摘要：针对ZigBee室榷ㄎ簧璞付缘绱懦「咝Р生和精确丈量的要求，剖析了室榷ㄎ簧璞钢刑煜哂肷淦到涌诘缏飞杓频幕本需求，给出了一种倒F型1/4波长单极子PCB板上天线及相应射频接口的剖析规划办法。经过电磁场仿真软件Ansoft HFSS及射频电路仿真剖析软件ADS2011对天线进行仿真，得到天线的要害参数仿真成果。在实践运用体系中的测验成果证明，天线及其射频接口可以较好地支撑定位设备与定位算法的作业，且满意定位节点设备对体积与本钱方面的要求。
在移动互联网年代，人们对定位与导航的运用需求日益增多，其运用场景也从室外扩展到了室内。尤其在社会公共安全范畴，拘押场所监控、取保候审、应急救援等运用场合均对室内定位技能提出了新的需求。
当时室内定位体系有场强定位技能、磁场定位技能、核算机视觉定位技能、信标定位技能等计划。其间场强定位技能是现在开展最老练，运用最广泛的技能计划，其基本原理是经过丈量电磁场强度来断定定位节点与参阅节点的相对方位，从而完结定位。因而，节点的天线及射频电路规划是确保电磁场高效发生和精确丈量的要害。
文中提出了一种适用于ZigBee室内定位设备的天线与射频接口电路规划计划，并对其进行了较为翔实的仿真测验。
1 运用需求
无线传感设备的本钱、功耗遭到严厉的约束，不能经过增大发射功率的办法增大辐射场强。因而进步天线能量转化功率，确保有用发射功率和接纳灵敏度是进步设备有用作业间隔，确保设备功能，下降体系安置本钱的要害。
依据场强定位原理，定位节点经过场强与间隔的对应联系确认与参阅节点的相对方位。这样就要求天线在不同方向具有相同的辐射或接受能力，即天线在各个方向均匀辐射，才干防止因为方向不同而对间隔估量发生差错。
参阅节点需求在定位区域很多安置，每一个定位目标也均需求随身携带定位节点设备，这样就对设备的本钱和体积提出了较为严厉的要求。
2 天线规划
2.1 天线线形挑选
短间隔低功耗射频设备关于天线本钱、体积等方面均有严厉的约束。单极子天线因为其结构简略，全向辐射，负载和馈电形式灵活多样等特色，成为最理想的挑选。别的单极子天线运用非平衡馈电点，便于与射频前端电路衔接。常见的1/4波长单极子平面天线线性有鞭状天线、Γ型天线、倒F型天线等。
鞭状天线又名直立天线，是形状最简略的单极子天线，呈笔直于地平面的直立杆状。鞭状天线的首要缺陷是纵向长度大，有用高度缺乏，不利于装置运用。Γ型天线是把鞭状天线相关于地上弯折成Γ形状，相当于增加了一个顶负载，减小了其纵向尺度。但因为其笔直高度缺乏，形成其输入阻抗过低，不利于传输线阻抗匹配。倒F天线由Γ型天线的笔直元结尾加上一个Γ型结构组成，附加的Γ型结构可以便利地调整天线与馈电传输线间的匹配，处理了Γ型天线输入阻抗过低的问题。
倒F天线因其结构紧凑、高天线功率、匹配便利、易于规划完结等长处，在移动通讯设备和无线传感设备中得到了广泛运用。
2.2 天线几许参数规划
倒F天线线型如图1所示。
1/4波长单极子具有较大的增益带宽积，可是环境参数，如基板资料、与地层的间隔、地层巨细、PCB线宽等参数对天线功能均会有所影响。
PCB基板为FR4原料，选用1.6 mm规范板厚，在2.45GHz频率下资料介电常数εr为4.4。由公式(2)可得到有用介电常数εeff。
倒F天线附加的Γ型结构bcd用来调整天线和馈电传输线的匹配。核算阻抗时，整个倒F天线可以看作由长为L(ab段)的终端开路传输线和长为S的终端短路传输线(bc段)的并联。当传输线导体线宽W远小于H时，传输线的特性阻抗可以表明为：
在理论核算的基础上，依据仿真成果及实践测验状况对天线尺度做出微调，终究得到天线尺度如表1所示。
2.3 天线仿真成果
使用三维电磁场仿真软件Ansoft HFSS对所规划天线的进行建模仿真，得到天线网络参数如图2无线网络参数所示。图2(a)为输入端反射系数，表明匹配网络回波损耗;图2(b)为天线驻波比;图2(c)为天线输入阻抗。
由Ansoft HFSS仿真得到天线基本参数如表2所示。
3 射频接口电路规划
定位节点设备选用TI公司的CC2530为中心的处理计划，射频收发器集成在主控芯片中。射频接口电路规划的首要任务是完结CC2530芯片输出的差分信号转化为单端信号，并完结69+j29 Ω到天线输入阻抗的匹配。
射频接口电路在TI公司供给的参阅规划的基础上进行了参数仿真和优化，并在天线接口端依据体系需求及节点硬件规划特色进行了从头规划，确保在阻抗匹配、收敛性及电磁兼容功能等方面契合规划需求。
射频接口电路原理图如图3所示，其间，Term2为50 Ω天线接口，Term1与Term3及Balun器材CMP1是模仿CC2530射频输出端的虚拟器材。
在ADS2011环境下对该规划进行S参数仿真及Z参数仿真，仿真成果如图4所示。图4(a)为输入端到输出端的正向传输系数，表明匹配网络的插入损耗;图4(b)为输入端反射系数，表明匹配网络回波损耗;图4(c)为输入阻抗，图4(d)为驱动点阻抗，即匹配网络的输出阻抗。
仿真成果显现，匹配网络正向传达系数为-0.685 dB，插入损耗小于0.076;回波损耗为-22.733 dB，小于0.073;输入阻抗为69.1 81-j28.839 Ω，输出阻抗为41.665-j20.508 Ω。
定位节点设备其他部分硬件规划参阅TI公司的参阅规划。
4 完结与测验
为测验天线在实践运用体系中的功能，对工程初样设备进行了开始测验。测验环境为室内走廊，2个设备作为固定方位的参阅节点安置在长度为58m的走廊两头，1个设备作为定位节点由测验者手持在走廊中匀速往复走动。定位节点播送发送本身的特征信息数据，参阅节点接纳并记载场强信息。测验成果如图5所示。其间横轴为时间轴，纵轴为参阅节点测得的场强信号RSSI值。
由测验成果可知，传感网络通讯安稳，无线场强RSSI值安稳且与参阅节点到定位节点的间隔具有杰出的单调联系，阐明天线及射频电路部分规划可以较好地支撑定位设备与定位算法的作业。
5 定论
倒F型PCB板上天线具有体积小、本钱低、结构紧凑、高天线功率、匹配便利、易于规划完结等长处，在移动通讯设备和无线传感设备中得到了广泛运用。本文介绍了一种适用于手持式室内定位设备的倒F型PCB板上天线及其射频接口电路的剖析规划办法，并对天线相关参数及射频电路的首要参数进行了仿真剖析。在实践运用体系中的测验成果证明，天线及射频电路部分规划可以较好地支撑定位设备与定位算法的作业，且满意定位节点设备对体积与本钱方面的要求。
