Entwurf einer Normalantennen-Schrauben antenne im Temperatur messsystem des SAW-Temperatursensors
1.1 Modellentwurf
(1) Parameter-Berechnung:
Die zentrale Betriebsfrequenz fc des Systems beträgt 915 MHz, und die Berechnungsformel der zentralen Arbeitswellenlänge λc lautet:
Die Eigenschaften der Wendelantenne werden durch πD <λ bestimmt. Bei dieser Konstruktion ist πD <0,5 λ, und daher handelt es sich um eine Normalmoden-Helixantenne.
(2) Festlegung der Randbedingungen:
Wenn HFSS eine Antenne analysiert, muss zunächst die Strahlungsgrenze festgelegt werden, und der Abstand zwischen der Strahlungsfläche und dem Strahler muss größer als ein Viertel der Betriebswellenlänge sein. Entsprechend der Struktur der Helixantenne im Normalmodus wird ein quaderförmiges Modell mit Scheitelpunktkoordinaten von (-90, -90, -90) erstellt, jede Achse ist 180 mm lang und das Material ist Luft mit der Bezeichnung AirBox. Nachdem das quaderförmige Modell erstellt wurde, muss seine Oberfläche auf die Strahlungsgrenzbedingung eingestellt werden.
(3) Festlegung des Incentive-Hafens: Es gibt viele Anregungsmethoden in HFSS. Da sich der Eingangsanschluss der Antenne im Entwurfsmodus innerhalb des Modells befindet, wird der konzentrierte Anschluss verwendet und die Anschlussimpedanz auf 50 Ω eingestellt.
(4) Lösen von Einstellungen: Stellen Sie die Lösungsfrequenz auf 915 MHz ein, die maximale Anzahl von Iterationen für die Vernetzung beträgt 15 und der Konvergenzfehler beträgt im Allgemeinen 0,02. Der Sweep-Bereich wird im linearen Schritt in Schritten von 0,01 GHz von 0,5 GHz bis 1,5 GHz eingestellt.
1.2 Simulationsergebnisse und Analyse
Gemäß der obigen Parameterberechnung und -einstellung wird das HFSS-Modell erstellt. Die Normalmodus-Spiralantenne besteht hauptsächlich aus einer Spiralspule, einer Erdungsplatte und einer Leiterplatte. Bei dieser Konstruktion ist die Anzahl der Windungen der Spiralspule auf 9,5 Windungen und die Steigung auf 2 mm eingestellt; Die Größe der Erdungsplatte beträgt 27 mm × 30 mm; Die Anregungsmethode ist eine Klumpenanregung; Das Volumen der Leiterplatte beträgt 30 mm × 30 mm × 1 mm.
Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Normalmoden-Wendelantenne bei einer mittleren Betriebsfrequenz von 915 MHz ein Stehwellenverhältnis von etwa 1,48 und weniger als 1,5 aufweist, was darauf hinweist, dass die Anpassung gut und die Übertragungseigenschaften gut sind. das erreicht das Ziel dieses Entwurfs.
Das Verstärkungsmuster der xz-Ebene der Helixantenne im Normalmodus ist in Fig. 9 gezeigt. Zu diesem Zeitpunkt liegt die maximale Strahlungsrichtung der Antenne in einer Ebene senkrecht zur Spiralachse, und das Muster in einer beliebigen Ebene einschließlich ihrer Achse ist eine Achtform. In der Abbildung ist der m1-Punkt der maximale Verstärkungspunkt. Es ist ersichtlich, dass die maximale Verstärkung dieses Entwurfs etwa 1,39 dB beträgt, was größer als 0 ist, wodurch das Entwurfsziel der Wendelantenne erreicht wird.
1,3 optimiertes Design
(1) Einfluss der Tonhöhe auf die Arbeitsfrequenz
Der Abstand der Normalmodus-Wendelantenne wird durch die Variable S dargestellt, die aus Abbildung 10 geschlossen werden kann: Halten Sie die anderen Abmessungen unverändert, ändern Sie die Tonhöhe S, die mittlere Arbeitsfrequenz der normalen Spiralantenne ändert sich mit der Zunahme von S, zuerst erhöhen und dann verringern. Daher müssen wir im Entwurf zuerst den Wendepunkt finden. Vor dem Wendepunkt sollte die mittlere Arbeitsfrequenz mit zunehmendem S zunehmen. Nach dem Wendepunkt wird die mittlere Betriebsfrequenz mit zunehmendem S verringert und dann gemäß den Entwurfszielen eingegrenzt.
(2) Die Auswirkung der Anzahl der Windungen auf die Betriebsfrequenz
Die Anzahl der Windungen der Normalmodus-Wendelantenne wird durch eine Variable N dargestellt. Es ist aus Fig. 11 ersichtlich. Wenn die N-Werte 7,5 mm, 8,5 mm, 9,5 mm, 10,5 mm und 11,5 mm betragen, betragen die entsprechenden Resonanzfrequenzen 1 054 MHz, 978 MHz, 915 MHz, 858 MHz bzw. 796 MHz. Aus den Simulationsergebnissen ist ersichtlich, dass die Erhöhung der Anzahl der Windungen N bewirkt, dass die zentrale Betriebsfrequenz der Normalmodus-Helixantenne allmählich abnimmt, während die anderen Abmessungen konstant gehalten werden.
