ZigBee室內定位設備的天線(xiàn)與射頻接口電路設計

摘要：針對ZigBee室榷ㄎ簧璞付緣绱懦「咝Р生和準確測量的要求，分析了室榷ㄎ簧璞鋼刑煜哂肷淦到涌詰緶飛杓頻幕本需求，給出了一種倒F型1/4波長(cháng)單極子PCB板上天線(xiàn)及相應射頻接口的分析設計方法。通過(guò)電磁場(chǎng)仿真軟件Ansoft HFSS及射頻電路仿真分析軟件ADS2011對天線(xiàn)進(jìn)行仿真，得到天線(xiàn)的關(guān)鍵參數仿真結果。在實(shí)際應用系統中的測試結果證明，天線(xiàn)及其射頻接口能夠較好地支持定位設備與定位算法的工作，且滿(mǎn)足定位節點(diǎn)設備對體積與成本方面的要求。

在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，人們對定位與導航的應用需求日益增多，其應用場(chǎng)景也從室外擴展到了室內。尤其在社會(huì )公共安全領(lǐng)域，羈押場(chǎng)所監控、取保候審、應急救援等應用場(chǎng)合均對室內定位技術(shù)提出了新的需求。

當前室內定位系統有場(chǎng)強定位技術(shù)、磁場(chǎng)定位技術(shù)、計算機視覺(jué)定位技術(shù)、信標定位技術(shù)等方案。其中場(chǎng)強定位技術(shù)是目前發(fā)展最成熟，應用最廣泛的技術(shù)方案，其基本原理是通過(guò)測量電磁場(chǎng)強度來(lái)判定定位節點(diǎn)與參考節點(diǎn)的相對位置，進(jìn)而實(shí)現定位。因此，節點(diǎn)的天線(xiàn)及射頻電路設計是保證電磁場(chǎng)高效產(chǎn)生和準確測量的關(guān)鍵。

文中提出了一種適用于ZigBee室內定位設備的天線(xiàn)與射頻接口電路設計方案，并對其進(jìn)行了較為詳盡的仿真測試。

1 應用需求

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

根據場(chǎng)強定位原理，定位節點(diǎn)通過(guò)場(chǎng)強與距離的對應關(guān)系確定與參考節點(diǎn)的相對位置。這樣就要求天線(xiàn)在不同方向具有相同的輻射或接受能力，即天線(xiàn)在各個(gè)方向均勻輻射，才能避免因為方向不同而對距離估計產(chǎn)生誤差。

參考節點(diǎn)需要在定位區域大量部署，每一個(gè)定位對象也均需要隨身攜帶定位節點(diǎn)設備，這樣就對設備的成本和體積提出了較為嚴格的要求。

2 天線(xiàn)設計

2.1 天線(xiàn)線(xiàn)形選擇

短距離低功耗射頻設備對于天線(xiàn)成本、體積等方面均有嚴格的限制。單極子天線(xiàn)由于其結構簡(jiǎn)單，全向輻射，負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(xiàn)使用非平衡饋電點(diǎn)，便于與射頻前端電路連接。常見(jiàn)的1/4波長(cháng)單極子平面天線(xiàn)線(xiàn)性有鞭狀天線(xiàn)、Γ型天線(xiàn)、倒F型天線(xiàn)等。

鞭狀天線(xiàn)又叫直立天線(xiàn)，是形狀最簡(jiǎn)單的單極子天線(xiàn)，呈垂直于地平面的直立桿狀。鞭狀天線(xiàn)的主要缺點(diǎn)是縱向長(cháng)度大，有效高度不足，不利于安裝使用。Γ型天線(xiàn)是把鞭狀天線(xiàn)相對于地面彎折成Γ形狀，相當于增加了一個(gè)頂負載，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(guò)低，不利于傳輸線(xiàn)阻抗匹配。倒F天線(xiàn)由Γ型天線(xiàn)的垂直元末端加上一個(gè)Γ型結構組成，附加的Γ型結構可以方便地調整天線(xiàn)與饋電傳輸線(xiàn)間的匹配，解決了Γ型天線(xiàn)輸入阻抗過(guò)低的問(wèn)題。

倒F天線(xiàn)因其結構緊湊、高天線(xiàn)效率、匹配方便、易于設計實(shí)現等優(yōu)點(diǎn)，在移動(dòng)通信設備和無(wú)線(xiàn)傳感設備中得到了廣泛應用。

