1、第26卷第2期 2010年3月 森林工程 FOREST ENGINEERING Vo126 N o2 Mar20l0 面向森林环境的24 GHz射频信号印制倒F天线的研制 代智慧， (北京林业大学， 李文彬 北京100083) 摘要：从无线传感器网络节点工作环境出发，分析电波在森林传播中对天线的极化、辐射及阻抗匹配特 性的特殊要求，根据天线原理、设计理论要求以及HFSS仿真分析和优化的结果，结合用安捷伦网络分析仪和 E rs 3D chamber测试出的天线s参数、增益和效率，研制出一款基于24 GHz射频信号的印制倒F天线。该天线 的仿真和实测结果表明，在24 GHz频率附近，电压驻波比在V
2、SWR2时，频带宽度460 MHz，能完全覆盖 24002484 GHz的工作频率范围，相对带宽19，天线增益3 dBi，辐射效率90。 关键词：印制倒F天线；HFSS；仿真 中图分类号：TN82327 文献标识码：A 文章编号：l001005X(2010)0203203 Design of Printed IFA Facing Forest Environment Based on 24 GHz RF signalDai Zhihui，Li Wenbin(Bet jing Forestry University，Beijing 100083) Abstract：Taking the work
3、ing environnlent ot wireless sensor network nodes as starting point，the special require ments of antenna polarization，radiation and impedance matching ellaraeteristics for radio transmission in the forest were an alyzedAccording t()the antenna prin( iple，design theory as well as the results of HFS S
4、 simulation and optimization，a printed Inveyt F antenna based on 24 GHz RF signal was developed combined with the antennas S parameter，gain and ef- tieieney W ( 11 were tested by Agilent network ana1)zer an(ETS 3D chalnlerThe simulation and experimental results of this antenna showed that when the f
5、requency was around 24 GHz till(the VSWR(vohage standing wave ratio)was below 20the band width was 460 MHzwhi(h could COilq：)letely r【)ver the working frequetIcy range of 24002484 GHzIn additionthe relative bandwidth was J 7aiqtenna gain was 3(I3iand ra(tiati(ni eftieieney was 90 Key WOrds：printed i
6、 livert、alilenna：HFSS：simulation 目前无线传感器网络应用广泛，在军事、环 境、健康、家庭、商业领域等许多方面有着巨大的 潜在应用前景。在森林环境信息监测方面也开 展了一些应用研究 ，本设计的_r作环境足森林 环境。无线传感器网络节点是组成网络的基本单 元，其数据收发单元多采用符合ZigBee标准的 CC2430和CC2510等频段范同为24002484GHz 的射频收发芯片，该节点特点是体积小，储能低， 通信带宽较窄。天线在无线传感器网络节点中占有 重要地位，其结构和性能直接影响着网络节点的尺 寸和传输效果。之前的研究巾常用单极天线等直接 作为收发天线，这样难以
