面向无线传感网的天线辐射特性自动测量及分析

面向无线传感网的天线辐射特性自动测量及分析
付勇;吕家亮;刘瑞霞
【摘要】天线辐射特性是无线传感网中的重要参数,但由于其受众多因素影响,同时辐射特性测量是专业、昂贵且费时的过程,因此该参数常被简化或忽视.针对该问题,设计面向无线传感网的天线自动测量系统和数据处理程序,用于实现天线辐射特性的快速测量和数据处理.在此基础上对无线传感网中14种典型天线在不同平面上的辐射特性,以及金属平板对天线方向性图的影响进行测量分析和讨论,总结各天线特点及目标应用场景.上述研究可为针对不同应用的无线传感网系统天线选择和安装提供参考和建议.%Antenna radiation characteristics of the antenna are important parameters in Wireless Sensor Networks(WSNs),but they are often overlooked or simplified because the antenna radiation characteristics measurement process is professional,expensive and time-consuming,and the characteristics are affected by many
parameters.Aiming at this problem,this paper presents an automatic antenna measurement system and data processing program for WSNs,which can quickly and easily implement measurement and data processing of the antenna radiation characteristics.Furthermore,radiation characteristics of fourteen typical antennas in WSNs on different planes and the influence of metal planes on antenna directivity are measured and analyzed.At last,the characteristics and target application scences of all antennas are discussed.This study is expected to provide suggestions and references for antenna selection and installation in WSNs for different applications.
【期刊名称】《计算机工程》
【年(卷),期】2017(043)007
【总页数】10页(P90-99)
【关键词】无线传感网;天线;自动测量;辐射特性;方向性图
【作者】付勇;吕家亮;刘瑞霞
【作者单位】山东省计算中心(国家超级计算济南中心) 山东省计算机网络重点实验室,济南 250101;山东省计算中心(国家超级计算济南中心) 山东省计算机网络重点实验室,济南 250101;山东省计算中心(国家超级计算济南中心) 山东省计算机网络重点实验室,济南 250101
【正文语种】中文
【中图分类】TP393
中文引用格式：付勇,吕家亮,刘瑞霞.面向无线传感网的天线辐射特性自动测量及分析[J].计算机工程,2017,43(7):90-99.
英文引用格式：Fu Yong,Lü Jialiang,Li u Ruixia.Automatic Measurement and Analysis of Antenna Radiation Characteristics for Wireless Sensor Networks[J].Computer Engineering,2017,43(7):90-99.
天线是无线传感网[1-3]系统的重要组成部分。

首先,无线信号的传输依赖于天线;同时,一些新的应用和研究如无线能量采集[4]、智能天线[5]也需要高性能的天线;更为重要的是,只有通过研究天线的辐射特性,研究人员才可以建立准确的无线信道传播模型,而信道传播模型是定位跟踪、网络规划、路由设计等无线传感网核心应用的基础[6-8]。

但在无线传感网系统设计中天线的辐射特性常被忽视和简化,点源的自
由空间辐射模型被众多研究采用[9-10]。

虽然在一些情况下,该模型能够较好地模
拟全向天线的辐射特性,但是很多时候,如三维定位等新的研究中,忽视天线辐射特性建立的模型会存在较大的实验误差[11];此外,随着大量无线传感网和物联网系统和
设备投入应用,由于体积、成本、传输距离等限制和要求,无线模块和传感器节点采
用的天线种类繁多,除了传统的电感带载天线,还有PCB天线、片状天线、FPC天线、介质微带天线等[12]。

与全向天线不同,这些天线的方向性图不规则,辐射特性更复杂。

通常天线的辐射特性数据可以通过数据手册和测试报告获取,但这些数据是在
理想的实验室环境中测得的,而且天线辐射特性受板材、周边元器件和电路设计等
因素影响,而且对于大量自制天线和廉价成品天线很难获得其相关数据,这对研究人
员研究天线辐射特性和无线信道传播模型造成了很大障碍。

此外,天线数据手册和
测试报告中专业的电场磁场强度表述对于一般工程人员和其他专业的研究人员来说较为复杂,而在实际应用中信号强度通常是人们最关注的指标。

此时,研究人员和工
程人员针对特定的无线模块进行天线参数的测量和仿真是较好的解决方法。

软件仿真可以加快设计过程,降低研发成本,但是由于天线仿真结果受模型设计、参
数设置、计算精度等因素的影响,通常会与实际情况存在较大的误差,一般需要在天
线试制后进行测量和修改[13-15];而天线参数的专业测量虽然精度较高,但是测量过程费时枯燥,同时需要昂贵的专业设备,不适合无线传感网设备天线的批量测试。

