ZigBee室内定位设备的天线与射频接口电路设计

摘要：针对ZigBee室內定位设备对电磁场高效产生和准确测量的要求，分析了室內定位设备中天线与射频接口电路设计的基本需求，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分析设计方法。通过电磁场仿真软件Ansoft HFSS及射频电路仿真分析软件ADS2011对天线进行仿真，得到天线的关键参数仿真结果。在实际应用系统中的测试结果证明，天线及其射频接口能够较好地支持定位设备与定位算法的工作，且满足定位节点设备对体积与成本方面的要求。

在移动互联网时代，人们对定位与导航的应用需求日益增多，其应用场景也从室外扩展到了室内。尤其在社会公共安全领域，羁押场所监控、取保候审、应急救援等应用场合均对室内定位技术提出了新的需求。

当前室内定位系统有场强定位技术、磁场定位技术、计算机视觉定位技术、信标定位技术等方案。其中场强定位技术是目前发展最成熟，应用最广泛的技术方案，其基本原理是通过测量电磁场强度来判定定位节点与参考节点的相对位置，进而实现定位。因此，节点的天线及射频电路设计是保证电磁场高效产生和准确测量的关键。

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设计方案，并对其进行了较为详尽的仿真测试。

1 应用需求

无线传感设备的成本、功耗受到严格的限制，不能通过增大发射功率的方式增大辐射场强。因此提高天线能量转换效率，保证有效发射功率和接收灵敏度是提高设备有效工作距离，保证设备性能，降低系统部署成本的关键。

根据场强定位原理，定位节点通过场强与距离的对应关系确定与参考节点的相对位置。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，才能避免因为方向不同而对距离估计产生误差。

参考节点需要在定位区域大量部署，每一个定位对象也均需要随身携带定位节点设备，这样就对设备的成本和体积提出了较为严格的要求。

2 天线设计

2.1 天线线形选择

短距离低功耗射频设备对于天线成本、体积等方面均有严格的限制。单极子天线由于其结构简单，全向辐射，负载和馈电模式灵活多样等特点，成为最理想的选择。另外单极子天线使用非平衡馈电点，便于与射频前端电路连接。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。

鞭状天线又叫直立天线，是形状最简单的单极子天线，呈垂直于地平面的直立杆状。鞭状天线的主要缺点是纵向长度大，有效高度不足，不利于安装使用。Γ型天线是把鞭状天线相对于地面弯折成Γ形状，相当于增加了一个顶负载，减小了其纵向尺寸。但由于其垂直高度不足，造成其输入阻抗过低，不利于传输线阻抗匹配。倒F天线由Γ型天线的垂直元末端加上一个Γ型结构组成，附加的Γ型结构可以方便地调整天线与馈电传输线间的匹配，解决了Γ型天线输入阻抗过低的问题。

倒F天线因其结构紧凑、高天线效率、匹配方便、易于设计实现等优点，在移动通信设备和无线传感设备中得到了广泛应用。

2.2 天线几何参数设计

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，但是环境参数，如基板材料、与地层的距离、地层大小、PCB线宽等参数对天线性能均会有所影响。

PCB基板为FR4材质，采用1.6 mm标准板厚，在2.45GHz频率下材料介电常数εr为4.4。由公式(2)可得到有效介电常数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。计算阻抗时，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示为：

在理论计算的基础上，根据仿真结果及实际测试情况对天线尺寸做出微调，最终得到天线尺寸如表1所示。

2.3 天线仿真结果

利用三维电磁场仿真软件Ansoft HFSS对所设计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，表示匹配网络回波损耗;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 射频接口电路设计

定位节点设备采用TI公司的CC2530为核心的解决方案，射频收发器集成在主控芯片中。射频接口电路设计的主要任务是完成CC2530芯片输出的差分信号转换为单端信号，并完成69+j29 Ω到天线输入阻抗的匹配。

射频接口电路在TI公司提供的参考设计的基础上进行了参数仿真和优化，并在天线接口端根据系统需求及节点硬件设计特点进行了重新设计，保证在阻抗匹配、收敛性及电磁兼容性能等方面符合设计需求。

射频接口电路原理图如图3所示，其中，Term2为50 Ω天线接口，Term1与Term3及Balun器件CMP1是模拟CC2530射频输出端的虚拟器件。

在ADS2011环境下对该设计进行S参数仿真及Z参数仿真，仿真结果如图4所示。图4(a)为输入端到输出端的正向传输系数，表示匹配网络的插入损耗;图4(b)为输入端反射系数，表示匹配网络回波损耗;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。

仿真结果显示，匹配网络正向传播系数为-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设计参考TI公司的参考设计。

4 实现与测试

为测试天线在实际应用系统中的性能，对工程初样设备进行了初步测试。测试环境为室内走廊，2个设备作为固定位置的参考节点布置在长度为58m的走廊两端，1个设备作为定位节点由测试者手持在走廊中匀速往复走动。定位节点广播发送自身的特征信息数据，参考节点接收并记录场强信息。测试结果如图5所示。其中横轴为时间轴，纵轴为参考节点测得的场强信号RSSI值。

由测试结果可知，传感网络通信稳定，无线场强RSSI值稳定且与参考节点到定位节点的距离具有良好的单调关系，说明天线及射频电路部分设计能够较好地支持定位设备与定位算法的工作。

5 结论

倒F型PCB板上天线具有体积小、成本低、结构紧凑、高天线效率、匹配方便、易于设计实现等优点，在移动通信设备和无线传感设备中得到了广泛应用。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分析设计方法，并对天线相关参数及射频电路的主要参数进行了仿真分析。在实际应用系统中的测试结果证明，天线及射频电路部分设计能够较好地支持定位设备与定位算法的工作，且满足定位节点设备对体积与成本方面的要求。