一种近场 2.4GHz 环形天线,用于短程内旋转接头的高数据速率和高安全性数据传输

摘要

目前,安全摄像机对从旋转摄像机到监控基础设施的电源和数据链路均采用滑环。这里面存在可靠性和安装复杂度问题。因此,需要非接触式电源和数据链路解决方案来提高可靠性和降低复杂度。尽管通过短程感应耦合可让摄像机获得非接触式电源,但数据链路却遇到了一些挑战。为了实现 H.264 高分辨率视频流的可靠传输,有专家提出采用至少 54Mbps 的 WiFi 协议。但是,要在摄像机旋转过程中获得这么高的数据速率,在 360 度旋转的整个过程中接收天线必须具备良好的信号接收能力才行。另一方面,为了达到较高的安全级别,信号泄漏必须保持在一定水平之下,以避免附近的窃取装置捕捉视频。这意味着我们需要开发这样一个天线,它具有低回波损耗 |S11|、高接收信号比 |S12| 和较低的泄漏信号 P_leak,但在天线设计中,这些要求有时是相互矛盾的。通过利用电磁仿真工具 ANSYS HFSS,可以开发出一种 2.4GHz 圆极化环形近场天线。我们建议采用的天线由一个微带传输线环和一个射频负载组成。通过将传输线与 50ohm RF 电阻端接,该天线可作为行波全向性圆极化天线。在最坏的情况下,该天线具有回波损耗 |S11|= -15dB 的阻抗带宽,|S12| = -26dB 的接收信号强度比,P_tx = -56dB 的捕获信号比,在 phi=0-180 度的整个旋转过程中,覆盖 2.4-2.49GHz 的操作频段。相比传统谐振天线(最坏情形下 |S11|=-8dB,|S12|=-37dB,捕获信号比 P_tx = -35dB),我们建议采用的天线的优势更明显,具体表现为:回波损耗高 7dB,接收信号强度比低 11dB,捕获信号比高 21dB。测量结果也证实了这些优势。该天线将应用于客户的使用非接触式供电方式的无线摄像机中,其中,视频信号可在两个天线之间高效传输和接收,同时,信息安全有保障,泄漏到周围的信号将很低。因此,安全摄像机可确定获得可靠性和安全性。

为使用非接触式电源的无线摄像机设计天线所面临的挑战包括:

  1. 空间有限。天线的宽度最多只有 6mm,因为天线距离用于非接触式供电的感应线圈至少需要 4mm。 
  2. 摄像机绕轴旋转以监视周围环境,因此,当发射天线旋转时,接收功率需要保持恒定。对于传统天线来讲,很难满足这一要求,原因有二: 
  • 接收功率与发射机天线 (Tx) 和接收机天线 (Rx) 之间的距离平方成反比。 
  • 天线 Tx 和天线 Rx 为线性极向天线,当 Tx 天线旋转时,会发生极化失配情况。

3.按照客户的安全摄像机要求,天线辐射到周边的泄漏功率必须非常低,以使标准天线无法拦截通讯信号。

 

因此,我们需要设计一种宽度较短的天线,其电磁场功率集中在附近,沿其长度均匀分布。此外,天线需要圆极化,以避免在旋转过程中两个这样的天线之间发生任何极化失配情况。通过利用 ANSYS HFS,我们用一个窄接地的微带线组成一个环形天线,并开发出一个 50ohm RF 电阻以应对这些挑战。针对基于仿真的天线原型所作的测量的结果验证了客户的要求得到满足。

使用 ANSYS HFSS 建立仿真模型并制作样品

我们在 ANSYS HFSS 环境中建立了天线的仿真模型。建议采用的天线的原型见图 1 (a) 和 (b)。天线的主体是一个圆形微带线,与一个 50ohm RF 电阻端接。该微带线有一个宽度为 w1 的导体,印制在一块物美价廉的厚度为 d=0.762mm 的 FR4 基板的一侧,在该基板的另一侧,则印制了另一个宽度为 w2=6mm 的导体。FR4 基板的内、外半径分别为 R1=50mm 和 R2=60.5mm。在微带线的一端应用了集总端口作为馈源,端口阻抗为 50ohm。在传输线的另一端,对一个集总 50ohm 电阻进行建模。