简
言之,以低成本和简单装置实现高精度天线辐射特性的快速测量,对于无线传感网系
统和理论研究具有重要意义。

为此,本文分析天线辐射特性测量的相关研究,设计天
线参数自动测量系统和数据处理程序,测量无线传感网中典型天线的辐射特性,并对
其性能进行分析。

同时对天线与金属板不同间距时的天线辐射特性也进行测量和分析,最后讨论这些天线的特点和应用情况。

天线辐射特性的测量方法是射频领域中的一项重要内容,测试方法和技术已经非常
成熟。

虽然专业的天线测量具有很高的精度,但是测量需要在微波暗室中进行,由信
号源产生特定频率和功率的射频信号对源天线进行激励,并通过电脑控制转台转动
天线,然后利用频谱仪对接收天线的微波信号进行测量来获取接收信号强度从而获
得天线的辐射特性[16]。

上述过程系统复杂、测试成本高。

此外,在近距离低功耗
无线网络中通过无线模块的RSSI功能来估算天线的辐射特性是一种简单可靠的方法。

一般而言,为获得天线的辐射特性,需要将被测天线固定,然后将接收节点以该天线为圆心沿指定半径转动一周获得该距离上的天线接收信号强度。

文献[17]通过机械装置转动接收天线,并利用专业微波设备进行测量,结构复杂,成本较高。

人工测量虽然成本较低,但需要精确测量接收节点的转动角度并保证在整个测试过程中转动
半径保持不变,同时为获得较好的测试精度,测量角度间隔一般小于等于1°,角度测量和校正实现难度较大且费时费力,此外人工测试会引入测试误差影响测试结果。

但
是这些测试误差可以通过自动化系统来控制天线转动/移动消除,如果在控制天线转动/移动的同时进行无线数据的传输,就可以获取RSSI信号完成天线辐射特定的测量。

基于此设计思想,本文设计一套天线辐射特性自动测量系统。

2.1 系统硬件架构
测试系统设计的核心是固定被测天线和接收节点,然后通过较低成本的电子和机械
装置按指定角度精确转动待测天线,同时被测节点接收无线数据包从而获取信号强度,将被测天线转动一周即可获得完整的天线辐射特性。

上述方案避开了转动节点
所需的复杂机械装置,同时能够实现高精度的步进角控制。

该系统实现的关键是精
确的步进角控制以及天线转动时无线数据的传输及数据处理。

对于前者,本文测试
系统通过步进电机来实现天线的转动,但常见的步进电机步进角一般为1.8°/3.6°,精度较差,因此,本文采用减速器降低步进角来提高精度。

在无线数据传输和数据处理
方面,本文将天线测试模块分解为2个独立的模块,分别用于控制无线数据传输和电机控制,以此降低单系统复杂度,并利用硬件触发和时间片策略来保证电机、无线和
数据处理等操作的同步。

最终设计的系统硬件架构如图1所示,实物图如图2所示。

天线测试装置由天线、天线支架、不锈钢连接杆(30 cm×5)、馈线、无线收发模块CC2500、主控模块MSP430F5438A、电机控制模块MSP430F5438A、显示模
块UG-2864KSWLG01、电源管理、电机驱动器DM542、步进电机
57HS7630A4、高精度行星减速器57BYG、铝合金电机支架和可充电锂电池等部分构成。

天线测试模块又分为2个子模块:模块A和模块B。

模块A负责无线数据传输和文件操作,模块B负责电机控制、电池电量检测和显示,其中主控模块有4个无线收发模块接口,可同时测量4条天线。

由于系统需要多组电源输出且要求精确
的输出电压,同时系统由电池供电,因此电源部分首先由高性能DC/DC芯片
LM3150将电池电压降至5.5 V后一路经LDO LT1763-5将电压降至5 V为电机
控制电路供电,另一路经高性能DC/DC TPS62740将电压降至3 V输出为系统主
电源,可提供高达300 mA的输出电流,同时具有极低的损耗。

为获得较好的测量效果,被测天线通过天线支架安装在1.7 m高的不锈钢连接杆顶端,连接杆通过刚性联轴器固定在57步进电机输出轴,电机步进角为1.8°,并利用减速比为10的行星减速器来减小步进角到0.18°。

