ZigBee室內(nèi)定位設(shè)備的天線與射頻接口電路設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)ZigBee室內(nèi)定位設(shè)備對(duì)電磁場(chǎng)高效產(chǎn)生和準(zhǔn)確測(cè)量的要求，分析了室內(nèi)定位設(shè)備中天線與射頻接口電路設(shè)計(jì)的基本需求，給出了一種倒F型1/4波長(zhǎng)單極子PCB板上天線及相應(yīng)射頻接口的分析設(shè)計(jì)方法。通過電磁場(chǎng)仿真軟件Ansoft HFSS及射頻電路仿真分析軟件ADS2011對(duì)天線進(jìn)行仿真，得到天線的關(guān)鍵參數(shù)仿真結(jié)果。在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中的測(cè)試結(jié)果證明，天線及其射頻接口能夠較好地支持定位設(shè)備與定位算法的工作，且滿足定位節(jié)點(diǎn)設(shè)備對(duì)體積與成本方面的要求。

在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，人們對(duì)定位與導(dǎo)航的應(yīng)用需求日益增多，其應(yīng)用場(chǎng)景也從室外擴(kuò)展到了室內(nèi)。尤其在社會(huì)公共安全領(lǐng)域，羈押場(chǎng)所監(jiān)控、取保候?qū)?、?yīng)急救援等應(yīng)用場(chǎng)合均對(duì)室內(nèi)定位技術(shù)提出了新的需求。

當(dāng)前室內(nèi)定位系統(tǒng)有場(chǎng)強(qiáng)定位技術(shù)、磁場(chǎng)定位技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺定位技術(shù)、信標(biāo)定位技術(shù)等方案。其中場(chǎng)強(qiáng)定位技術(shù)是目前發(fā)展最成熟，應(yīng)用最廣泛的技術(shù)方案，其基本原理是通過測(cè)量電磁場(chǎng)強(qiáng)度來判定定位節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)定位。因此，節(jié)點(diǎn)的天線及射頻電路設(shè)計(jì)是保證電磁場(chǎng)高效產(chǎn)生和準(zhǔn)確測(cè)量的關(guān)鍵。

文中提出了一種適用于ZigBee室內(nèi)定位設(shè)備的天線與射頻接口電路設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其進(jìn)行了較為詳盡的仿真測(cè)試。

1 應(yīng)用需求

無線傳感設(shè)備的成本、功耗受到嚴(yán)格的限制，不能通過增大發(fā)射功率的方式增大輻射場(chǎng)強(qiáng)。因此提高天線能量轉(zhuǎn)換效率，保證有效發(fā)射功率和接收靈敏度是提高設(shè)備有效工作距離，保證設(shè)備性能，降低系統(tǒng)部署成本的關(guān)鍵。

根據(jù)場(chǎng)強(qiáng)定位原理，定位節(jié)點(diǎn)通過場(chǎng)強(qiáng)與距離的對(duì)應(yīng)關(guān)系確定與參考節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置。這樣就要求天線在不同方向具有相同的輻射或接受能力，即天線在各個(gè)方向均勻輻射，才能避免因?yàn)榉较虿煌鴮?duì)距離估計(jì)產(chǎn)生誤差。

參考節(jié)點(diǎn)需要在定位區(qū)域大量部署，每一個(gè)定位對(duì)象也均需要隨身攜帶定位節(jié)點(diǎn)設(shè)備，這樣就對(duì)設(shè)備的成本和體積提出了較為嚴(yán)格的要求。

2 天線設(shè)計(jì)

2.1 天線線形選擇

短距離低功耗射頻設(shè)備對(duì)于天線成本、體積等方面均有嚴(yán)格的限制。單極子天線由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，全向輻射，負(fù)載和饋電模式靈活多樣等特點(diǎn)，成為最理想的選擇。另外單極子天線使用非平衡饋電點(diǎn)，便于與射頻前端電路連接。常見的1/4波長(zhǎng)單極子平面天線線性有鞭狀天線、Γ型天線、倒F型天線等。

鞭狀天線又叫直立天線，是形狀最簡(jiǎn)單的單極子天線，呈垂直于地平面的直立桿狀。鞭狀天線的主要缺點(diǎn)是縱向長(zhǎng)度大，有效高度不足，不利于安裝使用。Γ型天線是把鞭狀天線相對(duì)于地面彎折成Γ形狀，相當(dāng)于增加了一個(gè)頂負(fù)載，減小了其縱向尺寸。但由于其垂直高度不足，造成其輸入阻抗過低，不利于傳輸線阻抗匹配。倒F天線由Γ型天線的垂直元末端加上一個(gè)Γ型結(jié)構(gòu)組成，附加的Γ型結(jié)構(gòu)可以方便地調(diào)整天線與饋電傳輸線間的匹配，解決了Γ型天線輸入阻抗過低的問題。

倒F天線因其結(jié)構(gòu)緊湊、高天線效率、匹配方便、易于設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，在移動(dòng)通信設(shè)備和無線傳感設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。

2.2 天線幾何參數(shù)設(shè)計(jì)

倒F天線線型如圖1所示。

1/4波長(zhǎng)單極子具有較大的增益帶寬積，但是環(huán)境參數(shù)，如基板材料、與地層的距離、地層大小、PCB線寬等參數(shù)對(duì)天線性能均會(huì)有所影響。

