埋入式无线传感网络节点天线的设计与仿真

第３ｌ卷第３期　２０１２年９月　武汉工业学院学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｗｕｈａｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｖ０１．３ｌＮｏ．３　Ｓｅｐ．２０１２　文章编号：１００９－４８８１（２０１２）０３－００３５－０４　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９－４８８１．２０１２．０３．００９　埋人式无线传感网络节点天线的设计与仿真　苏金龙，石雄，徐建　（武汉工业学院电气与电子工程学院，湖北武汉４３００２３）　摘要：对埋入式无线传感网络节点天线进行了相应的分析。结合相应理论介绍了一些天线　工作中的主要参数的计算方法。同时针对实际工程应用对传输频率为４３３　ＭＨｚ的无线传感　器网络节点的天线进行了设计，并采用Ａｎｓｏｆｔ　ＨＦＳＳ仿真软件对其进行仿真和优化，仿真结果　显示所设计的天线符合实际的应用需求，具有工程应用价值。　关键词：埋入式；无线传感网络；螺旋天线；ＨＦＳＳ；仿真　中图分类号：ＴＮ　８２８．４　文献标识码：Ａ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ａｎｔｅｎｎａ　ｆｏｒ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ＳＵ　ｊｉｎ—ｌｏｎｇ，ＳＨＩ　Ｘｉｏｎｇ，ＸＵ　Ｊｉａｎ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ　４３００２３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｎｔｅｎｎａ　ｆｏｒ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｗａｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｃｏｒｌ￣・　ｓｐｏｎｄｉｎｇ　ｈｅｏｒｔｙ　ｓｏｍｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｉｎ　ａｎｔｅｎｎａ　ｗｏｒｋ　ＷａＳ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ａｎｄ　ａ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　４３３　ＭＨｚ　ａｎ－　ｔｅｎｎａ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ｕｓｉｎｇ　Ａｎｓｏｆｔ　ＨＦＳＳ　ｔｏ　ｓｉｍｕｌａｔｅ　ａｎｄ　ｏｐｔｉｍｉｚｅ　ｉｔ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈｉｓ　ａｎｔｅｎｎａ　ｃｏｕｌｄ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　４３３　ＭＨｚ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｅｍｂｅｄｄｅｄ；ｗｉｅｌｒｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ；ｈｅｌｉｃａｌ　ａｎｔｅｎｎａ；ＨＦＳＳ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　随着当今社会的信息化、智能化，无线传感器网　络已经越来越广泛地应用到了生产生活的许多方　通过传感器网络传送至数据接收单元，再提供给计　算机进行分析和处理。　面…。在实际工程应用中，人们经常期望能够对某　些介质的内部状况进行实时监测。例如对重要建筑　物关键部位内部的温度、湿度、应力、应变进行监测，　显然，这类埋人式无线传感网络节点周围将　不再是空气这类近似于自由空间的介质，同时信　息接收中心一般位于自由空间中，信息传输将在　一以评价其承载能力、抗震能力和使用寿命等。此时　最理想的方式便是将传感器网络节点埋人建筑物内　部，或者在构建此建筑物时直接植入其中，以使网络　节点随机散布于混凝土构件中，在需要时通过控制　中心发送指令启动各节点进行测量，并将测量结果　种介质与另一种介质之间进行，此时无线电波　的传输环境变得相对复杂。