计算
建议采用的天线的几何形状

图 1. 建议采用的天线的几何形状:(a) 顶视图;(b) 横截面。

根据公式 (1),可以确定建议采用的微带线 W1 的信号路径宽度,该值需要通过 EM 仿真软件作进一步优化。图 2 显示建议采用的天线的原型,一根带有 SMA 连接器的刚性电缆连接到圆形微带线的一端,RF 负载与另一端连接。

建议采用的天线的原型
图 2. 建议采用的天线的原型。

建议采用的天线的性能

图 3 显示具有非接触式电源和数据链路的安全摄像机在 HFSS 中的简化仿真模型。摄像机位于下半部分,该部分绕中心的金属轴旋转。上半部分固定有电源和图像数据中心。电源发送器 (PTx) 由电源发射电路和 PTx 线圈组成,WiFi 接收器由无线电路组成,天线 Rx 位于上半部分,电源接收器 (PRx) 和 WiFi 发射器位于下半部分。在该结构中,PTx 线圈和 PRx 线圈用于非接触式供电。线圈应放置在仿真模型中,因为它们对天线性能有影响。

 

该天线利用 HFSS 仿真工具进行研究设计,节省了切割和追踪的成本和时间。当天线实现了良好性能后,就可以制作天线原型来验证仿真。为此,我们使用 Keysight 矢量网络分析仪 E5071C 和 Satimo 32 探针消声室制作和测试了两个样品。
 

无线摄像机的结构

图 3. 无线摄像机的结构:(a) 正面视图;(b) 顶视图(phi=0 表示在顶视图中两个天线的馈端彼此重叠的位置)。

图 4 显示天线与周边之间的功率分布关系,其中 P_tx 是天线 Tx 的输入功率,P_rx 是天线 Rx 的接收功率,P_leak 是泄露到周边的功率,P_capture 是距离无线摄像机 30cm 开外的虚拟标准偶极天线的接收功率。在这些参数中,P_capture 与 P_leak 之间的关系是
                                P_capture = P_leak +30cm 路径损耗                                              (2)

 

其中,

 

功率分布关系

图 4. 天线与周边之间的功率分布关系。

图 5 给出天线回波损耗的仿真和测量结果。可以看出,在 2.4-2.49GHz 的操作频段,|S11| 大于 -15dB,在 phi = 0、90 和 180 旋转角度下保持恒定。结果表明,该天线在整个旋转过程中具有良好的匹配性。

建议采用的天线的回波损耗

图 5. 建议采用的无线摄像机天线在旋转过程中的回波损耗。

图 6(a) 显示 Rx 天线接收到的功率,图 6(b) 显示 30cm 外标准偶极天线捕获的功率。可以看到,天线 Rx 从天线 Tx 接收到的最低功率是 -26dB,在最坏的情况下,虚拟标准天线捕获的最大功率是 -56dB。接收到的功率比虚拟标准天线捕获的功率高出 30dB。此外,当无线摄像机的下半部分围绕轴旋转时,P_rx 的变化也很低。如果将 P_tx 设置为 -35dBm,则 P_rx > -60dBm,P_capture < -91dBm,系统将具有良好的无线通讯,且只有极低的漏电功率会被拦截。

建议采用的天线接收的功率。

图 6. (a) 通过 P_tx 标准化的建议采用天线 Tx 接收的功率;(b) 通过 P_tx 标准化的虚拟标准天线捕获的功率。

与传统天线之比较

因为市场上此类应用的大部分 WiFi 天线是传统谐振天线,如偶极、IFA、PIFA 等,所以,为了证明建议采用的天线在性能上优于传统天线,我们用图 7 所示的偶极天线 [2](工作频带覆盖 2.4-2.49GHz)替换图 3 中同样摄像机模型中建议采用的天线,推导的仿真结果用于作比较(上下盖在模型中被隐藏)。

使用两个偶极天线的无线摄像机

图 7. 使用两个偶极天线通讯的无线摄像机(phi=0 表示在顶部视图中两个天线的馈端彼此重叠的位置)。

从仿真结果可以看出,偶极天线不是近场天线,所以当它在如图 8 所示的旋转过程中在近场中操作时,无法实现良好的阻抗匹配。在从 phi = 0 到 180 的旋转过程中,回波损耗以 3dB 幅度变动,这使得在整个旋转过程中难以做到与 WiFi 接收器电路匹配。