PCB基板為FR4材質(zhì)，采用1.6 mm標(biāo)準(zhǔn)板厚，在2.45GHz頻率下材料介電常數(shù)εr為4.4。由公式(2)可得到有效介電常數(shù)εeff。

倒F天線附加的Γ型結(jié)構(gòu)bcd用來調(diào)整天線和饋電傳輸線的匹配。計(jì)算阻抗時(shí)，整個(gè)倒F天線可以看作由長(zhǎng)為L(zhǎng)(ab段)的終端開路傳輸線和長(zhǎng)為S的終端短路傳輸線(bc段)的并聯(lián)。當(dāng)傳輸線導(dǎo)體線寬W遠(yuǎn)小于H時(shí)，傳輸線的特性阻抗可以表示為：

在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，根據(jù)仿真結(jié)果及實(shí)際測(cè)試情況對(duì)天線尺寸做出微調(diào)，最終得到天線尺寸如表1所示。

2.3 天線仿真結(jié)果

利用三維電磁場(chǎng)仿真軟件Ansoft HFSS對(duì)所設(shè)計(jì)天線的進(jìn)行建模仿真，得到天線網(wǎng)絡(luò)參數(shù)如圖2無線網(wǎng)絡(luò)參數(shù)所示。圖2(a)為輸入端反射系數(shù)，表示匹配網(wǎng)絡(luò)回波損耗;圖2(b)為天線駐波比;圖2(c)為天線輸入阻抗。

由Ansoft HFSS仿真得到天線基本參數(shù)如表2所示。

3 射頻接口電路設(shè)計(jì)

定位節(jié)點(diǎn)設(shè)備采用TI公司的CC2530為核心的解決方案，射頻收發(fā)器集成在主控芯片中。射頻接口電路設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是完成CC2530芯片輸出的差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)，并完成69+j29 Ω到天線輸入阻抗的匹配。

射頻接口電路在TI公司提供的參考設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了參數(shù)仿真和優(yōu)化，并在天線接口端根據(jù)系統(tǒng)需求及節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，保證在阻抗匹配、收斂性及電磁兼容性能等方面符合設(shè)計(jì)需求。

射頻接口電路原理圖如圖3所示，其中，Term2為50 Ω天線接口，Term1與Term3及Balun器件CMP1是模擬CC2530射頻輸出端的虛擬器件。

在ADS2011環(huán)境下對(duì)該設(shè)計(jì)進(jìn)行S參數(shù)仿真及Z參數(shù)仿真，仿真結(jié)果如圖4所示。圖4(a)為輸入端到輸出端的正向傳輸系數(shù)，表示匹配網(wǎng)絡(luò)的插入損耗;圖4(b)為輸入端反射系數(shù)，表示匹配網(wǎng)絡(luò)回波損耗;圖4(c)為輸入阻抗，圖4(d)為驅(qū)動(dòng)點(diǎn)阻抗，即匹配網(wǎng)絡(luò)的輸出阻抗。

仿真結(jié)果顯示，匹配網(wǎng)絡(luò)正向傳播系數(shù)為-0.685 dB，插入損耗小于0.076;回波損耗為-22.733 dB，小于0.073;輸入阻抗為69.1 81-j28.839 Ω，輸出阻抗為41.665-j20.508 Ω。

定位節(jié)點(diǎn)設(shè)備其他部分硬件設(shè)計(jì)參考TI公司的參考設(shè)計(jì)。

4 實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

為測(cè)試天線在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中的性能，對(duì)工程初樣設(shè)備進(jìn)行了初步測(cè)試。測(cè)試環(huán)境為室內(nèi)走廊，2個(gè)設(shè)備作為固定位置的參考節(jié)點(diǎn)布置在長(zhǎng)度為58m的走廊兩端，1個(gè)設(shè)備作為定位節(jié)點(diǎn)由測(cè)試者手持在走廊中勻速往復(fù)走動(dòng)。定位節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)送自身的特征信息數(shù)據(jù)，參考節(jié)點(diǎn)接收并記錄場(chǎng)強(qiáng)信息。測(cè)試結(jié)果如圖5所示。其中橫軸為時(shí)間軸，縱軸為參考節(jié)點(diǎn)測(cè)得的場(chǎng)強(qiáng)信號(hào)RSSI值。

由測(cè)試結(jié)果可知，傳感網(wǎng)絡(luò)通信穩(wěn)定，無線場(chǎng)強(qiáng)RSSI值穩(wěn)定且與參考節(jié)點(diǎn)到定位節(jié)點(diǎn)的距離具有良好的單調(diào)關(guān)系，說明天線及射頻電路部分設(shè)計(jì)能夠較好地支持定位設(shè)備與定位算法的工作。

5 結(jié)論

倒F型PCB板上天線具有體積小、成本低、結(jié)構(gòu)緊湊、高天線效率、匹配方便、易于設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，在移動(dòng)通信設(shè)備和無線傳感設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。本文介紹了一種適用于手持式室內(nèi)定位設(shè)備的倒F型PCB板上天線及其射頻接口電路的分析設(shè)計(jì)方法，并對(duì)天線相關(guān)參數(shù)及射頻電路的主要參數(shù)進(jìn)行了仿真分析。在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中的測(cè)試結(jié)果證明，天線及射頻電路部分設(shè)計(jì)能夠較好地支持定位設(shè)備與定位算法的工作，且滿足定位節(jié)點(diǎn)設(shè)備對(duì)體積與成本方面的要求。