接收模块由6 dBi全向天线、无线收发模块CC2500、主控模块MSP430F5438A、电源管理、显示模块UG-2864KSWLG01、电池、三脚架等部分构成。

接收节点
安装在三脚架顶端,天线高度为1.7 m。

测量场地为实验室室内环境,天线测试装置
与接收模块天线间距为0.5 m,模块间无遮挡。

2.2 天线测量
天线测试由接收模块和天线测试模块配合完成。

接收模块工作原理如下:上电后系
统初始化完成,等待接收无线数据包,如收到数据包ATST则提取RSSI,生成应答数
据包ACK并发送广播然后返回侦听状态直至关闭电源。

天线测试模块流程需要由
模块A和模块B共同完成。

系统上电后,模块A系统初始化后等待按键进入待机状态,模块B系统初始化后初始化电机驱动器并等待脉冲中断。

等测试者按下“Send”
按键后测试开始,模块A首先发送ATST数据包,并等待接收节点返回ACK数据包,如超时则返回待机状态,如收到ACK数据包则提取ACK数据包内容同时获取信号强度,然后将测量数据存入TF卡,同时发送脉冲到模块B,然后等待TestingACK引脚电平拉高。

模块B检测到脉冲后控制步进电机驱动器转动步进电机,然后输出高电平脉冲到模块A的TestingACK引脚并进入待机状态。

模块A如果在指定时间内检测到TestingACK引脚高电平则将测试序号加1,进行下一次测量,如果检测超时则重发脉冲。

重复以上操作至测试序号达到2 000,然后模块A发送高电平脉冲到模块B的TestingFin引脚,关闭系统,结束测量。

模块B检测到TestingFin引脚高电平后关闭系统,结束操作,至此完成一次完整的天线测量。

具体流程如图3所示,其中,A为天线测试子模块A流程;B为天线测试子模块B流程;C为接收模块流程。

虚线代表模块间通信。

由图3可以看出,自动测量实现的关键是被测天线的精确转动和无线数据传输及测量数据存储等操作同步,这需要各模块间的相互配合,本文测试系统通过状态字和中断来保证系统事件的可靠触发和实时处理,同时结合应答机制对模块间控制指令和数据传输进可靠同步。

最后利用超时异常来保证系统的鲁棒性。

2.3 多天线处理方法
与常规无线传感网节点不同,本文测试系统单节点最多安装4条天线,可用于多条定向天线或天线阵列的测试,但需要对无线模块的驱动程序和电路进行修改。

在硬件设计上,因为系统只有一条天线处于发送状态,同时为降低系统复杂度,各无线模块公用一组SPI接口,用4条GPIO控制各模块的SPI使能。

利用CC2500的GP0连接单片机具有中断功能的GPIO,并将其设置为中断输入引脚。

在天线测量过程中,模块C和模块B的流程无需改动,模块A的程序需要做如下修改:
1)系统初始化时,首先对各条天线进行编号,然后对各天线对应的无线模块依次初始化,各模块初始化后状态为idle。

2)ATST数据包发送流程修改为:当指定某条天线为发射天线时,将所有模块设置为idle状态,然后根据编号将ATST数据包打包传输至该天线对应模块并发送,并依次
将各模块设置为接收状态。

3)无线接收流程修改为:当任一模块接收完毕无线数据包后GP0引脚输出高电平,模块A主控单片机检测到高电平后从休眠状态唤醒并等待5 ms后依次读取各模块的GP0引脚电平,如为高电平则取出无线数据并提取RSSI值,所有数据取完后将各模
块设置为idle状态,完成ACK应答数据包接收。

系统测量时序图如图4所示。

单角度测量时间为147 ms,一次完整测量时间为
300 s。

去除图4中的天线2～天线4后,该时序图同时适用于单天线测试。

单次测量完成后将TF卡中的数据文件保存至电脑,然后利用本文开发的数据处理程序进行数据处理并将处理完成的数据导入数据库RSSIA表。

当所有天线测量完成
后将这些天线的测量数据进行统一和异常数据处理后存入天线辐射特性统计表AntLists,用于天线数据的分析统计。

数据库由图5所示的3个表构成,其中,Ants
表为天线信息表,存储天线的序号、名称、天线数量、图片位置等信息;RSSIA为天线测试数据表,按照角度、序号依次保存,一条测试记录最多存储8条发送天线和一条接收天线的测试数据。

