無線傳感器網絡近場信號測量可調探頭設計*

宋 濤, 安笑雨, 王蒙軍, 徐曉輝

(河北工業大學 電子信息工程學院,天津 300401)

0 引 言

隨著無線傳感器網絡和窄帶物聯網的飛速發展,多頻段的無線組網應用越來越多[1],常用的無線通信有315 MHz的無線透傳,800 MHz/1.8 GHz的手機通信,2.4 GHz的藍牙或路由器通信,在各種無線模塊的通信調試過程中,無線信號的頻率,信號強度等參數是衡量信號質量的關鍵因素[2],研制寬頻帶、高增益、低成本的無線信號探頭成為無線通信領域一個重要的發展方向。目前常用的近場無線信號探頭大部分為進口產品,其價格昂貴,帶寬有限且易受到干擾,如來自電源線的高頻諧波干擾[3]。為了提高近場無線信號測量裝置的靈敏度、增加測量的帶寬,很多研究者提出或發明了自己的近場探頭方案。

本設計提出一種基于4層印制電路板(printed circuit board,PCB)的無線信號探頭,受倒F天線(inverted F antenna,IFA)的啟發,饋電點處于不同位置會導致諧振頻率有著顯著的差異,傳統IFA的第一個交叉臂連接在覆銅板的地,第二個交叉臂作為饋線來傳輸信號,在垂直臂上可以感應到空間電磁輻射[4]。當饋電點設置在垂直臂的末端時,雙橫臂結構中存在折彎和T型連接,不同傳輸線段的等效電路和諧振頻率會發生變化,當帶狀線嵌入表面覆銅的四層PCB,其IFA的參數完全不同。

改變IFA帶狀線的饋點位置之后,原始計算諧振頻率的公式不再適用,諧振頻率會受到一些其他因素的影響,例如帶狀線的形狀、傳輸線嵌入PCB的深度、覆銅板的接地位置和外加貼片電容的參數,本設計針對無線探頭的結構、材質、PCB參數和結構,利用CSTMWS(Computer Simulation Technology Microwave Studio)軟件進行了建模仿真,力求獲得最優的探頭設計參數,在PCB探頭設計并制作完成后,添加調整電路將探頭的諧振頻率點調整到探測需要的頻率點附近。

考慮到實際諧振頻率調整電路中需要添加可變電容,以獲得一定范圍內可變的諧振頻率點[5],而可變電容一般利用變容二極管施加電壓來實現,外部電源的引入又會或多或少地增加外部串擾,本設計采用柔性光纖導入激光為探頭提供電能,探頭和電源之間沒有電纜連接,可有效減少外部電源對近場無線信號探測的干擾[6],通過調節激光功率可間接接調節探頭上的電容二極管供電電壓,從而改變探頭的整體電容值,以達到調節諧振頻率點的目的。

1 仿真設計與探頭制作

為了獲得預期的諧振頻率,用CST MWS軟件對無線探測探頭進行了建模和制作,主要工作如下：

1)以四層PCB作為探頭主題,在中間一層中嵌入F形狀的傳輸線作為無線信號感應天線,調整F型傳輸線各線段的長度和寬度,使得仿真出的諧振頻率點大于目標值,以便于后續添加外部調整電路后,諧振頻率點會變小。

2)制作實際PCB并進行S11測試,與仿真結果進行對比,根據對比結果進一步優化探測探頭內部F型傳輸線參數。

3)在制作的四層PCB上添加激光供電調整電路,將諧振頻率點調整到目標諧振頻率點附近。

圖1 F型探測天線結構

在CST仿真建模中,選用FR-4材料模擬PCB,其材料介電常數為4.5,選擇IFA垂直臂的末端作為探測天線的信號饋入點。考慮到標準厚度為1.6 mm的四層PCB兩個中間層距離表面均為0.2 mm,仿真模型將帶狀線嵌入PCB的一個內層,距離兩個表面的距離分別為0.2 mm和1.4 mm,信號傳輸線的厚度為0.035 mm,因為是嵌入到PCB中,所以PCB基板的整體厚度還是1.6 mm。對于無線信號的近場探測而言,其結構尺寸越小越好。如圖1所示,CST中的仿真尺寸為6 mm×2.8 mm,兩個橫臂間距3 mm,橫臂線寬0.15 mm,傳輸線寬度0.3 mm,仿真所得的輸入反射系數S11如圖2所示。

