Diseno de antena helicoidal en modo normal en el sistema de medición de temperatura del sensor de temperatura SAW
1.1 Diseño del modelo
(1) Cálculo de parámetros: La frecuencia operativa central fc del sistema es de 915 MHz, y la fórmula de cálculo de la longitud de onda de trabajo central λc es:
Las características de la antena helicoidal están determinadas por πD <λ. En este diseño, πD <0.5 λ, y por lo tanto es una antena helicoidal en modo normal.
(2) Establecimiento de condiciones de contorno:
Cuando el HFSS analiza una antena, primero es necesario establecer el límite de radiación, y la distancia entre la superficie radiante y el radiador debe ser mayor que un cuarto de la longitud de onda de funcionamiento. De acuerdo con la estructura de la antena helicoidal en modo normal, se crea un modelo cuboide con coordenadas de vértice de (-90, -90, -90), cada eje tiene 180 mm de largo y el material es aire, denominado AirBox. Después de que se construye el modelo cuboide, su superficie debe establecerse en la condición de límite de radiación.
(3) Establecimiento del puerto de incentivos: Hay muchos métodos de excitación en HFSS. Como el puerto de entrada de la antena del modo de diseño está dentro del modelo, se utiliza el puerto Lumped y la impedancia del puerto se establece en 50 Ω.
(4) Resolver ajustes: Establezca la frecuencia de la solución en 915 MHz, el número máximo de iteraciones para la malla es 15 y el error de convergencia generalmente es 0.02. El rango de barrido se establece de 0.5 GHz a 1.5 GHz en pasos de 0.01 GHz en el paso lineal.
1.2 Resultados de simulación y análisis
De acuerdo con el cálculo y la configuración de los parámetros anteriores, se establece el modelo HFSS. La antena espiral de modo normal se compone principalmente de una bobina espiral, una placa de conexión a tierra y una placa PCB. En este diseño, el número de vueltas de la bobina espiral se establece en 9,5 vueltas, y el paso se establece en 2 mm; El tamaño de la placa de conexión a tierra es de 27 mm × 30 mm; El método de excitación es la excitación de puertos agrupados; el volumen de la placa PCB es de 30 mm × 30 mm × 1 mm.
Los resultados de la simulación muestran que la antena helicoidal en modo normal tiene una relación de onda estacionaria de voltaje de aproximadamente 1.48 y menos de 1.5 en la frecuencia de operación central de 915 MHz, lo que indica que la coincidencia es buena y las características de transmisión son buenas. que logra el objetivo de este diseño.
El patrón de ganancia del plano xz de la antena helicoidal en modo normal se muestra en la Fig. 9. En este momento, la dirección máxima de radiación de la antena está en un plano perpendicular al eje espiral, y el patrón en cualquier plano, incluido su eje, tiene forma de figura ocho. En la figura, el punto m1 es el punto de ganancia máxima. Se puede ver que la ganancia máxima de este diseño es de aproximadamente 1.39 dB, que es mayor que 0, lo que logra el objetivo de diseño de la antena helicoidal.
1,3 diseño optimizado
(1) Influencia del tono en la frecuencia de trabajo
El tono de la antena helicoidal en modo normal está representado por la variable S, que se puede concluir de la Figura 10: Mantenga las otras dimensiones sin cambios, cambie el tono S, la frecuencia de trabajo central de la antena espiral normal cambiará con el aumento de S, primero aumente y luego disminuya. Por lo tanto, en el diseño, primero debemos encontrar el punto de inflexión. Antes del punto de inflexión, la frecuencia de trabajo central debe aumentar con el aumento de S. Después del punto de inflexión, la frecuencia de operación central se reduce a medida que S aumenta, y luego se reduce de acuerdo con los objetivos de diseño.