(3) Anpassung der Helixantenne im Normalmodus
Für die Normalmodus-Wendelantenne wird in diesem Design die Smith v2.0-Software zur Impedanzanpassung verwendet. Die Essenz besteht darin, das Smith-Diagrammprinzip für die Impedanzanpassung zu verwenden. Abbildung 12 zeigt die Anpassung der normalen Wendelantenne an die Smith v2.0-Software. Die eingestellte Frequenz beträgt 915 MHz und die anfängliche Eingangsimpedanz beträgt (11.628 + j0.119) Ω. Erhalten Sie seine Position im Smith-Diagramm als Punkt 1. Schließen Sie nach dem Reihenschalten eines Induktors einen Kondensator parallel an, und die Impedanz kann 50 Ω erreichen. In der Smith-Tabelle wird Punkt 1 im Uhrzeigersinn bis Punkt 2 und dann im Uhrzeigersinn bis Punkt 3 gedreht, um das Spiel zu beenden. Bei der physikalischen Produktion müssen auch die Werte der Induktivität und Kapazität entsprechend der tatsächlichen Situation angepasst werden.
4. Fazit
In diesem Dokument werden hauptsächlich zwei Antennen zum Senden und Empfangen im passiven drahtlosen SAW-Temperatursensor-Temperaturmesssystem entworfen. Entsprechend der unterschiedlichen Aufteilung der Sendeantenne und der Empfangsantenne in Kombination mit dem Anwendungsszenario wird die Leseantenne als PIFA-Antenne ausgewählt, und die Sensorantenne ist als Normalmodus-Wendelantenne ausgelegt. Durch die Erstellung eines Modells und die Optimierung des Designs und des passenden Designs wurde das Designziel endlich erreicht. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Resonanzfrequenzen der beiden Antennen alle 915 MHz betragen, das Stehwellenverhältnis weniger als 1,5 beträgt und die Eingangsimpedanz etwa 50 Ω beträgt, wodurch eine Anpassung erreicht wird. Die maximale Verstärkung der PIFA-Antenne beträgt 3,34 dB, und die Verstärkung der Helixantenne im Normalmodus beträgt 1,39 dB, was den Parametern im Design entspricht.
(1) Parameter-Berechnung:
Die zentrale Betriebsfrequenz fc des Systems beträgt 915 MHz, und die Berechnungsformel der zentralen Arbeitswellenlänge λc lautet:
Die Eigenschaften der Wendelantenne werden durch πD <λ bestimmt. Bei dieser Konstruktion ist πD <0,5 λ, und daher handelt es sich um eine Normalmoden-Helixantenne.
(2) Festlegung der Randbedingungen:
Wenn HFSS eine Antenne analysiert, muss zunächst die Strahlungsgrenze festgelegt werden, und der Abstand zwischen der Strahlungsfläche und dem Strahler muss größer als ein Viertel der Betriebswellenlänge sein. Entsprechend der Struktur der Helixantenne im Normalmodus wird ein quaderförmiges Modell mit Scheitelpunktkoordinaten von (-90, -90, -90) erstellt, jede Achse ist 180 mm lang und das Material ist Luft mit der Bezeichnung AirBox. Nachdem das quaderförmige Modell erstellt wurde, muss seine Oberfläche auf die Strahlungsgrenzbedingung eingestellt werden.
(3) Festlegung des Incentive-Hafens: Es gibt viele Anregungsmethoden in HFSS. Da sich der Eingangsanschluss der Antenne im Entwurfsmodus innerhalb des Modells befindet, wird der konzentrierte Anschluss verwendet und die Anschlussimpedanz auf 50 Ω eingestellt.
(4) Lösen von Einstellungen: Stellen Sie die Lösungsfrequenz auf 915 MHz ein, die maximale Anzahl von Iterationen für die Vernetzung beträgt 15 und der Konvergenzfehler beträgt im Allgemeinen 0,02. Der Sweep-Bereich wird im linearen Schritt in Schritten von 0,01 GHz von 0,5 GHz bis 1,5 GHz eingestellt.
1.2 Simulationsergebnisse und Analyse
Gemäß der obigen Parameterberechnung und -einstellung wird das HFSS-Modell erstellt. Die Normalmodus-Spiralantenne besteht hauptsächlich aus einer Spiralspule, einer Erdungsplatte und einer Leiterplatte. Bei dieser Konstruktion ist die Anzahl der Windungen der Spiralspule auf 9,5 Windungen und die Steigung auf 2 mm eingestellt; Die Größe der Erdungsplatte beträgt 27 mm × 30 mm; Die Anregungsmethode ist eine Klumpenanregung; Das Volumen der Leiterplatte beträgt 30 mm × 30 mm × 1 mm.
Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Normalmoden-Wendelantenne bei einer mittleren Betriebsfrequenz von 915 MHz ein Stehwellenverhältnis von etwa 1,48 und weniger als 1,5 aufweist, was darauf hinweist, dass die Anpassung gut und die Übertragungseigenschaften gut sind. das erreicht das Ziel dieses Entwurfs.
Das Verstärkungsmuster der xz-Ebene der Helixantenne im Normalmodus ist in Fig. 9 gezeigt. Zu diesem Zeitpunkt liegt die maximale Strahlungsrichtung der Antenne in einer Ebene senkrecht zur Spiralachse, und das Muster in einer beliebigen Ebene einschließlich ihrer Achse ist eine Achtform. In der Abbildung ist der m1-Punkt der maximale Verstärkungspunkt. Es ist ersichtlich, dass die maximale Verstärkung dieses Entwurfs etwa 1,39 dB beträgt, was größer als 0 ist, wodurch das Entwurfsziel der Wendelantenne erreicht wird.
1,3 optimiertes Design
(1) Einfluss der Tonhöhe auf die Arbeitsfrequenz
Der Abstand der Normalmodus-Wendelantenne wird durch die Variable S dargestellt, die aus Abbildung 10 geschlossen werden kann: Halten Sie die anderen Abmessungen unverändert, ändern Sie die Tonhöhe S, die mittlere Arbeitsfrequenz der normalen Spiralantenne ändert sich mit der Zunahme von S, zuerst erhöhen und dann verringern. Daher müssen wir im Entwurf zuerst den Wendepunkt finden. Vor dem Wendepunkt sollte die mittlere Arbeitsfrequenz mit zunehmendem S zunehmen. Nach dem Wendepunkt wird die mittlere Betriebsfrequenz mit zunehmendem S verringert und dann gemäß den Entwurfszielen eingegrenzt.
(2) Die Auswirkung der Anzahl der Windungen auf die Betriebsfrequenz
Die Anzahl der Windungen der Normalmodus-Wendelantenne wird durch eine Variable N dargestellt. Es ist aus Fig. 11 ersichtlich. Wenn die N-Werte 7,5 mm, 8,5 mm, 9,5 mm, 10,5 mm und 11,5 mm betragen, betragen die entsprechenden Resonanzfrequenzen 1 054 MHz, 978 MHz, 915 MHz, 858 MHz bzw. 796 MHz. Aus den Simulationsergebnissen ist ersichtlich, dass die Erhöhung der Anzahl der Windungen N bewirkt, dass die zentrale Betriebsfrequenz der Normalmodus-Helixantenne allmählich abnimmt, während die anderen Abmessungen konstant gehalten werden.
(3) Anpassung der Helixantenne im NormalmodusFür die Normalmodus-Wendelantenne wird in diesem Design die Smith v2.0-Software zur Impedanzanpassung verwendet. Die Essenz besteht darin, das Smith-Diagrammprinzip für die Impedanzanpassung zu verwenden. Abbildung 12 zeigt die Anpassung der normalen Wendelantenne an die Smith v2.0-Software. Die eingestellte Frequenz beträgt 915 MHz und die anfängliche Eingangsimpedanz beträgt (11.628 + j0.119) Ω. Erhalten Sie seine Position im Smith-Diagramm als Punkt 1. Schließen Sie nach dem Reihenschalten eines Induktors einen Kondensator parallel an, und die Impedanz kann 50 Ω erreichen. In der Smith-Tabelle wird Punkt 1 im Uhrzeigersinn bis Punkt 2 und dann im Uhrzeigersinn bis Punkt 3 gedreht, um das Spiel zu beenden. Bei der physikalischen Produktion müssen auch die Werte der Induktivität und Kapazität entsprechend der tatsächlichen Situation angepasst werden.
4. Fazit
In diesem Dokument werden hauptsächlich zwei Antennen zum Senden und Empfangen im passiven drahtlosen SAW-Temperatursensor-Temperaturmesssystem entworfen. Entsprechend der unterschiedlichen Aufteilung der Sendeantenne und der Empfangsantenne in Kombination mit dem Anwendungsszenario wird die Leseantenne als PIFA-Antenne ausgewählt, und die Sensorantenne ist als Normalmodus-Wendelantenne ausgelegt. Durch die Erstellung eines Modells und die Optimierung des Designs und des passenden Designs wurde das Designziel endlich erreicht. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Resonanzfrequenzen der beiden Antennen alle 915 MHz betragen, das Stehwellenverhältnis weniger als 1,5 beträgt und die Eingangsimpedanz etwa 50 Ω beträgt, wodurch eine Anpassung erreicht wird. Die maximale Verstärkung der PIFA-Antenne beträgt 3,34 dB, und die Verstärkung der Helixantenne im Normalmodus beträgt 1,39 dB, was den Parametern im Design entspricht.
