无线智能网络传感器天线技术

在无线智能网络传感器系统中，天线是十分重要的元件，是接收或辐射电磁能量转换的关键。它可以看作是将电能变为电磁辐射能形式的转化器，反之亦可。天线有两个基本的功能：接收天线截取的电磁能，并通过适当的设备将其转化为电能，发射天线通过电力设备将电信号转化为电磁能。

在满足低功耗和低成本两个基本设计准则下，绝大部分无线智能网络传感器按小型化设计，而这些要求使得天线的设计变得重要而且困难。此外，为了适应网络节点的外观设计要求而需要调整天线设计，这就更增添了难度。通常将天线作为智能网络传感器系统中最后设计的一个电子元件。天线设计难易程度也取决于网络传感器节点工作在多高的工作频率上，物理尺寸很小的天线设计并不困难，如一个谐振在2.4GHz的半波偶极天线只有6.25mm长；在相对较低频率上，设计小尺寸天线则比较困难，如工作在433MHz/434MHz，此时天线在自由空间的工作波长要比天线实际的物理尺寸长得多。

传输天线是将电能转化为电磁辐射能的转化器。若电磁辐射在各方向上都是均匀的就称为等方向性天线。一个等方向性天线是全向的，并在同一水平面上辐射相等的能量，方向性天线只在某一个或多个特定方向上辐射电磁能。若方向性天线只在一个方向上辐射电磁能，则是单向的；若它在两个方向上辐射，则是双向的。

1.天线类型选择

因天线的形状、构造和材料不同，就会有许多不同类型的天线和不同的接收效果。RF系统中，常用细线作为天线，这种天线的运行原理与同轴电缆的原理相同。单极化天线通常使用同轴传输线将信号输入，天线之间的电阻匹配是由低频的集中参数感应电容电路和高频短截匹配电路完成。

（1）鞭形天线

这是移动通信中应用得最为广泛的一种天线，其次可能是普通模式的螺旋天线。鞭形天线与单极化天线相似，但鞭形天线是由活动杆制成的。鞭形天线在本质上是电容性天线或双导电天线，它由一个绝缘支架支撑并与其他结构隔绝，即是绝缘的。鞭形天线的长度通常是辐射电磁波波长的1/10或1/5。

（2）细线偶极天线

这是通信系统中最为常用的天线之一，同时还有原理相同而运行方式不同的其他天线，包括电小偶极天线、点偶极天线、折叠式单极化天线和旋转天线。此外，还有很多不同种类的天线，如八木式、同轴式、环形、螺旋式、对数周期式、隙式、凹口式、触角式、透镜式和反射器式天线。另外，每种类型的天线的形状和运行原理都不同，天线也可排成阵列。阵列天线集中了各种天线阵元，如单极化、隙式、环状、微带等。还有两种常用于阵列天线中的是八木-宇田天线和对数周期天线。八木-宇田天线包括3个或更多半波阵元、1个驱动、1个反射、1个或多个控制。八木-宇田天线提供高方向性和高增益。对数周期阵列天线是多阵元、单一方向、窄波束天线，它的电阻和辐射特性是激发频率的对数函数。这样的结果使对数周期阵列天线中阵元的长度和间隔从开始阵元到结束阵元都成对数地增加，对数周期阵列天线常应用于宽带系统中。

（3）阵列天线

阵列天线是平面或扇区天线，它们有多个阵元来辐射和接收来自同一小区内的不同扇区的信号。平面或扇区天线常常是平面状的且用塑料包裹，用于隔绝其他阵元或金属以及带电元件。

在频率低于3GHz的通信系统中，应用了许多不同类型的天线，包括单极化天线、偶极天线和阵列天线。碟形卫星天线常用于微波频段，即接近3GH_Z或更高的频率。在无线智能网络传感器中，天线类型的选择主要取决于它的应用。由于内置天线便于携带且具有免受机械和外部环境损害等优点，因此它通常作为首选。