(2) El efecto del número de vueltas en la frecuencia de operación
El número de vueltas de la antena helicoidal en modo normal está representado por una variable N. Se puede ver en la figura 11. que cuando los valores de N son 7.5 mm, 8.5 mm, 9.5 mm, 10.5 mm y 11.5 mm, las frecuencias resonantes correspondientes son 1 054 MHz, 978 MHz, 915 MHz, 858 MHz y 796 MHz, respectivamente. A partir de los resultados de la simulación se puede ver que el aumento del número de vueltas N hace que la frecuencia de funcionamiento central de la antena helicoidal en modo normal disminuya gradualmente mientras se mantienen constantes las otras dimensiones.
(3) Coincidencia de antena helicoidal en modo normal
Para la antena helicoidal en modo normal, el software Smith v2.0 se utiliza para la coincidencia de impedancia en este diseño. La esencia es utilizar el principio de la tabla de Smith para la correspondencia de impedancias. La Figura 12 muestra la correspondencia de la antena helicoidal normal con el software Smith v2.0. La frecuencia establecida es de 915 MHz y la impedancia de entrada inicial es (11.628 + j0.119) Ω. Obtenga su posición en la tabla de Smith como punto 1. Después de conectar un inductor en serie, conecte un condensador en paralelo y la impedancia puede alcanzar 50 Ω. En la tabla de Smith, el punto 1 se gira en sentido horario hasta el punto 2, luego en sentido horario hasta el punto 3 para completar el partido. En el caso de la producción física, los valores de la inductancia y la capacitancia también deben ajustarse de acuerdo con la situación real.
4. Conclusión
Este documento diseña principalmente dos antenas para transmitir y recibir en el sistema inalámbrico pasivo de medición de temperatura del sensor de temperatura SAW. Según la división diferente de la antena transmisora y la antena receptora, combinada con el escenario de aplicación, la antena lectora se selecciona como antena PIFA, y la antena del sensor está diseñada como una antena helicoidal en modo normal. Al establecer un modelo y optimizar el diseño y el diseño correspondiente, finalmente se logró el objetivo del diseño. Los resultados de la simulación muestran que las frecuencias resonantes de las dos antenas son todas de 915 MHz, la relación de onda estacionaria es inferior a 1,5 y la impedancia de entrada es de aproximadamente 50 Ω, lo que logra la correspondencia. La ganancia máxima de la antena PIFA es 3.34 dB, y la ganancia de la antena helicoidal en modo normal es 1.39 dB, que cumple con los parámetros en el diseño.
(1) Cálculo de parámetros: La frecuencia operativa central fc del sistema es de 915 MHz, y la fórmula de cálculo de la longitud de onda de trabajo central λc es:
Cuando el HFSS analiza una antena, primero es necesario establecer el límite de radiación, y la distancia entre la superficie radiante y el radiador debe ser mayor que un cuarto de la longitud de onda de funcionamiento. De acuerdo con la estructura de la antena helicoidal en modo normal, se crea un modelo cuboide con coordenadas de vértice de (-90, -90, -90), cada eje tiene 180 mm de largo y el material es aire, denominado AirBox. Después de que se construye el modelo cuboide, su superficie debe establecerse en la condición de límite de radiación.
(3) Establecimiento del puerto de incentivos: Hay muchos métodos de excitación en HFSS. Como el puerto de entrada de la antena del modo de diseño está dentro del modelo, se utiliza el puerto Lumped y la impedancia del puerto se establece en 50 Ω.
(4) Resolver ajustes: Establezca la frecuencia de la solución en 915 MHz, el número máximo de iteraciones para la malla es 15 y el error de convergencia generalmente es 0.02. El rango de barrido se establece de 0.5 GHz a 1.5 GHz en pasos de 0.01 GHz en el paso lineal.
1.2 Resultados de simulación y análisis
De acuerdo con el cálculo y la configuración de los parámetros anteriores, se establece el modelo HFSS. La antena espiral de modo normal se compone principalmente de una bobina espiral, una placa de conexión a tierra y una placa PCB. En este diseño, el número de vueltas de la bobina espiral se establece en 9,5 vueltas, y el paso se establece en 2 mm; El tamaño de la placa de conexión a tierra es de 27 mm × 30 mm; El método de excitación es la excitación de puertos agrupados; el volumen de la placa PCB es de 30 mm × 30 mm × 1 mm.