7、发挥出节点的最佳效果， 收稿日期：200909一O1 基金项目：国家自然科学基金资助(30972425)；国家林业局 948项目资助(2008453)。 第一作者简介：代智慧(1983一)，女，四川自贡人，硕士研 究生。研究方向：林业机械自动化与智能化。 通讯作者：李文彬(1962一)，男，湖南新化人，博十，教 授。研究方向：林业机械自动化 智能化、人类1：效学。 根据无线传感器网络节点、ZigBee标准射频芯片的 特点以及森林环境，对于无线天线传播方向和极化 方式等有一定要求：其方向图在水平面上应具有全 向性、天线的尺寸要小，重量要轻，结构简单紧 凑。经罔内外研究证明倒F天线(invert
8、F anten Ha，IFA)具备以上特点。 Audun Andersen设计的24 GHz PCB小型天线 为当前同际比较前沿的印制倒F型天线，此设计 为适合于24GHz频段德克萨斯州生产的cc24XX 片的倒F天线。本文设计的是一款基于国产 cc2430芯片、面向森林这种独特环境的倒F型天 线，在 寸、结构和性能等方面具有其针对性和独 特性。 1 天线原理及设计 印制倒F型天线结构如图1所示 ，天线从 开路端到接地端的距离为己+Js+日，源距接地点 (短路面)的长度为2H+S；从源到开路面的距离 ，J+ ；设计IFA的思路就是设计出IFA各段长并 进行调整，观察其阻抗变化趋势，使其反射系数
9、在 工作频带内尽可能低 。倒F天线尺寸可由以下 第2期 代智慧等：面向森林环境的24 GHz射频信号印制倒F天线的研制 33 经验公式得出： 天线 侧视图 俯视图 图1倒F天线的结构 Fig1Structure of inveF antenna Ag=A 和 ：164，以及公式 f，J+ +1】=Ag4 ?2+S=017Ag，Ag为微带电路的导波长 ， 【 +H：020Ag 本设计天线采用相对介电常数为44，厚度h=15 trim的聚四氟乙烯基制作，可计算出倒F天线的基 本仿真尺寸，图1中，天线长度 =1725 mill； ：65 mill，S=55 mill，根据这些数据得一个平面 尺寸为2
10、370 ITIIll初始模型。 2倒F天线的仿真及优化 21仿真软件简介 为确保天线设计的精准性，用有效的仿真软件 对其前期的研究丁作进行仿真计算和对实验结果进 行验证是非常重要的。天线的仿真分析方法有 MATLAB仿真分析、三维ADIFDTD全波分析方 法和有限元法等，仿真软件也有MMANAGAL、 HFSS和GRASP等。因Ansoft HFSS可分析仿真任 意三维无源结构的高频电磁场，可直接得到特征阻 抗、传播常数、S参数及电磁场、辐射场和天线方 向图等结果，该软件现在广泛应用于无线和有线通 信、计算机、卫星、雷达、半导体和微波集成电 路、航空航天等领域，所以本文也将采用基于有限 元法的
11、Ansoft HFSS软件进行天线的仿真设计 。 22仿真步骤 用HFSS对微带天线进行设计计算采用以下 步骤。 (1)建立天线模型。 (2)创建波端口激励和理想边界。 (3)设置分析参数，解析频率为：24 GHz， 扫频范围1030 GHz。 (4)用HFSS进行数值分析计算。 图2倒F天线仿真模型 Fig2 Simulation model of inveF antenna 23仿真及优化结果 仿真完后，根据天线回波损耗仿真图和方向仿 真图等显示的信息，通过修改天线尺寸、更改扫描 频率设置，增加分析的精确率，减小反射系数，提 高辐射效率。倒F天线仿真模型如图2所示。经反 复实验，当 增加0
12、06，即天线平面尺寸为2306 70 mm，同时将扫描频率设置在23 GHz之 间，此时效果最好，结果如下。 (1)经过扫频，得到电压驻波比在带内的曲 线如图3所示。 _。 鲻 凰 、 b _lJ L ， _ ， 一 、 、 1 频率GHz 图3 IFA天线回波损耗仿真结果 Simulation results of lFA antenna return lOSS (2)利用软件的场计算功能可以得到在中心 频率时E面和H面的方向图，如图4所示。 回波损耗的仿真结果如图3所示，该天线在 244 GHz谐振频率时回波损耗为一3716 dh，在 24 GHz时，其回波损耗为一2313 dh，损耗小，
