机载无线传感器小型化微带天线设计

简荣坤,井云鹏,修威国,余 磊,李奕轩,张晓峻

(1.中国电子科技集团公司第四十九研究所,黑龙江 哈尔滨 150028；2.哈尔滨工程大学 物理与光电工程学院,黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引 言

伴随着航空电子系统功能的日趋完善,机载电子设备和传感器的装机数量大幅提升,机载测量系统的组成也随之复杂化。机载设备之间目前主流的连接方式是有线连接,实现数据的传输和能量的传递[1,2]。这种连接方式需要占据大量舱内空间,增加飞机的承重负担,消耗飞机载运能力,影响产品的工程应用性和推广性[3,4],难以应对新一代航空电子系统复杂的工作任务。

无线传感器网络由若干个无线传感器节点组成,彼此之间使用天线进行信息传输,可有效解决有线连接方式所带来的弊端[5,6]。飞机机翼内有限的空间尺寸和恶劣的工作环境对机载无线传感器天线设计提出了严格要求。传统的棒状天线和鞭状天线需要很大的安装空间,且不能承受机翼内高强度的振动环境。微带天线在无线通信技术领域中有着至关重要的地位,因其小型化、易集成、结构简单、极化方式多样和低剖面等特点,最初就被应用于飞机装备上,并在之后不断地发展壮大[7～10]。

因此,本文采用微带天线技术将天线与无线传感器壳体做成共型天线,实现无线传感器的小型化设计的同时,提高天线的可靠性[11,12]。针对无线传感器和无线控制器的通信频率以及结构尺寸的要求,研究微带天线的形状、尺寸、安装方式对天线带宽、增益和方向角的影响,给出了详细的理论设计公式和仿真过程。本文内容将为微带天线的设计和工程安装应用提供理论基础。

1 微带天线尺寸设计

根据结构设计要求,无线传感器微带天线尺寸需要小于无线传感器的外形尺寸60 mm×60 mm；为了满足通信质量,谐振频率为915 MHz,谐振频率处S11≤-20 dB,天线方向要求定向半球状,满足±30°范围内正视通信；考虑无线电路器件的差异和温度漂移特性,要求频率带宽不低于2 MHz；端口阻抗50 Ω。

微带天线是由贴片、介质基板、接地板三部分组成。图1是一个底边长为L,侧边宽为W,基板厚度为H的矩形微带贴片天线的示意图[13]。图中,微带天线馈电方式为同轴线馈线。

图1 矩形微带贴片天线结构示意

设计时,首先需要根据工况选择合适的介质基板选材,根据天线工作频率和带宽等指标确定微带天线的基板厚度H,矩形贴片宽度W,矩形贴片长度L[14]。

1)微带天线介质基板的厚度H

当介质基板的厚度H<λ/16时,电压驻波比VSWR<2的频带宽度经验公式[15]为

Δf(MHz)=5.04f2H

(1)

式中H单位为mm,f单位为GHz。由式(1)可计算出:当采用厚度为3 mm的F4BTM介质基板时,最大可以支持的频带宽度为12.66 MHz。

2)矩形贴片宽度W

矩形贴片的宽度W由式(2)确定

(2)

式中c=3×108m/s。代入谐振频率fr=915 MHz,相对介电常数εr=11.72,可以算出W=65 mm。

3)矩形贴片长度L

矩形微带天线长度理论上近似为0.5λg,但由于边缘场的影响,L一般按式(3)取为

(3)

式中λg为谐振频率915 MHz在介质基板中传播的等效波长,ΔL为等效辐射缝隙长度,εe为有效介电常数,它们分别由式(4)～式(6)确定

(4)

(5)

(6)

式中λ0为自由空间波长。

经过上述设计计算可得,选用相对介电常数为11.72,厚度为3 mm的F4BTM作为介质基板材料,辐射贴片尺寸为65 mm×76.5 mm,不满足使用场景,故需要进行天线的尺寸小型化。

2 微带天线优化

为了进一步减少天线的尺寸,采用辐射贴片开槽延长电流的有效路径,使天线尺寸和谐振频率满足技术要求,因此,基于HFSS软件,采用开槽技术优化设计无线传感器天线。

2.1 开槽技术的设计与仿真

贴片减小尺寸会导致谐振频率增加,导致中心频率达不到设计要求,故需要在减小尺寸的同时,使谐振频率为915 MHz。由于微带天线本身尺寸不大,所以造成了天线的Q值较高,进而导致了天线工作频段的带宽较小,不满足2 MHz以上的带宽要求。因此,需要采取措施缩小传感器微带天线体积,同时展宽天线带宽。

Kubacki R等人使用分型结构来刻蚀人工电磁材料单元,该结构可以产生左手材料的特性,将其加载于微带贴片天线的上表面和底面,最终使得其工作频带达到4.1～19.4 GHz,并且工作频带内的增益范围从最小6 dB到最高10 dB[16]。Prakash P等人提出一个共面波导馈电的高增益单极子天线,天线下方的AMC结构采用蚀刻了圆环形缝隙的方形贴片阵列,其增益可以达到10 dB[17]。Kim D等人设计了一种小型化的射频识别标签天线,通过在平面偶极子天线下方放置一个加载金属过孔的改进型矩形贴片式AMC,降低了天线的剖面并将其尺寸减小至0.1λ0×0.2λ0×0.01λ0,其中,λ0为工作波长[18]。这些方法能显著提高小型化微带天线的增益和带宽,但也会导致天线厚度、损耗和结构复杂度显著增加。