Los resultados de la simulación muestran que la antena helicoidal en modo normal tiene una relación de onda estacionaria de voltaje de aproximadamente 1.48 y menos de 1.5 en la frecuencia de operación central de 915 MHz, lo que indica que la coincidencia es buena y las características de transmisión son buenas. que logra el objetivo de este diseño.
El patrón de ganancia del plano xz de la antena helicoidal en modo normal se muestra en la Fig. 9. En este momento, la dirección máxima de radiación de la antena está en un plano perpendicular al eje espiral, y el patrón en cualquier plano, incluido su eje, tiene forma de figura ocho. En la figura, el punto m1 es el punto de ganancia máxima. Se puede ver que la ganancia máxima de este diseño es de aproximadamente 1.39 dB, que es mayor que 0, lo que logra el objetivo de diseño de la antena helicoidal.
(1) Influencia del tono en la frecuencia de trabajo
El tono de la antena helicoidal en modo normal está representado por la variable S, que se puede concluir de la Figura 10: Mantenga las otras dimensiones sin cambios, cambie el tono S, la frecuencia de trabajo central de la antena espiral normal cambiará con el aumento de S, primero aumente y luego disminuya. Por lo tanto, en el diseño, primero debemos encontrar el punto de inflexión. Antes del punto de inflexión, la frecuencia de trabajo central debe aumentar con el aumento de S. Después del punto de inflexión, la frecuencia de operación central se reduce a medida que S aumenta, y luego se reduce de acuerdo con los objetivos de diseño.
(2) El efecto del número de vueltas en la frecuencia de operación
El número de vueltas de la antena helicoidal en modo normal está representado por una variable N. Se puede ver en la figura 11. que cuando los valores de N son 7.5 mm, 8.5 mm, 9.5 mm, 10.5 mm y 11.5 mm, las frecuencias resonantes correspondientes son 1 054 MHz, 978 MHz, 915 MHz, 858 MHz y 796 MHz, respectivamente. A partir de los resultados de la simulación se puede ver que el aumento del número de vueltas N hace que la frecuencia de funcionamiento central de la antena helicoidal en modo normal disminuya gradualmente mientras se mantienen constantes las otras dimensiones.
(3) Coincidencia de antena helicoidal en modo normalPara la antena helicoidal en modo normal, el software Smith v2.0 se utiliza para la coincidencia de impedancia en este diseño. La esencia es utilizar el principio de la tabla de Smith para la correspondencia de impedancias. La Figura 12 muestra la correspondencia de la antena helicoidal normal con el software Smith v2.0. La frecuencia establecida es de 915 MHz y la impedancia de entrada inicial es (11.628 + j0.119) Ω. Obtenga su posición en la tabla de Smith como punto 1. Después de conectar un inductor en serie, conecte un condensador en paralelo y la impedancia puede alcanzar 50 Ω. En la tabla de Smith, el punto 1 se gira en sentido horario hasta el punto 2, luego en sentido horario hasta el punto 3 para completar el partido. En el caso de la producción física, los valores de la inductancia y la capacitancia también deben ajustarse de acuerdo con la situación real.
4. Conclusión
Este documento diseña principalmente dos antenas para transmitir y recibir en el sistema inalámbrico pasivo de medición de temperatura del sensor de temperatura SAW. Según la división diferente de la antena transmisora y la antena receptora, combinada con el escenario de aplicación, la antena lectora se selecciona como antena PIFA, y la antena del sensor está diseñada como una antena helicoidal en modo normal. Al establecer un modelo y optimizar el diseño y el diseño correspondiente, finalmente se logró el objetivo del diseño. Los resultados de la simulación muestran que las frecuencias resonantes de las dos antenas son todas de 915 MHz, la relación de onda estacionaria es inferior a 1,5 y la impedancia de entrada es de aproximadamente 50 Ω, lo que logra la correspondencia. La ganancia máxima de la antena PIFA es 3.34 dB, y la ganancia de la antena helicoidal en modo normal es 1.39 dB, que cumple con los parámetros en el diseño.
