馬龍龍, 王新玲,孫運強, 姚愛琴

（1 中北大學 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室, 山西 太原 030051；2 中北大學 信息與通信工程學院，山西 太原 030051）

0 引言

在高速旋轉軸的測試實驗中，nRF2401收發(fā)模塊PCB發(fā)射天線將與軸同時做圓周運動，即使天線完成了自己的功能——將盡可能多的能量定向的輻射出去，但數(shù)據(jù)傳輸?shù)男Ч⒉荒苓_到最佳的狀態(tài)，隨著軸轉速的不斷提高，出現(xiàn)了數(shù)據(jù)包丟失的問題。為解決這個問題，本文提出了一種基于nRF2401收發(fā)模塊的環(huán)狀天線設計方案。

目前市場所售天線種類繁多，主要產(chǎn)品有C網(wǎng)和G網(wǎng)無線終端天線、2.4GHzWLANWIFI天線、3G天線、芯片天線（2.4GHz頻段）等，這些天線為各種應用需求提供了盡可能多的解決方案。盡管PCB微帶天線在2.4GHz頻帶具有好的一些輻射性能，S11參數(shù)也達到 ，但仍不能有效改善轉動狀態(tài)下的數(shù)據(jù)傳輸性能，考慮到隨著發(fā)射模塊的圓周轉動，發(fā)射天線的輻射方向性也在做近似圓周的轉動，據(jù)此提出了將PCB天線改為環(huán)狀結構的方法。

1 環(huán)狀天線的工作原理

環(huán)形天線和人體非常相似，有普通的單極或多級天線功能。再加上小型環(huán)形天線的體積小、高可靠性和低成本，使其成為微小型通信產(chǎn)品的理想天線。典型的環(huán)形天線由電路板上的銅走線組成的電回路構成，也可能是一段制作成環(huán)形的導線。其等效電路相當于兩個串聯(lián)電阻與一個電感的串聯(lián)(如圖1所示)。Rrad是環(huán)形天線實際發(fā)射能量的電阻模型，它消耗的功率就是電路的發(fā)射功率。假設流過天線回路的電流為I，那么Rrad的消耗功率，即RF功率為 Pradiate=I2· Rrad。 電 阻Rloss是環(huán)形天線因發(fā)熱而消耗能量的電阻模型，它消耗的功率是一種不可避免的能量損耗，其大小為：Ploss=I2·Rloss。如果Rloss>Rrad，那么損耗的功率比實際發(fā)射的功率大，因此這個天線是低效的。天線消耗的功率就是發(fā)射功率和損耗功率之和。實際上，環(huán)形天線的設計幾乎無法控制Ploss和Prad，因為Ploss是由制作天線的導體的導電能力和導線的大小決定的，而Prad是由天線所圍成的面積大小決定的。

圖1 環(huán)狀天線等效電路

2 參數(shù)值的計算

2.1 環(huán)狀天線結構參數(shù)的計算

在Ansoft HFSS環(huán)境中建立環(huán)天線與軸的模型如圖2所示，解算類型設置為Driven Modal，軸材料為鋼，中間部分圓柱半徑為100mm；長500mm，兩端圓柱對稱半徑為120mm；長100mm，兩端圓柱與中間圓柱水平距離為50mm。

圖2 軸上環(huán)天線仿真模型

通過比較各種不同天線參數(shù)（環(huán)半徑、天線結構半徑、天線材料等）的仿真結果，并綜合考慮價格、可行性等多種因素，最終確定的有關參數(shù)如下：環(huán)半徑（112mm）；天線結構半徑（0.55mm）；天線材料（氧化鋁（96%含量））；相對介電常數(shù)（9.4）；非傳導性損耗因數(shù)（0.006）；天線縫隙（8mm）。按以上參數(shù)設置軟件，通過仿真可得到環(huán)天線的特性阻抗，結果顯示在2.48GHz附近天線阻抗虛部為零，環(huán)天線特性阻抗為80.23Ω。

2.2 環(huán)狀天線電參數(shù)的計算

確定激勵源模型，調(diào)整激勵源的阻抗，使之與該環(huán)天線匹配，以計算精確的天線電參數(shù)。通過激勵源模型進行解算分別得到環(huán)天線的S11參數(shù)曲線和輻射方向圖。分析得知天線在2.48GHz附近具有良好的輻射性能，發(fā)射芯片nRF2401的中心頻率為2.483GHz，該天線能很好地滿足輻射要求。環(huán)狀天線輻射的最大方向性保持相對穩(wěn)定，天線在繞軸圓周上的輻射方向性得到了明顯改進。在此激勵模型下可得天線電參數(shù)如下：MAX U（0.15317W/sr）；Peak- Directivity（1.7477）；Peak Gain（1.9459）；Peak Realized Gain（1.9249）；Radiated -Power（1.1014w）；Accepted Power（0.98919w）；Incident Power（1w）。