圖2 F型探測天線仿真S11曲線

如果在帶狀線和覆銅板接地點之間添加貼片電容,根據諧振頻率公式

(1)

在整體等效電容顯著增加時,諧振頻率將明顯變小,因此圖2中的諧振頻率點會向左偏移,在傳輸線和電源地之間,加入主電容C1和微調電容C2,如圖3所示,C1的電容值比較大,主要作用是將制作出來的實際PCB探頭的諧振頻率點調整到設計的目標頻率點附近,其數值是固定的,選取合適的貼片電容焊接即可。C2是變容二極管,配合外加可變直流電壓,可以使探頭的實際諧振頻率點有一個可涵蓋目標頻率的調節范圍,從而獲得比較優異的探測性能。

對于整個F型探測天線,其橫臂、豎臂、傳輸線、直角轉彎和T型連接分別對應不同的電路形式,除了調整電容外,在探測天線末端還要加入隔直流電容C3和匹配電阻R2,隔直流電阻C3選取高低頻信號均可通過的電容數值,匹配電阻可根據探測探頭的整體輸出阻抗和50 Ω匹配法則來確定。

實際制作的PCB探測探頭分為三部分,頂部的F型內嵌傳輸線、頻率調整電路和光纖激光供電電路,如圖4所示,光纖激光供電電路由10個串聯硅光電池和導光光纖固定槽構成[7],在可變功率激光條件下可提供0～2 V穩定直流電壓輸出。R1是用于限制從電源到帶狀線的電流,阻值為510 Ω。

圖4 PCB探測探頭實物

2 測量結果

將制作的PCB探測探頭連接到矢量網絡分析儀進行測試,結果表明實測S11有三個以上的諧振頻率點,與CST仿真曲線相比,其主要諧振頻率點4.6 GHz基本吻合,如圖5所示。由于焊接到PCB信號饋點的SMA端子延長線匹配和PCB實際電路中的過孔等問題,導致實際測試結果出現一些不可預測的頻率點[8]。

圖5 未焊接組件之前帶狀線的S11曲線

焊接頻率調整電路和光纖激光供電電路后,選擇參數為250 mW和650 nm可調激光源作為能量供應。圖6顯示了整個測試系統。

圖6 實際測試

測試結果表明電容C1對諧振頻率具有顯著影響,最終選擇使用86 nF貼片電容,C2選擇BB200變容二極管。測試過程中提供的電壓值越大,電容越小。BB200采用SOT23小型塑料SMD封裝,其電壓輸入范圍為DC 1 V～4.5 V,其電容值從74.2 pF變為12 pF,在0.80 V電壓以下和2.00 V電壓以上,其電容值變化范圍很小。在0.82～1.86 V電壓范圍內選取了10組電壓值進行了測試,得到S11曲線如圖7所示。

圖7 不同電壓下的S11曲線

在測試中激光電源的功率變化是連續的,這導致諧振頻率的變化也是連續的。當在PCB上固定鏡頭罩時,可忽略室內熒光燈管造成的影響。由于電容C2的值很大,所以電路變化對3 GHz及以上的諧振頻率幾乎沒有影響。主諧振頻率分別位于327.046,693.649 MHz,1.799 GHz和2.459 GHz。可調激光電源對4個諧振頻率點的帶寬影響如表1所示。

表1 探頭性能參數

3 結 論

針對無線傳感網絡的多頻信號檢測問題,本文設計了一種基于四層PCB的近場無線信號探頭,主要由F型內嵌傳輸線、頻率調整電路和光纖激光供電電路組成。

在傳輸線設計部分,討論了多種可能對信號測量造成影響的因素,例如帶狀線的形狀、傳輸線嵌入PCB的深度以及信號的饋點位置,并使用了CST MWS軟件對探頭進行仿真以獲得最優參數。其次,為了得到目標諧振頻率值,在電路中添加了調整電路,以獲得特定范圍內可變的諧振頻率點,從測試結果可以看出：本裝置在多頻帶內性能良好,其測量帶寬均大于10 MHz,在頻率點4處的帶寬高達48.664 MHz,若考慮-10 dB增益為參考點,則其帶寬更大。對探頭的能量供應部分進行了優化,選用柔性光纖導入激光為探頭提供電能,有效地降低了電纜帶來的信號干擾。

總的來說,本文提出的近場無線信號探頭大幅改善了探頭帶寬有限且易受干擾的現狀,適用于無線傳感器網絡中的多種無線模塊的通信調試。