2.2 天線(xiàn)幾何參數設計

倒F天線(xiàn)線(xiàn)型如圖1所示。

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

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

倒F天線(xiàn)附加的Γ型結構bcd用來(lái)調整天線(xiàn)和饋電傳輸線(xiàn)的匹配。計算阻抗時(shí)，整個(gè)倒F天線(xiàn)可以看作由長(cháng)為L(cháng)(ab段)的終端開(kāi)路傳輸線(xiàn)和長(cháng)為S的終端短路傳輸線(xiàn)(bc段)的并聯(lián)。當傳輸線(xiàn)導體線(xiàn)寬W遠小于H時(shí)，傳輸線(xiàn)的特性阻抗可以表示為：

在理論計算的基礎上，根據仿真結果及實(shí)際測試情況對天線(xiàn)尺寸做出微調，最終得到天線(xiàn)尺寸如表1所示。

2.3 天線(xiàn)仿真結果

利用三維電磁場(chǎng)仿真軟件Ansoft HFSS對所設計天線(xiàn)的進(jìn)行建模仿真，得到天線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )參數如圖2無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )參數所示。圖2(a)為輸入端反射系數，表示匹配網(wǎng)絡(luò )回波損耗;圖2(b)為天線(xiàn)駐波比;圖2(c)為天線(xiàn)輸入阻抗。

由Ansoft HFSS仿真得到天線(xiàn)基本參數如表2所示。

3 射頻接口電路設計

定位節點(diǎn)設備采用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。射頻接口電路設計的主要任務(wù)是完成CC2530芯片輸出的差分信號轉換為單端信號，并完成69+j29 Ω到天線(xiàn)輸入阻抗的匹配。

射頻接口電路在TI公司提供的參考設計的基礎上進(jìn)行了參數仿真和優(yōu)化，并在天線(xiàn)接口端根據系統需求及節點(diǎn)硬件設計特點(diǎn)進(jìn)行了重新設計，保證在阻抗匹配、收斂性及電磁兼容性能等方面符合設計需求。

射頻接口電路原理圖如圖3所示，其中，Term2為50 Ω天線(xiàn)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A(yíng)DS2011環(huán)境下對該設計進(jìn)行S參數仿真及Z參數仿真，仿真結果如圖4所示。圖4(a)為輸入端到輸出端的正向傳輸系數，表示匹配網(wǎng)絡(luò )的插入損耗;圖4(b)為輸入端反射系數，表示匹配網(wǎng)絡(luò )回波損耗;圖4(c)為輸入阻抗，圖4(d)為驅動(dòng)點(diǎn)阻抗，即匹配網(wǎng)絡(luò )的輸出阻抗。

仿真結果顯示，匹配網(wǎng)絡(luò )正向傳播系數為-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。

定位節點(diǎn)設備其他部分硬件設計參考TI公司的參考設計。

4 實(shí)現與測試

為測試天線(xiàn)在實(shí)際應用系統中的性能，對工程初樣設備進(jìn)行了初步測試。測試環(huán)境為室內走廊，2個(gè)設備作為固定位置的參考節點(diǎn)布置在長(cháng)度為58m的走廊兩端，1個(gè)設備作為定位節點(diǎn)由測試者手持在走廊中勻速往復走動(dòng)。定位節點(diǎn)廣播發(fā)送自身的特征信息數據，參考節點(diǎn)接收并記錄場(chǎng)強信息。測試結果如圖5所示。其中橫軸為時(shí)間軸，縱軸為參考節點(diǎn)測得的場(chǎng)強信號RSSI值。

由測試結果可知，傳感網(wǎng)絡(luò )通信穩定，無(wú)線(xiàn)場(chǎng)強RSSI值穩定且與參考節點(diǎn)到定位節點(diǎn)的距離具有良好的單調關(guān)系，說(shuō)明天線(xiàn)及射頻電路部分設計能夠較好地支持定位設備與定位算法的工作。

5 結論

倒F型PCB板上天線(xiàn)具有體積小、成本低、結構緊湊、高天線(xiàn)效率、匹配方便、易于設計實(shí)現等優(yōu)點(diǎn)，在移動(dòng)通信設備和無(wú)線(xiàn)傳感設備中得到了廣泛應用。本文介紹了一種適用于手持式室內定位設備的倒F型PCB板上天線(xiàn)及其射頻接口電路的分析設計方法，并對天線(xiàn)相關(guān)參數及射頻電路的主要參數進(jìn)行了仿真分析。在實(shí)際應用系統中的測試結果證明，天線(xiàn)及射頻電路部分設計能夠較好地支持定位設備與定位算法的工作，且滿(mǎn)足定位節點(diǎn)設備對體積與成本方面的要求。