本文测试系统设计序号为单精度浮点型,整数部分为天线
编号,小数部分代表测试平面等参数;AntLists表为天线汇总表,按照角度保存,按序号排序,将同角度的天线测量数据按照天线序号分别填入Ant1,Ant2,Ant3,…,依次类推,支持最大天线数量为50条。

软件运行界面如图6所示。

数据导入完成后可直观观察天线辐射特性,将天线辐射特性由方向性图的形式进行
展示,其中方向性图中的三角表明天线的朝向。

如测试数据异常可删除单次/全部测量数据。

由于无线传输天然的不可靠特点和天线的方向性差异,测量时有0.5%～2%的测试角度没有返回测试结果,这些缺失的数据会破环数据完整性,对后期处理造成麻烦,因此,本文在天线全部测试完成后将全部测试数据汇总至AntLists表并进行标
准化,便于数据后期处理和分析。

同时本程序可便捷直观查询已测天线,输入天线序号后即可显示该天线测试基本信息、天线照片和方向性图。

由于天线数量较多,因此程序建立了天线图片库,点击天线图片就可以查看天线的大尺寸图片和天线方向性图。

程序图片库界面如图7所示。

4.1 测试天线
本文对14款天线进行测试,这些天线基本涵盖了无线传感网和物联网应用中的常用天线类型,同时还包括针对特定应用的2款定向天线和一款智能天线阵列。

测试天线列表如表1所示。

其中,尺寸为含电路板和底座的尺寸,标*表示天线最小尺寸。

此外,3号～5号天线为PCB天线,一般在制作电路板时同时完成天线的设计和布板,无须额外购买,因此设定价格为0元。

天线实物图如图8所示,其中图中编号对应表1中的序号。

由于本文测试的多数天线属于非全向天线,天线的安装角度对同一水平面上的辐射特性也会造成影响,因此本文对每条天线选择2个或3个典型安装角度进行测量,此外,对金属板对天线方向性图影响也进行了测试。

4.2 鞭状天线
鞭状天线是无线传感网中被广泛应用的一种全向天线的统称,这些天线具有规则的方向性图,一般按增益区分,如3 dBi,5 dBi,9 dBi等。

本文对2款鞭状天线进行测试,测试结果如图9所示。

其中,图9(a)和图9(b)中的实线(黑色)曲线为XY平面(天线垂直于地面)的天线方向性图;虚线(红色)曲线为YZ平面(天线平行于地面)的方向性图。

图9(c)为2款天线的对比图。

可以看出,这两款天线在XY平面上方向性图规则近似圆形,3 dBi天线标准误差为1.72 dB,6 dBi天线标准误差只有0.77 dB,特别适用基于信号强度的采用自由空间传播模型的二维定位算法。

在YZ平面上两款天线的辐射特性均不规则,因此,鞭状天线并不适用于三维定位;但6 dBi天线平均RSSI 为-45.34 dBm,明显优于3 dBi天线的-51.22 dBm。

4.3 PCB天线
无线传感网中PCB天线因成本低廉、制作简单、体积小等诸多优势得到了广泛应用,已成为可穿戴设备和传感器节点主流天线。

本文对3款不同的PCB天线(倒F
天线、蛇形天线和对称振子天线)在3个安装平面的辐射特性进行了测量,其方向性图如图10所示。

由图10可以看出,倒F天线较另两款PCB天线性能优秀,同时天线形状最复杂,对设计者要求最高;蛇形天线尺寸最小,形状简单,但增益最低,特别是YZ平面,在实际应用时容易产生覆盖死区;对称振子天线尺寸最大,形状简单,各平面辐射特性较平均。

在实际应用中如尺寸允许倒F天线为设计首选,蛇形天线在应用中应特别注意安装角
度以保证无线性能。

4.4 陶瓷振子天线
陶瓷振子天线是一种超小型贴片天线,作为成品天线,陶瓷振子天线与PCB天线相比一致性好,同时开发者不需要射频电路理论知识背景,降低了开发难度和成本。

笔者
试制了同一厂家Johnson Technology Co.的3种不同尺寸天线电路板,并按照数
据手册参考设计进行了阻抗匹配,结果如图11所示。

可以看出,天线增益与天线尺
寸呈近似正比关系,同时在各平面均存在增益极小区域,作为在可穿戴设备中最流行
的一种天线,设计者必须充分考虑其方向性图中的低增益区并通过程序对数据丢失
情况进行处理。