3 環(huán)狀天線與nRF2401芯片的匹配

由于nRF2401芯片的天線輸出阻抗是50Ω，而設計的環(huán)狀天線的特性阻抗是80.23Ω，因此需要在芯片的輸出級與環(huán)天線之間加入阻抗匹配網(wǎng)絡，本設計為了改善數(shù)據(jù)傳輸性能，在芯片的輸出端口加入了一級放大電路，使該放大電路的輸入端口與芯片輸出級的50Ω阻抗相匹配，輸出端口與環(huán)天線的80.23Ω阻抗相匹配，在此通過ADS軟件確定該放大電路及其輸入輸出端口阻抗匹配網(wǎng)絡的結構及各元件參數(shù)。

3.1 交流仿真、S參數(shù)仿真和調(diào)諧

圖3 初始放大電路S_match

仿真是完成射頻設計的一個有力手段，按照最優(yōu)化的電路圖制作實際電路，顯然是最高效的。首先建立2.4GHz初始放大電路（加入匹配網(wǎng)絡前）如圖3所示。

其中:仿真頻段為100 MHz～4 GHz,步長10 MHz;SRC2中設置電壓為5V；終端Term 1, Term2分別標識為NUM1和NUM2,阻抗均為50，Q1中beta值采用默認的160; DC_BLOCK1, DC一Block2電容值為10pF; DC_Feedl, DC_Feed2均為120 nH; Rb,Rc阻值分別為56Ω和590Ω。

運行電路仿真，對傳輸參數(shù)和反射參數(shù)數(shù)據(jù)繪圖并做標記如圖4所示，從圖中可以看出，增益曲線比較平坦，泄漏也適當，但阻抗并未匹配。

圖4 初始放大電路的S參數(shù)曲線

利用ADS調(diào)諧功能，加入匹配元件L和C 并多次改變參數(shù)值，得到輸入及輸出端匹配網(wǎng)絡的電路如圖5所示，電路性能在圖6中給出。

圖5 匹配網(wǎng)絡

圖6 加入匹配網(wǎng)絡后的電路性能曲線

考查圖4中的S11數(shù)據(jù)，并聯(lián)一電容C將把標記點朝50 恒定電阻原圖靠近，串聯(lián)一電感可使其沿50 圓朝Smith chart圓心移動。這樣所選的L,C值要使電路無損耗地通過2.4GHz。

3.2 最優(yōu)化處理

通過在原理圖中引入最優(yōu)化控制器和優(yōu)化目標，可以得到最優(yōu)化的匹配網(wǎng)絡這里優(yōu)化目標設置S11最大值為-10dB，頻率范圍1850～1950MHz，對于S22進行類似設置啟動元件最優(yōu)化處理，設置L優(yōu)化范圍是1~40nH,C優(yōu)化范圍為0.01~1pF。優(yōu)化處理完成后匹配網(wǎng)絡的元件參數(shù)值被自動替換為最優(yōu)值，為電感添加電阻。最終得到放大電路如圖7所示。

圖7中元件參數(shù)設置：仿真頻段為100MHz~ 4 GHz,步長10 MHz;SRC2中設置電壓為5V；終端Term 1, Term2分別標識為NUM1和NUM2,阻抗均為50 ，Q1中beta值采用默認的160; DC_BLOCK1, DC一Block2電 容 值 為10pF; DC _Feedl, DC_Feed2均 為120 nH; Rb,Rc阻滯分別為56 和590 。匹配網(wǎng)絡中，L_match_ in為18.3nH&12 ,C_match_in為0.35pF，L_match_out為27.1nH&6 ，C_match_out為0.22pF。

同樣對最優(yōu)化電路運行S參數(shù)仿真，可以得到接近理想的電路性能如圖8所示。

圖7 最優(yōu)化電路

圖8 最優(yōu)化電路性能曲線

4 結束語

軟件仿真是提高工作效率的一條捷徑，諸如ADS等高頻仿真設計軟件提供了可靠的設計依據(jù)，對射頻系統(tǒng)設計也是必不可少的助手按照上述優(yōu)化結果制作出實際的放大電路模塊，利用矢量網(wǎng)絡分析儀進行測量，其S參數(shù)等各項指標均與仿真效果基木吻合。本文提出將PCB天線改為環(huán)狀結構的方案，解決了高速旋轉軸數(shù)據(jù)傳輸過程中數(shù)據(jù)包丟失的問題。

[1] 宋錚，張建華，黃冶.天線與電波傳播[M].西安：西安電子科技大學出版社，2003.

[2] 胡樹豪.實用射頻技術[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[3] Reinhold Ludwig , Pavel Bretchko.RF Circuit Design: Theory and Applications[M]. New Jersey :Prentice Hall , 1999.

[4] S. Silver, Ed. Microwave Antenna Theory and Design[J].MIT Radiation Laboratory Series, 1949,12.

[5] 李宗謙，佘京兆，高葆新.微波工程基礎[M].北京：清華大學出版社，2004.

[6] 張賢達.非平穩(wěn)信號分析與處理[M].北京:國防工業(yè)出版社,1997.

[7] 徐曉榮.X波段無人機載SAR發(fā)射機的設計[J].中國雷達,2005(4).

[8] 劉雄鷹.無線接入技術應用研究[D]. 北京:北京理工大學,2002.