这种应用环境的改变　必然影响到网络节点天线的选择与设计。本课题　即针对埋人式无线传感网络节点天线的参数计　算、设计、仿真等开展研究，同时针对特定的埋　收稿日期：２０１２．０４．．０９．　作者简介：苏金龙（１９８８一），男，硕士研究生，Ｅ－ｍａｉｌ：ａｇ７２７６３１＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ．　通讯作者：石雄（１９６８．），男，副教授，Ｅ・ｍａｉｌ：ｓｔｏｎｅｈｅｒｏ＠１６３．ｎｅｔ．　３６　武汉工业学院学报　２０１２年　入式无线传感网络节点天线进行设计，以期得到　一＿　、釜罩壬Ｉ；　种适用于高速公路路面内部参数检测的无线传　＼　／　／　／　，玉　一一　感网络节点天线。　１埋入式无线传感器网络节点天线的　分析　１．１　电磁波传播的反射与折射计算　电磁波在两种不同媒质问传播时会发生反射　和折射。当电磁波从较密介质投射到较疏介质中　图１发自埋地天线的射线簇　“　＼　会将会产生反射，此时垂直分量反射系数可由下　式计算：　Ｓｉｌｌ　一　，一１．２表面上方相对功率密度分布的分析　穿出介质表面发射的电磁波，其相对功率密度　．　／　１　一ＣＯＳ２　Ｓ。与反射回沥青中的电磁波的相对功率密度Ｓ，之　．・　（１）Ｉ　　ｐ。＝——　ｐｌ　—————．＿　＝：＝＝＝＝，　间的关系为：Ｓ。＝１一Ｓ，。其中　５，：　一　Ｅ，　ｓｉｎａ＋　／　一ｃｏｓ２　０ｃ　＋　‘　（３）　、　式中Ｐ。为垂直分量反射系数，　，代表较密媒质的相　对介电常数，　为入射角。（１）中，当１／６，≤ＣＯＳ　仅　式中Ｅ　为垂直于入射平面的电场，　：为平行于入　射平面的电场，Ｐ。为垂直分量的反射系数，Ｐ　为水　平分量的反射系数。其中　——Ｓｌｎａ一　，——一ｃｏＳ　０［ｉ　ａ一　一。。　２　　时，Ｐ。是复数且ｌＰ。ｌ＝１，此时入射波将发生全反　射。　当上式中的根式值为０时，Ｐ。＝１／＿０’。据此　可以定义临界角：　ａ　＝ｃｏｓ～Ｐ２：　Ｐ２　—————　＝＝二＝：・—　＝：．　（４）斗　　一ｖ占／　．　．（２）　ｓｉｎ０［＋　／　一ｃｏｓ２ａ　８ｒ　ｒ　对于一切小于Ｏｔ　的入射角，都有ＩＰ。ｌ＝１，于　是由较密媒质出射的波全部将会被分界面反射回源　媒质。　根据奈尔定律，可近似有ｃｏｓｄ。一Ｖ／￣＇ｒＣＯＳａ，式　中ａ。为折射仰角，综上代入（３）可计算出介质交界　面上方空气中相对功率密度作为仰角的函数，为选　择接收天线放置位置提供参考。　１．３电磁波的损耗　针对无线传感器网络的应用可知，被埋入的传　感器节点中的天线所发射的电磁波不能形成全反　射，否则，电磁波将会被全部反射回源媒质，信息将　无法被传递出去。为简化设计过程，假定无线传感　网络节点埋人于离高速公路路面１６　ｃｍ深处，其上　在无源有损耗的媒质中，衰减常数　ａ＝∞　［√　＋（　）　一　】・　（５）　Ｆ／ｍ．　全部由沥青层覆盖，且该节点天线的轴是铅垂的，沥　青与空气相交面为水平面，接收天线位于上方空气　中。据测算，固态沥青（ａｓｐｈａｌｔ）的相对介电常数一　根据实际应用，以沥青为例，沥青是绝缘体，它　的电导率、磁导率、介电常数分别可取　≤１０　Ｓ／ｍ、　＝４仃×１０一　Ｈ／ｍ、　＝２．３×１０　般为　，＝２．６，代入（２）式，可得沥青中的临界角　为：　，＝６７．３８。　设频率ｆ＝４３３　ＭＨｚ代人（５）式，计算可知衰减　常数极小，即表明在本例中电磁波在沥青中传播的　衰减损耗可以忽略。　图１为天线的射线簇示意图口］。如图所示，当　ａ＜６７．３８。或　＞１１２．６２。时，入射波将无法穿透媒　质交界面全部反射回沥青中，而当ａ＝　（６７．３８。一１１２．２埋入式无线传感器网络的天线设计　与仿真　２．１天线的选择　６２。）时，人射电磁波将穿透沥青表　面而进入上方空气层中，并经过折射扩散到几乎整　个上方空间中。　根据实际应用需求，如图２所示，给出一款应用　在高速公路中埋人式无线传感网络节点天线的设计　３期　苏金龙，石雄，徐建：埋人式无线传感网络节点天线的设计与仿真　３７　实例。　纂　酪　图２埋入式无线传感网络应用在高速公路　时的布局示意图　根据节点芯片的设计方案以及芯片中无线传输　模块要求，确定该埋入式无线传感网络节点天线的　工作频率为４３３　ＭＨｚ。　由于埋入式无线传感器网络的实际应用坏境，　从而决定了其节点天线尺寸是系统考虑的重要因素　之一。