4.5 FPC天线
FPC天线是一种基于柔性电路板的PCB印刷天线,可以利用背胶黏贴在物体表面,具有不占用电路板空间、安装灵活、成本低等优势。

该天线的方向性图如图12所示。

由图12可以看出,该款天线辐射特性与PCB天线类似,在XZ平面具有最强的增益,在XY平面和YZ平面存在低增益区。

4.6 陶瓷介质微带天线
陶瓷介质微带天线一般用于GNSS全球定位接收模块,在无线传感网中应用较少,本文对2款不同体积的陶瓷介质微带天线进行测试。

由于陶瓷天线辐射特性受多种因素影响,且带宽较窄,一般情况下需要根据实际应用对天线进行阻抗匹配,本文测试并未对天线进行匹配。

从图13天线方向性图中可以看出,11号天线具有被测天线中最好的增益标准差,XY平面和YZ平面的标准差分别为2.86 dB和3.72 dB,且方向性图形状规则,可用于三维WSN系统的全区域覆盖。

4.7 雷达天线
雷达天线为反射面定向天线,定向天线在点对点通信、基于到达角度的定位系统中具有广泛的应用。

测量结果如图14所示。

可以看出,该款天线在XY平面具有测试天线中最高的增益和后向辐射抑制比,具体来说,RSSI为-30 dBm,超过其他天线5.5 dB以上,后向辐射抑制比大于25 dB,其标准差为11.86 dB,具有优秀的方向性。

由于该天线YZ方向辐射性较差,因此安装时需要注意安装角度。

4.8 平板天线
大型平板天线在通信领域广泛使用,本文对一款小型平板天线进行测试,测量结果如图15所示。

由图15可以看出,该款天线在XY平面前后向均具有较大增益,左右两侧辐射较弱;在YZ平面上增益低,且方向性图不规则。

考虑到该款天线在被测天线中单天线价格最高,因此,性价比较低。

4.9 智能天线
智能天线一般由多根定向或非定向天线组成,已在WiFi系统中得到广泛应用,被用于提交网络性能和终端定位。

笔者对基于定向天线阵列的定位算法进行了一些研究工作[18],并对LinkSYS 3N这款商用智能天线进行了测试。

该天线具有3个天线,其中天线A为主天线。

测试结果如图16所示。

可以看出,天线B和天线C具有一致的方向性图,天线A后向辐射抑制优于另两根天线,但前向辐射3款天线一致性较
好且方向性图较规则。

本款智能天线主要问题在于体积较大,同时要保证较好的辐
射特性须悬挂或支架安装,安装难度较大。

4.10 金属板对天线辐射特性影响测试
实际系统中无线传感器节点一般安装在系统底板或固定在金属表面,尽管天线净空
区域规则可以有效保证天线性能,但是由于空间限制,天线距周边电路板或外壳较近,这些金属平面对天线的影响不容忽视。

因此,本文对11号天线安装金属背板来模拟金属板对天线辐射特性的影响。

金属背板距离天线间距分别为4 mm,6 mm,8 mm,10 mm,12 mm,测试结果如图17所示。

可以看出,金属平面对天线辐射特性
具有显著影响,且随距离变化。

4 mm时天线后向辐射被抑制,前向辐射较无金属背
板稍有增强,但是随着距离增加前向辐射减少。

10 mm以上方向性图变化不大。

4.11 讨论与分析
上文已经对14款天线的辐射特性进行了讨论,下文将进一步对各款天线特点进行汇总,为读者进行无线传感网天线选择和设计提供参考。

图18列出所有测试天线在不同平面上的箱线图,其中箱体中的小方块代表平均信号强度,长横线代表信号强度中
间值,该值与天线的增益相对应,箱体上下方的短横线对应信号强度最大值和最小值。

箱体的长度对应接收信号强度的标准误差,越短的箱体方向性图越规则,越长的箱体
天线的方向性越强。

可以看出,利用箱线图得到的结果与上文分析的天线辐射特性
相吻合。

根据上述讨论,在表2中列出各天线特点及目标应用场景。

本文设计WSN天线辐射特性自动测试系统和数据处理程序,并通过实验表明该系
统能够实现WSN天线辐射特性的快速求解。

在此基础上对WSN系统中常用天线的辐射特性,以及金属板对天线辐射特性的影响进行了测试和分析,同时对实际应用
中的天线选择和设计提出建议和参考。

下一步将针对面向无线传感网高精度定位的
天线阵列进行辐射特性分析与系统设计。

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