13、 且有良好的阻抗匹配性能。其中虚线处为电压驻波 比为20时，即回波损耗为一95 db时，可完全 覆盖射频芯片所工作的ISM频段2400 森林工程 第26卷 一18O 图4 IFA天线仿真方向图 Fig4 Direction diagram of IFA antenna simulation 2484 GHz，大的带宽让天线在碰到塑料或其他物 品的时候不会太敏感，稳定性好。从图4中可以看 出改天线在水平面上具有全向性，且该天线可同时 接收垂直和水平极化电磁波，完全满足前述的森林 环境对天线方向性和极化的要求。 3测试与分析 对印制的倒F天线的测试采用本地分析仪和 远程分析仪时钟同步化、拥有高质量
14、测量结果的安 捷伦(Agilent)网络分析仪，以及ETS 3D chamber 测试回波损耗、方向图以及增益和效率。 (1)回波损耗测量结果如图5所示。 糕 燃 回 M as1： kr3。2450000 Hz l 1 ZdH ， - 2 174G 王z 2 32GI z 、 f 3 Start 2 000000 MHz Start 3 000000 MHz 频率GHz 图5 IFA天线回损的测量结果 Fig5 Measurement result of IFA antenna return loss M1 (2)增益与效率测试结果见表1。 回波损耗的实测结果如图5所示，在245 GHz时，其
15、回波损耗为一19142 db，虚线处为电 压驻波比为20时，回波损耗为一95 db，带宽约 为460 MHz，相对带宽19，覆盖了2174 2632 GHz的频率范围。增益与效率实测结果显 示：该天线最高辐射效率为9606，最高增益 325 dbi，实测结果与仿真结果基本吻合，且具有 较高的效率，符合设计要求，如图6所示为该IFA 天线的实物图。 表1 IFA天线性能测试结果表 Tab1 Performance test results of IFA antenna 图6 1FA天线研制实物图 Fig6 Physical diagram of IFA antenna 4结论 本文研制出一种结构
16、简单的平面印制倒F天 线，阐述了运用HFSS仿真IFA天线的流程，并利 用optimetrics对指标进行优化，取得了满意的结 果。同时对研制的平面印制倒F天线进行了S参 数、增益、方向图和效率测试，实测得到了与仿真 结果比较吻合的数据，获得很好的带宽和增益，结 果说明了HFSS软件的可靠性和高效性，该天线可 满足在森林环境中信号传输的要求。 (下转第41页) 第2期 周云飞等：伐区剩余物收集成型设备压缩装置的研究 4l 可以得到木捆的运动速度为： I2： ， mmin。 (7) ， 2- 由于V。： ，可以得出： 。 (8) n2 。 L 代人数值，可得n 14。同理可得n 18。 由公式(
17、8)可以看出，由于传动比r、小锥 筒长度L 和木捆长度L是常数，所以螺旋线的圈 数由工作效率6以及所选柴油机的转速确定。 在柴油机选定的情况下，螺旋轨道的圈数越多，工 作效率越低 。 将公式(8)进一步变化，得到工作效率的 公式： 6：6_0Lxto。 (9) 6=-。 (9) ，n2 3 结论 通过对伐区剩余物收集利用技术的分析和压缩 装置的设计计算，可总结为以下几点： (1)合理利用伐区剩余物，将大大缓解木材供 需矛盾，也是解决能源短缺的一种出路 。 (2)人工收集作业效率低，发展机械化自动化 收集利用技术是提高伐区剩余物利用效率的有效 途径。 (3)为了能使机构达到良好的压缩效果，要求
18、压缩机构具有很好的强度。 (4)由于螺旋轨道的磨损程度较大，所以设计 时轨道应是可拆卸的，以便于定期更换轨道。 (5)由公式(9)可知，机构的工作效率与螺 旋轨道的圈数成反比关系，与柴油机的转速成正比 关系。因此，在保证满足加工条件和节约成本的前 提下，可适当减少螺旋轨道的圈数，增大柴油机的 转速，来提高装置的工作效率。 【参考文献】 1万志芳，王飞，李明林区森林采伐剩余物利用状况分 析J中国林业经济，2007(4)：1719 2黄国强，郑新震伐区剩余物合理利用J J林业建设， 2003(2)：1820 3肖生苓采伐剩余物不同削片生产工艺类型的比较J东 北林业大学学报，2001，29(1)：9
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