本文对天线尺寸要求的优先级最高,在不增加天线厚度的情况下,采用开槽技术可以实现缩小天线体积,同时保持微带贴片天线低剖面、简单结构和低成本的优点。根据无线传感器结构尺寸需求,暂定无线传感器微带天线的辐射贴片尺寸为40 mm×56 mm。在此基础上,通过仿真优化方法,计算并分析不同的无线传感器天线矩形槽深度、宽度对谐振频率和带宽的影响以及无线控制器天线基板尺寸对天线参数的影响。

小型化微带天线单元的设计关键在于天线开槽的设计。通过仿真优化方法计算并分析无线传感器天线不同矩形槽深度对谐振频率和带宽的影响。天线基板尺寸为60 mm×60 mm×3 mm,材料为F4BTM,贴片尺寸大小为40 mm×56 mm,采用仿真库中的氯化聚乙烯(PEC)材料,开有8道矩形槽。如图2所示,无线传感器天线上开有两种矩形槽,即第一象限所示两种不同深度的槽,槽深L1即为槽1,槽深L2即为槽2,剩余的6道槽均与槽1、槽2关于X或Y轴对称。两种矩形槽宽度相同,为2 mm,槽2深度L2为16 mm,对槽1深度L1进行最优设计,使天线的谐振频率和带宽均达到预期标准。

图2 无线传感器天线示意

设定矩形槽宽度2 mm,矩形槽2长度16 mm,矩形槽1长度范围14～16 mm,通过仿真确定此范围内矩形槽1的最佳长度L1,仿真结果如图3所示。通过分析仿真结果,当矩形槽1长度L1=14.22 mm时,曲线在915 MHz时取得最低点,即当矩形槽1长度L1=14.22 mm时,天线的谐振频率为915 MHz,同时在纵轴取值-10 dB时,曲线两交点间隔最大且大于2 MHz,带宽达到最大值。L1=14.22 mm为最优解。

图3 L1优化仿真

故最终确定本文天线采用开矩形槽设计,传感器介质基板上天线贴片具体尺寸为40 mm×56 mm,传感器天线贴片槽1尺寸为14.22 mm×2 mm,槽2尺寸为16 mm×2 mm。

2.2 微带天线性能仿真分析

对无线传感器模型进行仿真分析,得到S11回波损耗、增益仿真曲线如图4所示,三维增益方向如图5所示。

图4 天线S11与增益

图5 天线三维增益方向

通过图4无线传感器S11回波损耗图(黑色曲线)仿真结果可知,其中心频率为915 MHz(S11参数衰减最大的频率为中心频率),中心频率处S11为-23.13 dB,通过观察图4无线传感器S11回波损耗图中小于-10 dB数值,可知带宽为2.44 MHz(在纵轴取值-10 dB时,曲线两交点横坐标间隔即为带宽)。观察图4模型二维增益图(点划线)中中心频率处的数值,可知无线传感器模型增益为-2.22 dB。观察图5三维增益方向图深色部分可知，模型增益集中位于Theta角度为±25°的范围内(Theta即为与z轴夹角)。

微带天线采用相对介电常数11.7的F4BTM作为天线的介质基板材料,板厚3 mm,无线传感器天线金属贴片尺寸为40 mm×56 mm,介质基板尺寸为60 mm×60 mm。仿真得到的技术参数如表1所示。

表1 天线的仿真结果

通过仿真可确定无线传感器天线中心频率、增益和天线方向能够满足应用需求,这将在后续测试部分进行验证。

3 机载无线传感器天线的指标测试

首先对微带天线进行喷涂处理,在天线表面形成有机图层,保护贴片金属表面。图6为经喷涂处理前后天线的实物。

图6 微带天线工艺处理对比

测试过程中,天线与壳体安装到一起,测试参数包括天线驻波、方向图(方位面和俯仰面)和增益测试。使用的仪器有Keysight—N5234B矢量网络分析仪、安捷伦—E5071C矢量网络分析仪、暗室及其操作系统。利用矢量网络分析仪测试天线的网络参数如S参数、增益、阻抗等；利用微波暗室隔离外界电磁干扰,模拟理想的电磁环境,提高测试结果准确性。

图7(a)为无线传感器和微带天线测试暗室,图7(b)为测试所用矢量网络分析仪。

图7 试验环境与主要设备实物

中心频率及带宽测量：用矢量网络分析仪进行相应频段驻波测试,首先进行矢网校准,通过电子校准器对单端口矢网进行校准(含相应频段线缆),校准频率为相应频率。然后将天线接口接于测试校准的线缆上,并保存记录数据。

图8为无线传感器天线在低、中、高3个频点的驻波测试结果,无线传感器天线的中心频率为915 MHz,带宽为3.52 MHz。

图8 无线传感器天线驻波

测试天线增益及方向图：首先进行相应频段的标准天线校准工作,设置所测频点。然后将待测天线安装于转台上,设好收发天线极化进行测试(为同向极化),分别进行H面、V面测试,天线增益为-2.7 dB。

无线传感器天线的方向图测试结果如图9所示。从图中看出,天线方向是沿着天线顶部,定向半球状,发射方向图的角度定向半球状±40°正向通视,接收方向图的角度定向半球状-47°～+40°正向通视,波束宽度范围覆盖±30°正向通视的要求。

图9 天线方位方向

无线传感器和无线控制器天线的设计指标与实际测试得到的技术参数如表2所示。

表2 传感器天线实测与设计仿真参数

4 结 论

本文根据矩形微带天线的设计原理,设计出一种915 MHz机载无线传感器小型化微带天线。天线选择适合机载环境的F4BTM材料作为微带天线基板,同轴馈电,并使用开槽法在贴片表面开有两种不同长度的矩形槽,实现了微带天线的小型化。经过对天线性能参数的仿真和实际测试,天线增益-2.7 dB,带宽3.52 MHz,方向定向半球状±47°正向通视,天线尺寸60 mm×60 mm,满足机载无线传感器小型化天线设计需求。