F型探测天线仿真S11曲线

如果在带状线和覆铜板接地点之间添加贴片电容,根据谐振频率公式

(1)

在整体等效电容显著增加时,谐振频率将明显变小,因此图2中的谐振频率点会向左偏移,在传输线和电源地之间,加入主电容C1和微调电容C2,如图3所示,C1的电容值比较大,主要作用是将制作出来的实际PCB探头的谐振频率点调整到设计的目标频率点附近,其数值是固定的,选取合适的贴片电容焊接即可。C2是变容二极管,配合外加可变直流电压,可以使探头的实际谐振频率点有一个可涵盖目标频率的调节范围,从而获得比较优异的探测性能。

对于整个F型探测天线,其横臂、竖臂、传输线、直角转弯和T型连接分别对应不同的电路形式,除了调整电容外,在探测天线末端还要加入隔直流电容C3和匹配电阻R2,隔直流电阻C3选取高低频信号均可通过的电容数值,匹配电阻可根据探测探头的整体输出阻抗和50 Ω匹配法则来确定。

实际制作的PCB探测探头分为三部分,顶部的F型内嵌传输线、频率调整电路和光纤激光供电电路,如图4所示,光纤激光供电电路由10个串联硅光电池和导光光纤固定槽构成[7],在可变功率激光条件下可提供0～2 V稳定直流电压输出。R1是用于限制从电源到带状线的电流,阻值为510 Ω。

图4 PCB探测探头实物

2 测量结果

将制作的PCB探测探头连接到矢量网络分析仪进行测试,结果表明实测S11有三个以上的谐振频率点,与CST仿真曲线相比,其主要谐振频率点4.6 GHz基本吻合,如图5所示。由于焊接到PCB信号馈点的SMA端子延长线匹配和PCB实际电路中的过孔等问题,导致实际测试结果出现一些不可预测的频率点[8]。

图5 未焊接组件之前带状线的S11曲线

焊接频率调整电路和光纤激光供电电路后,选择参数为250 mW和650 nm可调激光源作为能量供应。图6显示了整个测试系统。

图6 实际测试

测试结果表明电容C1对谐振频率具有显著影响,最终选择使用86 nF贴片电容,C2选择BB200变容二极管。测试过程中提供的电压值越大,电容越小。BB200采用SOT23小型塑料SMD封装,其电压输入范围为DC 1 V～4.5 V,其电容值从74.2 pF变为12 pF,在0.80 V电压以下和2.00 V电压以上,其电容值变化范围很小。在0.82～1.86 V电压范围内选取了10组电压值进行了测试,得到S11曲线如图7所示。

图7 不同电压下的S11曲线

在测试中激光电源的功率变化是连续的,这导致谐振频率的变化也是连续的。当在PCB上固定镜头罩时,可忽略室内荧光灯管造成的影响。由于电容C2的值很大,所以电路变化对3 GHz及以上的谐振频率几乎没有影响。主谐振频率分别位于327.046,693.649 MHz,1.799 GHz和2.459 GHz。可调激光电源对4个谐振频率点的带宽影响如表1所示。

表1 探头性能参数

3 结 论

针对无线传感网络的多频信号检测问题,本文设计了一种基于四层PCB的近场无线信号探头,主要由F型内嵌传输线、频率调整电路和光纤激光供电电路组成。

在传输线设计部分,讨论了多种可能对信号测量造成影响的因素,例如带状线的形状、传输线嵌入PCB的深度以及信号的馈点位置,并使用了CST MWS软件对探头进行仿真以获得最优参数。其次,为了得到目标谐振频率值,在电路中添加了调整电路,以获得特定范围内可变的谐振频率点,从测试结果可以看出：本装置在多频带内性能良好,其测量带宽均大于10 MHz,在频率点4处的带宽高达48.664 MHz,若考虑-10 dB增益为参考点,则其带宽更大。对探头的能量供应部分进行了优化,选用柔性光纤导入激光为探头提供电能,有效地降低了电缆带来的信号干扰。

总的来说,本文提出的近场无线信号探头大幅改善了探头带宽有限且易受干扰的现状,适用于无线传感器网络中的多种无线模块的通信调试。