基于无线温度传感器的多频段单极子天线设计

王双凤,黄 英,肖贞杰

(合肥工业大学 电子科学与应用物理学院,安徽 合肥 230601)

0 引 言

随着无线通信技术在物联网领域的迅速发展,无线温度传感器的应用逐渐得到了普及,而无线温度传感器中的天线是无线通信系统中最不可或缺的部分,在一定程度上,天线性能的好坏将直接影响着收发信号的准确率和速率。当前在无线温度传感器方面[1-2],单极子天线的应用较少,然而随着无线温度传感器的逐步小型化,单极子天线的体积小、频带宽、制作简单等特点满足了应用设备对天线的尺寸、多频段、宽频带的要求[3-6]。因此,多频段单极子天线是本文的研究主题。

目前国内外对多频段单极子天线的研究仍在持续。文献[7]设计了一种覆盖0.9、1.8、2.3、2.6 GMHz的多频段单极子天线,但是未覆盖到无线温度传感器在2G模式下所需要的PCS1900频段;文献[8]中天线覆盖的频段有GSM(1.77～1.84 GHz)、Bluetooth(2.38～2.49 GHz)和UWB(3.1～10.6 GHz),也未包含PCS1900频段;文献[9]设计的天线覆盖了2G/3G/4G频段,但天线占用区域达136×70 mm2,面积过大;文献[10]、文献[11]中的多频带单极子天线分别覆盖了1.8、3.5、5.2 GHz和0.8、1.8、3.5 GHz等频段,但均未覆盖PCS1900频段,不满足无线温度传感器在2G模式下的频段需求。

针对以上多频段单极子天线的不足,本文设计了一种用于无线温度传感器的多频段单极子天线,该天线体积较小,采用多分支技术结构,覆盖的多频段有1 600～2 100 MHz(包含DCS1800:1 710～1 880 MHz、PCS1900:1 850～1 990 MHz)和4.6～5.2 GHz。对该天线实物进行了测试,测试结果与仿真效果较为一致,符合无线温度传感器天线的要求,具有一定的实际意义。

1 天线的模型构成

因为天线接收信号的性能强弱是由天线的匹配程度决定的,所以为了设计好的天线,工程师们会通过各种方法为天线进行系统匹配。常用的方法是通过HFSS仿真软件[12]对天线的尺寸结构进行分析,如天线的走线长度和宽度、介质板的厚度等都会影响天线的响应频率和响应带宽,进而影响天线的匹配状态。

本文天线结构如图1所示,由直接馈电枝节和折弯枝节组成,该天线的介质板采用FR-4材料,相对介电常数为4.4,正切介质损耗角为0.02,介质板的尺寸为50 mm×80 mm,天线占用面积为30×60 mm2。

图1 天线模型

因为该天线以印制线路板(printed circuit board,PCB)为基地设计,所以天线理论长度L应置于1/4的自由空间与1/4的FR-4材料介质波长之间[13],即

(1)

其中:c为光速,值为3.0×108m/s;f为天线的工作频段,单位为Hz;εe为PCB的有效介电常数。由于天线设计基地材料为FR-4,(1)式中εe=4.4。

利用HFSS仿真软件对该天线进行仿真,得到一组较好的天线尺寸参数,见表1所列。

表1 天线尺寸 mm

2 天线的仿真结果与分析

为了研究天线结构参数对阻抗匹配性能的影响,通过改变不同的结构参数,用HFSS仿真软件仿真得出天线的回波损耗S11主要与L1、L5、L8有关。分别改变天线结构参数L1、L5、L8的大小,观察它们对天线S11的影响。

通过改变枝节L1的长度大小来观察频段和谐振点S11的变化情况。L1依次取10.35、11.35、12.35 mm,得到的S11与频段的关系曲线如图2所示。

图2 L1的变化对天线S11的影响

从图2可以看出:随着L1长度的增大,DCS1800、PCS1900以及高频(4.6～5.2 GHz)频段均有不同程度的左移;低频(DCS1800、PCS1900)谐振点逐渐变深,即S11值逐渐减小,阻抗匹配性能增强,高频(4.6～5.2 GHz)的谐振点也有显著变化。

在L1和其他天线尺寸不变的情况下,改变L5的尺寸,L5依次取0.27、1.27、2.27 mm,观察天线的频段和谐振点S11的变化,得到的S11曲线如图3所示。

图3 L5的变化对天线S11的影响

从图3可以看出:随着L5长度的增大,DCS1800、PCS1900和中频的频段均没有发生显著变化,且其谐振点的S11值也没有显著改变;而高频(4.6～5.2 GHz)的频段逐渐左移,且谐振点的S11值发生了明显改变,在S11≤-6 dB时的相对带宽在增大。