（4）金属印制线天线

其优点是印制在电路板上，不必单独购买、加工或安装任何形式的元件到电路板上，成本低，但会占用宝贵的电路板空间，因此也不是零成本。此外，该天线非常薄，这对于降低网络节点的体积来说是一个优点。此类天线的最大缺点是性能较差。尽管选用低电阻率的铜，由于其厚度太薄使得串联电阻相对较高，若用低品质的电路板材料，会增加介质损耗。在电路板上的走线，天线更容易与有耗元件、其他走线和噪声源发生耦合。并且印制天线的调谐误差将会很大，这是由于电路板加工过程的蚀刻误差引起的。由于所需的蚀刻准确度远远高于电路板上简单连接线的准确度要求，因此，控制公差的成本将会很高。

（5）微天线

微天线是将金属条带天线作为元件安装在电路板上的一种简单式天线。因其损耗较低，且置于电路板上方，这类天线的性能明显高于印制天线。而印制板上的覆铜天线，常置于电路板上方，这种情况下极易受到（如开关电源电路内的电感产生耦合）噪声源干扰。导线天线也可以是偶极子天线，也可以是环形天线。对用在人体上的传感器，如健康监视器件，常采用环形天线。这类天线也称磁场天线，位于与人体垂直的平面内。导线天线需要介质材料（如塑料）支撑，从而使其机械外形及相应的谐振频率达到必要的容差要求。这种天线很难在自动装配线上进行安装，只能人工安装和焊接，不管怎样，导线天线是介于低成本、低效率的印制天线与相对高成本、高效率的外置天线之间很好的折中形式。

（6）外置天线

这类天线通常没有内置天线那样的尺寸限制，距离网络节点中的噪声源也较远，因此具有很高的性能。对那些需要尽可能大的距离，且必须选用定向天线的应用来说，外置天线几乎是必选的。当节点应用在大型家用电器中时，如电冰箱和其他一些大型家用电器，采用外置天线还可以免去采用金属外壳屏蔽的麻烦。虽然外置天线可提供相对较高的性能和设计的灵活性，但它们通常也比较昂贵，不仅需要购买天线，而且还需另购一些高质量的射频连接器（如法兰盘、射频导线等）。此外，天线的频率选择性是一个常被忽视的问题。因为内嵌天线在节点设计者的控制之下，其选择性可融于收发器系统的设计之中。而在使用外置天线时，用户可能会更换一些选择性不明的天线。因此，在进行节点设计时，设计者需要包含额外的射频选择性，从而增加额外成本。(www.xing528.com)

2.天线特性

（1）天线方向性系数D_antenna

天线方向性系数D_antenna在天线设计中是一个十分重要的参数，其定义为最大辐射密度与向四周均匀辐射相同功率P_rad时的辐射密度比，参数之间的关系如式（5-4）所示：

式中，D_antenna为天线方向性系数，无量纲；P_d，max为某个方向上的最大辐射功率密度（W/m²）；r为从观察点到天线的射线距离（m）；P_rad为天线总的辐射功率（W）。

当考虑到工作环境对电磁波传播散射的影响后，天线的最大辐射方向在无线传感器网络中通常没有多大意义，尤其当网络在室内工作时。在室外环境中，有些应用比较接近自由空间的传播条件（对入射波几乎没有散射），因此可通过提高天线方向性系数来增加通信距离。对于网络节点设计者而言，天线效率要比天线方向性系数更重要。

（2）天线效率η

天线效率η定义为

式中，η为天线效率（无量纲）；P_accept为天线实际接收的功率（W）。

天线效率η只考虑天线的输入功率。为了保证从发射机到天线的最大功率传输，天线阻抗必须正确，为此可定义阻抗失配因子（无量纲）为

式中，P_avail为匹配情况下天线获得的最大功率；S₁₁为与天线输入端反射系数有关的S参数。

忽略天线极化因素，天线增益G可定义为天线方向性系数、效率和失配因子三者的乘积，即

如果设计不当，电小天线的工作效率会很低，即意味着由发射机送来的能量绝大部分将转化为热能而不是有效辐射，而根据互易定理，低效率天线接收到的绝大部分能量也不能送到接收机。根据戴维南定理，天线效率可以表示为

式中，R_rad为天线的辐射电阻（Ω）；R_loss为天线的损耗电阻（Ω）。

天线辐射电阻是在天线的馈电点处辐射功率与方均根电流的比值，即

式中，P_rad为天线的辐射功率（W）；I_fb为天线馈电点的方均根电流（A）。

例如，电小偶极子的辐射电阻可表示为

式中，L_dip为偶极子长度（m）；λ为自由空间工作波长（m）。