CN106785429A - 一种微型无线传感器内电小环天线系统发送信号的方法 - Google Patents

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Abstract

一种微型无线传感器内电小环天线系统发送信号的方法，所述方法包括使用微型无线传感器内电小环天线系统发送和接收通信信号，其特征在于：电小环天线系统包括：基板，馈电端，接地端，所述基板为FR4介质基板，馈电端加载集总电感，馈电端加载集总电感，电容与电感均采用0603的封装形式，所述FR4介质基板，通过集总加载技术，并对尺寸优化，天线较小的体积可以与射频电路实现三维封装。通过集总加载的电容与电感调节阻抗匹配，天线的‑10 dB带宽大于7 MHz，辐射增益大于0.5 dBi。回波损耗约4MHz，并且辐射效率大于20%，方向性较好。

Description

一种微型无线传感器内电小环天线系统发送信号的方法
技术领域
本发明涉及电小环天线的技术领域，更具体地说，涉及一种微型无线传感器内电小环天线系统发送信号的方法。
背景技术
近年来，随着“互联网+”概念的提出，涌现了大量的微型传感器、穿戴式设备及智能硬件等。与传统天线的应用场合相比，微型传感器对天线小型化要求更高，一方面，由于传感器体积小且内置电池容量有限，使用较低的ISM频段300 MHz～3 GHz可以减小通信传播损耗，但这个频段波长在0.1～1米，一般是传感器尺寸的50～100倍；另一方面，由于天线净空间的减小，内置在传感器封装内的天线已属于电小天线范畴，Harold A. Wheeler将电小天线定义为电感、电容或二者组合的谐振回路，在谐振时回路仅有少量能量辐射出去，因此电小天线品质因素受尺寸约束，一般较大。电小天线高Q值特性使设计能够内置在传感器内部的天线更具有挑战，因此将天线集成到智能设备中使其小型化成为工业界的现实需求。
传统天线设计需要天线尺寸与波长可比拟（1/4, 1/8波长），通过使用一些常见的手段可以有效减少天线尺寸，现有的文献中， 1994年McLean J S在IEEE InternationalSymposium on Electromagnetic Compatibility发表题为“The Radiative Propertiesof Electrically-small Antennas”的文章，在该文章中电小天线品质因素受尺寸约束，一般较大。
目前实现电小天线的方法主要有：2011年C. Occhiuzzi, C. Paggi, and G.Marrocco在IEEE Transactions on Antennas and Propagations发表题为“Passive RFIDstrain-sensor based on meander-line antennas”的文章，在该文章中提出了实现电小天线的尺寸与结构优化。2011年Q. Luo, J. R. Pereira, H. M在IEEE Antennas andWireless Propagation Letters发表题为“Salgado. Compact printed monopoleantenna with chip inductor for WLAN”的文章，在该文章中提出了实现电小天线的加载。 2005年R.W. Ziolkowski and A. D.Kipple在Physical Review发表题为“Reciprocity between the effects of resonant scattering and enhanced radiatedpower by electrically small antennas in the presence of nested metamaterialshells”的文章，在该文章中提出了实现电小天线的新型材料。2006年R.W. Ziolkowskiand A. D.Kipple在IEEE Transactions on Antennas and Propagation发表题为“Erentok. Metamaterial-based efficient electrically small antennas”的文章，在该文章中提出了实现电小天线的新型材料。
对于陶瓷基材天线，2012年R.W. Ziolkowski and A. D.Kipple在IEEE Antennasand Wireless Propagation Letters发表题为“Antenna design of 60-Ghz micro-radarsystem in-package for noncontact vital sign detection”的文章，在该文章中提出了陶瓷基材天线一般适用于高频，低频内设计较困难。
针对434 MHz天线的小型化，2013年Wendong Liu在Electrical Design ofAdvanced Packaging and Systems Symposium发表题为“A novel miniaturized antennafor ISM 433MHz wireless system”的文章，在该文章中提出了利用加载大面积的垂直接地板的434 MHz天线，尺寸大小为75×51 mm，尺寸较大，不能工作在传感器封装内。2013年Albert Sabban在IEEE International Conference on Microwaves, Communications,Antennas and Electronics Systems发表题为“Compact Tunable Printed Antennas forMedical and Commercial Applications”的文章，在该文章中提出了通过开槽的偶极子加载天线，天线增益最高可达到2 dBi，通过尺寸优化天线最小尺寸可达5×5×0.05 cm，可以用于传感器封装外，仍然不能加载到传感器封装中使用。
2014年倪杨，叶明，王晓静在电子测量技术发表题为“应用于ISM频段的小型双频微带天线”的文章，在该文章中研究了双频ISM天线，尽管天线可以覆盖ISM 433.05~434.79MHz，2.4~2.5 GHz两个频段，但是天线在434 MHz天线增益较低，且结构复杂，同时文中没有给出效率测试使天线在实际工程使用中受限。
本文主要采用集总加载与天线结构优化的方式来减小天线尺寸，在馈电端加载集总电感，在接地端加载集总电容，调节电容电感值大小使天线在434MHz获得的良好匹配，同时通过对结构的优化，提高辐射电阻，提高天线辐射效率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种微型无线传感器内电小环天线系统发送信号的方法，本文在电小环天线以及微带天线的理论基础上（约翰·克劳斯. 天线. 电子工业出版社，2013，第156-172页），设计了一个矩形环天线，该微型无线传感器内电小环天线结构简单、制作容易，采用集总加载与天线结构优化的方式来减小天线尺寸，在馈电端加载集总电感，在接地端加载集总电容，调节电容电感值大小使天线在434MHz获得的良好匹配，同时通过对结构的优化，提高辐射电阻，提高天线辐射效率。