改变枝节L8的长度，观察天线的频段和谐振点S11的变化情况。L8依次取6.63、7.63、8.63 mm,得到的天线S11与频段的关系曲线如图4所示。

图4 L8的变化对天线S11的影响

从图4可以看出:随着L8长度的增大,DCS1800、PCS1900、中频和高频的频段均有不同程度的偏移,且谐振点逐渐变深;相比于L1、L5对频段和谐振点S11的影响,L8的变化对高频的频段和谐振点的影响并不显著;低频频段谐振点的S11接近-21 dB,并且在S11≤-6 dB处的带宽达到500 MHz,覆盖了2G的高频频段(DCS1800和PCS1900)。

综上所述,L1枝节影响着DCS1800、PCS1900以及中频和高频的谐振频率,L5枝节控制着高频的谐振频率,L8枝节主要控制着低频和中频的谐振频率。

在对该天线的结构参数进行仿真分析后,各枝节控制的频段S11均小于-6 dB,符合无线温度传感器天线的应用要求,在1 600～2 100 MHz频段内,谐振点的S11达到了-21 dB,阻抗匹配性能较好。

天线在谐振频率分别为1 800、1 900 MHz的增益方向图如图5所示。

图5 天线的增益方向图

基于无线温度传感器天线在2G模式下的频段特点,将本文的多频段单极子天线与文献[7-11]天线进行了性能对比,结果见表2所列。

从表2可以看出:与文献[7-8]天线和文献[10-11]天线相比,本文天线覆盖了所需要的DCS1800和PCS1900频段,在频段性能上满足要求;而与文献[9]天线相比,虽然2种天线都覆盖到了所需频段,但本文天线面积更小,因此总体性能更优。

表2 单极子天线性能比较

3 天线加工测试与分析

根据天线仿真的结果,采用合适的基板材质将设计好的天线结构印制在基板上,将终端天线的模型制作成实物,如图6所示。

图6 天线实物

采用Agilent网络分析仪E5071C对实物进行了无源测试,并将测试结果与仿真结果进行了对比,结果如图7所示。

图7 天线实测与仿真的S11结果对比

从实测的结果可以看出,天线的S11≤-6 dB的频段为1 600～2 100 MHz和4.6～5.2 GHz,其中1 600～2 100 MHz频段包含了DCS1800和PCS1900频段,其相对带宽分别为27%、26%,该谐振点处的S11达到了-18 dB。

实测结果与仿真结果较为一致,因此该天线在低频段(DCS1800和PCS1900)的阻抗匹配性能较好,覆盖的频段能够满足无线温度传感器系统对天线的要求。

将天线应用于无线温度传感器PCB上并打板出来,然后在载有天线的PCB板上焊接上传感器和无线射频模块,将天线阻抗匹配较好的频段进行有源性能测试,即当S11≤-10 dB时,覆盖的频段范围为1 700～1 990 MHz,覆盖的频段包含了DCS1800和PCS1900。

天线性能测试过程如图8所示,其测试结果见表3所列。

图8 天线实物在微波暗室的测试

DCS1800和PCS1900频段的标准发射功率(total radiated power,TRP)值均为25 dBm，DC1800和PCS1900频段的标准接收灵敏度(total isotropic sensitivity,TIS)值均为-102 dBm。由表3可知，本文天线DCS1800和PCS1900频段的TRP值和TIS值均满足标准,表明了天线的发射和接收性能良好。

表3 有源测试结果

4 结 论

应用于2G的无线温度传感器天线需要覆盖其高频频段DCS1800和PCS1900。本文基于单极子天线的原理,借鉴多频段单极子天线的设计思路设计一种多频段单极子天线,并通过HFSS仿真软件对该天线尺寸结构进行了合理设计与优化,采用直接馈电、多枝节等方式谐振出DCS1800(1 710～1 880 MHz)、PCS1900(1 850～1 990 MHz)等频段,在频段内回波损耗系数S11≤-6 dB,具备了良好的阻抗匹配性能,且谐振点附近的增益方向图呈现出较好的方向性。该天线实物在DCS1800和PCS1900频段内的无源和有源测试结果良好,满足了无线温度传感器天线的要求,具有一定的实际应用价值。