传统的天线如鞭状天线等一般至少要求天线　，ｂ　ＢＤＳＢ　詹ｂ　尺寸至少具有０．２５个波长的长度。对于采用　４３３　ＭＨｚ频率作为无线传输载波的传感器网络而　言，这种尺寸对于高度集成的埋人式无线传感器网　皇　络节点芯片的尺寸来说将无法接受。螺旋天线的基　本原理是采用慢波系统的电磁场理论减小沿螺旋线　轴向电磁波相速，从而能够减小天线工作波长达到　缩小天线尺寸的目的。针对于此，本设计采用螺旋　天线。　为了进一步减小天线尺寸，本设计在螺旋天线　５　　一内部加铁氧体芯。由于铁氧体的相对磁导率很大，　通过在螺旋天线内部加铁氧体芯，可以得到更小的　ｌ　实际工作波长，从而达到减小天线尺寸的目的，本设　计选用了磁导率为１　０００的铁氧体芯。　２．２螺旋天线的辐射特性　螺旋天线的辐射特性取决于螺旋的直径Ｄ与　波长Ａ的比值Ｄ／Ａ，此类天线具有三种辐射状态，　如图３所示。当Ｄ／Ａ＜０．１８时，天线的最大辐射方　向在垂直与天线轴的法向，称为法向模螺旋天　线【３　Ｊ。当ＤＩＡ＝０．２５—Ｏ．４６时，天线的最大辐射方　向在轴向，称为轴向模螺旋天线。当Ｄ／Ａ＞０．５时，　天线的最大辐射方向和轴向成一定角度，称为圆锥　型螺旋天线。可根据实际应用需要设计螺旋直径从　而使天线具有满足应用要求的辐射特性。　２．３螺旋天线尺寸　通过理论计算及仿真，得出了天线的一些尺　∞　Ｄｉ２＜０　：　ＥＣ，；ｔｍ蓬Ｘ：　　。　Ｘ）　图３螺旋天线的三种辐射状态　寸与天线谐振频率等之间的关系，如图４、图５所　示。　】（Ｙ　ｄ附１　点　一螂Ｉ－—岫—－１　４　……卜…一…　寸…一寸…一　…　：　Ｗ：一坪Ｉ■—Ｈ』一—叫　ｓｌｗ　一寸一■　Ｖ　＝＝　一■Ｉ■—＿Ｉ■■嘲Ｉ　’■Ｈ．’■哪　ｊ　Ｉ；　　；｝ｌ—ｉｔ　一●　一ｌＩ●一：０—¨　　■ｑ　：、ｒ　；　ｉ、厂：　、／ｒ　ｌ　；　Ｉ　！　Ｉ一■■坤ｌ　’＿Ｉ＿—＿　＾●—啊　：Ｖ　ｉ　Ｖ！Ｖ｝Ｉ－－　ｉ　　：ｌ二　枷　枷　。　龆　曲　一　图４螺旋天线的螺距与谐振频率的关系　ｓ－ｃ喇　４　土　一肆阳　—许　、厂　，、，ｒ　．．　＇一Ｉ．　ｙ　ｊ　；　ｌ　ｍ—∞—＾＂　■＾哪　～……■……｝　…　～…一Ｌ…　…，：　一　一Ｅ－Ｕ　¨　一—年—Ｍ　●Ｍ●　　－：、ｒ　Ｓ■　ｌＩ　一鄙　ｊ－＾ＩＩ．　Ｖ　一　Ｉ■．Ｉ：，＿ｔ　Ｙ　葛■　一　暮Ｓ‘．１Ｉ■＿—ｔ哪　Ｌ１．■　１ｒ　：　Ｖ　ｙ　｝．．　　：ｌ　　；｝。　枷　椰　砌　龇　哪　曲一　图５　内芯铁氧体的半径与谐振频率的关系　通过不断的仿真以及优化，最终得到天线的结　构如图６所示，其中参考地原型物体为节点芯片　ＰＣＢ板，天线内芯为铁氧体。其中绕线采用直径为　０．５　ｍｍ的铜线。螺旋内径为５．４　ｍｍ，螺距为　２．２　ｍｍ，内芯采用铁氧体，高度为３５．２　ｍｍ，半径　２．０８　ｍｔｎｏ　２．４仿真及仿真结果分析　根据以上参数，使用ＨＦＳＳ　１３对天线进行仿　３８　武汉工业学院学报　２０１２矩　图６天线的ＨＦＳＳ建模截图　真，天线的Ｓ，。参数以及驻波比结果如图７及图８　所示。　图７　天线的Ｓｎ参数随频率变化曲线　图８天线驻波比随频率变化曲线　由图７和图８可看出当螺旋天线内芯直径Ｘ，＝　２．０８　ｍｍ时，天线谐振在４３３　ＭＨｚ。当天线工作在　４３３　ＭＨｚ时，天线的Ｓｌ。参数为一１９．５６９　７　ｄＢ，驻波　比为１．２３４　８，在工程应用中一般要求ｓ．．参数小于　一６　ｄＢ，驻波比小于３。故本设计在理论上符合工　程实践应用要求。　３　结束语　针对高速公路中埋人式无线传感器网络的实际　应用对其节点天线进行了分析、设计及仿真，整个埋　人式无线传感器网络节点连同天线采用圆形塑料球　体进行封装。仿真结果显示，在使用４３３　ｂｉＨｚ的无　线传感器网络节点中，所设计的天线基本满足应用　需求。所应用的设计思路和方法具有工程价值。下　一步将对天线的实际应用进行进一步的验证。　参考文献：　［１］　张衡，陈东义．无线传感器网络天线的应用选　择研究［Ｊ］．电子科技大学学报，２０１０，增刊　（３９）：８５－８８．　［２］　约翰・克劳斯．天线（第三版）［Ｍ］．北京：电　子工业出版社，２００２．　［３］　卢万铮．天线理论与技术［Ｍ］．西安：西安电　子科技大学出版社，２００４．　［４］　李明洋．ＨＦＳＳ应用详解［Ｍ］．北京：人民邮电　出版社，２０１０．　［５］　路宏敏，赵永久，朱满座．电磁场与电磁波基　础［Ｍ］．北京：科学出版社，２００６．