为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：一种微型无线传感器内电小环天线系统发送信号的方法，所述方法包括使用微型无线传感器内电小环天线系统发送和接收通信信号，其特征在于：电小环天线系统包括：基板，馈电端，接地端，所述基板为FR4介质基板。
所述馈电端加载集总电感。
所述馈电端加载集总电感。
电容与电感均采用0603的封装形式。
所述FR4介质基板，其相对介电常数为损耗正切值，厚度为0.5mm。
枝节底部与宽度1 mm 的长方体FR4介质基板相连，基板相邻两面敷铜。
模型馈电处用50同轴线馈电，同轴线内导体与馈电点相连，外导体接到底端敷铜板上。
电容值为4 pF ± 0.25 pF，电感值20±3 nH，电容值误差控制在4 pF ± 0.15pF范围之内，电感值误差控制在20 ± 2 nH范围之内。
尺寸为0.02×0.001×0.02。
-10 dB测试带宽大于1%，辐射效率不低于20%，辐射方向图近乎全向。
天线测试系统为ETS 8500 Pro。
本发明在环天线、微带天线的基础上，结合小型化技术，设计了一款集总加载电小环天线。利用集总加载方式并对天线结构进行优化，天线最终在仅有尺寸0.02×0.001×0.02的情况下实现-10 dB测试带宽大于1%，辐射效率不低于20%，辐射方向图近乎全向。本发明的电小环天线具有良好的调谐性，更小的尺寸以及较为简单的结构设计，使天线可以有效封装在传感器、可穿戴设备、以及无线智能硬件中，具有很好的适用性。
附图说明
图1 示出了本发明的天线结构。
图2 示出了本发明的电容值变化对回波损耗影响。
图3 示出了本发明的电感值变化对回波损耗影响。
图4示出了本发明的天线结构与硬币对比的尺寸。
图5（a）示出了本发明的天线回波损耗。
图5（b）示出了本发明的效率测试。
图6 示出了本发明的天线仿真表面电流分布。
图7（a）和图7（b）示出了本发明的天线在434MHz仿真与测试方向图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。
实施例1
一种微型无线传感器内电小环天线系统上发送信号的方法，所述方法包括使用微型无线传感器内电小环天线系统发送和接收通信信号，其中，天线的结构如图1所示。通过集总加载技术，在接地端加载了集总电容用于调节天线谐振频率，在馈电端口加载集总电感调节阻抗匹配，电容与电感均采用0603的封装形式，最后对天线辐射单元结构进行优化，在天线的另一端进行同样进行“接地”处理，从而有效增长电流路径，进而达到小型化的目的。
表1 天线各部分尺寸：（mm）
a b c
18 14 12
C L d=e=f=g=h=i
4pF 21nH 1
天线各部分尺寸大小如表1所示。天线上半部分为主要辐射枝节，选用的是单面的FR4介质基板，其相对介电常数为损耗正切值，厚度为0.5 mm。枝节底部与宽度1 mm 的长方体FR4介质基板相连，基板相邻两面敷铜（y面和z面），结构馈电处用50同轴线馈电，同轴线内导体与馈电点相连，外导体接到底端敷铜板上。这样天线就构成了一个完整的闭环。
图2，图3分别显示了天线加载的电容与电感值变化时，仿真的回波损耗变化情况。可以得出：设计的电小环天线阻抗特性显示出容性特性，表现在电容值变化会导致天线的谐振频率变化，具体是，电容值增大，谐振频率较小，电容值减小，谐振频率增大，同时也可以看出只需要将电容值误差控制在4 pF ± 0.15 pF范围之内，天线可以在目标频段工作。与电容影响不同，电感值的微小改变并不会改变天线的谐振频率，将电感值误差控制在20± 2 nH，天线的回波损耗则满足设计要求，且在实际工程中最终选取的电容值为4 pF ±0.25 pF，电感值20±3 nH，并对天线加工样品。
如图4所示为天线加工实物，天线测试系统为ETS 8500 Pro。
天线的仿真与测试回波损耗如图5(a)所示，实测的回波损耗与仿真相比略有偏移，-10 dB带宽从432-436 MHz，测试带宽1%左右，验证了设计的天线具有较好的阻抗匹配特性。
效率测试结果见图5(b)显示，天线辐射效率大于20%。
图6给出了天线的仿真电流方向图，天线表面电流形成完整闭环回路，天线的辐射方向图与环天线近似。电流分布同时表明，接地端电流较大，良好的接地性能可以显著提高天线的电流均匀分布，形成良好辐射。
图7（a）和图7（b）给出了天线仿真与测试的方向图，从方向图可以看出天线辐射方向近乎全向，方向图测试结果验证了本设计的准确性。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实 施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微型无线传感器内电小环天线系统发送信号的方法，所述方法包括使用微型无线传感器内电小环天线系统发送和接收通信信号，其特征在于：电小环天线系统包括：基板，馈电端，接地端，所述基板为FR4介质基板。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述馈电端加载集总电感。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述馈电端加载集总电感。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：电容与电感均采用0603的封装形式。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述FR4介质基板，其相对介电常数为损耗正切值，厚度为0.5 mm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：枝节底部与宽度1 mm 的长方体FR4介质基板相连，基板相邻两面敷铜。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：模型馈电处用50同轴线馈电，同轴线内导体与馈电点相连，外导体接到底端敷铜板上。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：电容值为4 pF ± 0.25 pF，电感值20±3nH，电容值误差控制在4 pF ± 0.15 pF范围之内，电感值误差控制在20 ± 2 nH范围之内。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：尺寸为0.02×0.001×0.02。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：-10 dB测试带宽大于1%，辐射效率不低于20%，辐射方向图近乎全向。
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