農業物聯網微帶天線技術

李 雪，文 燕，鄒承俊，尹華國

（成都農業科技職業學院，四川 成都 611130）

農業物聯網是支撐農業大數據技術信息獲取與傳輸的核心承載體。農業數據的傳遞需要通過無線設備進行無線電信號的收發。作為物聯網通信的重要技術之一，ZigBee短距離無線通信技術由于其通用、廉價、網絡自組織等特點，被廣泛應用于智能農業、智能電網、智能家居等物聯網領域，成為學術界和工業界的研究熱點[1-4]。當前，ZigBee依然面臨著增加網絡節點作用距離、提升鏈路信號質量、降低功耗、集成小型化等工程設計問題[2]。而天線作為無線通信系統射頻能量發射與接收的核心器件，形成了無線信號收發的唯一空中接口，直接制約著無線通信的作用距離與能效，研究Zigbee天線[3-4]對提升ZigBee通信系統性能具有重要的意義。

在微帶天線的領域中，因其優點多，適用范圍廣，低成本，易于與其他設備集成而廣泛應用于無線通信系統[1-5]。

1 傳統微帶

微帶天線具有低剖面、易于集成小型化等優勢[5-8]，在Zigbee等無線通信系統中應用廣泛。雖然微帶貼片天線技術成熟、易于設計，但是其尺寸較大、帶寬窄。傳統微帶貼片天線如圖1所示，結構上天線在介質基板上承載饋線及矩形貼片，并具有完整的接地面。在圖1所標識的參數下，采用8mm厚的F4B-2板材（相對介電常數εr=2.65、損耗正切角tanθ=0.001）可通過全波電磁仿真得到其散射參數|S11|如圖2所示。該天線工作于2.44GHz，-10dB帶寬約為 20MHz，整體尺寸為 50mm×80mm×0.8mm。在特定工作頻率下，微帶貼片天線的尺寸與基板介電常數及磁導率呈反比。由于傳統微帶貼片天線不具備更多的設計自由度，可通過增大基板介電常數及磁導率來降低尺寸。論文[9]采用傳統微帶貼片結構，利用新型陶瓷介質作為襯底來降低天線尺寸，但如果使用陶瓷材料又提高了天線成本。同時傳統微帶結構在頻率調諧與阻抗匹配方面難以兼顧，限制了這種天線結構在工程中的應用。論文[10-12]采用微帶復合左右手傳輸線結構來實現天線小型化，但是其諧振特性依賴于多個結構參數，設計復雜。同時，ZigBee在2.4GHz頻段具有多個工作頻帶可選，雖然微帶天線-10dB帶寬一般能覆蓋上述頻段，但是僅有諧振頻率處性能最優。

圖1 傳統微帶貼片天線

圖2 工作于2.44GHz的微帶天線散射參數特性

同時，和手持設備中天線受人體負載效應影響一樣，農業物聯網應用場景存在大量動植物及農業設備等形成的復雜電磁環境，給農業物聯網天線阻抗匹配、諧振頻率的穩定帶來了挑戰[13]。

2 調諧與阻抗匹配

在農業場景的應用當中，天線與周圍物體距離較近，其負載調制效應使天線失諧、失配，面對復雜多樣的場景，在設計過程中需要微帶天線方案具有阻抗匹配調節、諧振頻率調諧的能力。論文[14]所提出的一種雙面微帶天線結構如圖3所示，其天線包括頂層和底層金屬結構，襯底采用0.8mm厚的F4B-2高頻基板，基板相對介電常數εr=2.65、損耗正切角tanθ=0.001。其原理是天線頂層與底層之間的金屬貼片形成輻射結構的饋電激勵。天線的表面電流密度主要集中在下層的彎折線上，通過底層金屬彎折接地增大諧振回路電長度，從而降低天線尺寸。該天線實現了諧振頻率及阻抗匹配調控，并且比傳統微帶貼片天線結構降低了整體尺寸，同時具有諧振頻率與阻抗匹配易于調控的特性。易于設計，滿足物聯網應用針對于不同頻段進行定制優化的需求。

圖3 具有諧振頻率及阻抗匹配調控功能的微帶天線

圖上天線是通過改變上貼片與下貼片邊長的大小來調節諧振頻率和阻抗匹配的結果，因此在設計天線時，可以考慮在傳統微帶天線的基礎上通過改變部分結構，甚至通過引入調諧電路[14-15]，來影響天線的諧振回路表面電流的分布，從而實現影響天線的阻抗匹配和諧振頻率的可調諧。

3 新型人工電磁材料實現小型化

新型人工電磁材料本身所蘊含的機理特性，在電磁波方面有特殊的響應，有效介電常數和有效磁導率可控，而復合左右手傳輸線（CRLH）是其中的一種。利用CRLH傳輸線的零相移特性可使零階諧振天線頻率只由并聯諧振回路決定，而和天線尺寸大小無關。由此CRLH的諧振回路可以實現天線的小型化。在文獻[16]中提出的天線就是利用CRLH傳輸線的諧振單元來實現天線的寬帶小型化。在文獻[17]中同理利用負介電常數傳輸線的理論設計了一種新型的小型化零階諧振天線，實現了天線的小型化。

4 結 語

由于要滿足農業物聯網復雜的應用場景，在天線的設計上就要求滿足小型化、阻抗匹配好等需求。本文在研究了傳統微帶天線的制作方法、天線特征及優劣勢的基礎上，結合文獻重點分析了天線的阻抗匹配和諧振頻率調諧的方法；并結合CRLH傳輸線天線小型化的幾個案例，來說明新型人工電磁材料在天線小型化的設計上是行之有效的。面向農業物聯網應用需求，從新設計、新方法當中更好地尋求解決天線設計的一些問題，以求獲得帶寬較寬、高增益、小型化的高性能物聯網天線。