偶极天线的回波损耗

图 8. 在旋转过程中无线摄像机中偶极天线的回波损耗。

图 9(a) 显示,当天线 Tx 旋转时,P_rx/P_tx 变化明显,尤其是当 phi 从 0° 变成 180° 时,P_rx/P_tx 从 -5dB 大幅降低到 -35dB。其中的原因包括:

  1. 当天线 Tx 旋转时,两个天线之间的路径损耗会随着中心到中心距离的变化而大幅改变。
  2. 偶极天线是线性极向天线,当 Tx 天线旋转时,会发生严重的极化失配情况。

图 9 (b) 显示,偶极辐射到周围空间的最大捕获泄漏功率高达 -35dB,比建议采用的天线高出 21dB。其原因在于,传统的偶极天线是一种谐振远场天线,本质上具有强远场辐射性。因此,对于这种出于安全原因要求低捕获功率的短距离高速数据链路,其他类型的谐振远场天线也同样不可行。

偶极天线接收的功率

图 9. (a) 通过 P_tx 标准化的偶极天线 Tx 接收的功率;(b) 通过 P_tx 标准化的虚拟标准天线泄露和捕获的功率。

结论

我们利用 ANSYS HFSS 仿真工具设计了近场圆极化环形天线,并通过测量样品对其进行了验证。建议采用的天线是一个圆形微带线,与 50ohm RF 电阻端接,在从 2.4 到 2.49GHz 的工作频段中,它可以实现良好的阻抗匹配。仿真和测量结果表明,该天线能提供良好的数据链路和较低的周边泄漏。随着安装监控摄像机和应用摄像机视频流以及自动运行机器和汽车的增多,建议采用的天线可以成为这些高数据速率和高安全性数据链路应用的一个很有前途的解决方案。


此外,该天线是一种行波天线,其近场电场和磁场沿近场圆极化的外围均匀分布,另外,在旋转过程中,它还能提供稳定和恒定的数据链路,总之,其在非常广的频段内具有较高安全性和可靠性,是滑环的完美替代。

今后的研究和工作

在通过仿真和原型测试获得天线性能后,我们将对 PCB 上的 WiFi 芯片组和非接触式供电模块进行有源测试,以验证天线和系统性能。


近场天线在家用电器、工业等领域有着广泛应用。建议采用的天线非常适用于使用非接触式供电方式的可旋转设备。我们今后的研究和工作重点将是优化天线性能和为系统设计屏蔽层,以进一步减少漏电,避免拦截。

参考

[1] David M. Pozar,“Microwave Engineering,Fourth Edition”,page149,John Wiley & Sons,Inc.
[2]Ramesh Garg,Prakash Bhartia,Inder Bahl,Apisak Ittipiboon,“Microstrip Antenna Design Handbook”,page399,Artech House
 

一种近场 2.4GHz 环形天线,用于短程内旋转接头的高数据速率和高安全性数据传输

摘要

目前,安全摄像机对从旋转摄像机到监控基础设施的电源和数据链路均采用滑环。这里面存在可靠性和安装复杂度问题。因此,需要非接触式电源和数据链路解决方案来提高可靠性和降低复杂度。尽管通过短程感应耦合可让摄像机获得非接触式电源,但数据链路却遇到了一些挑战。为了实现 H.264 高分辨率视频流的可靠传输,有专家提出采用至少 54Mbps 的 WiFi 协议。但是,要在摄像机旋转过程中获得这么高的数据速率,在 360 度旋转的整个过程中接收天线必须具备良好的信号接收能力才行。另一方面,为了达到较高的安全级别,信号泄漏必须保持在一定水平之下,以避免附近的窃取装置捕捉视频。这意味着我们需要开发这样一个天线,它具有低回波损耗 |S11|、高接收信号比 |S12| 和较低的泄漏信号 P_leak,但在天线设计中,这些要求有时是相互矛盾的。通过利用电磁仿真工具 ANSYS HFSS,可以开发出一种 2.4GHz 圆极化环形近场天线。我们建议采用的天线由一个微带传输线环和一个射频负载组成。通过将传输线与 50ohm RF 电阻端接,该天线可作为行波全向性圆极化天线。在最坏的情况下,该天线具有回波损耗 |S11|= -15dB 的阻抗带宽,|S12| = -26dB 的接收信号强度比,P_tx = -56dB 的捕获信号比,在 phi=0-180 度的整个旋转过程中,覆盖 2.4-2.49GHz 的操作频段。相比传统谐振天线(最坏情形下 |S11|=-8dB,|S12|=-37dB,捕获信号比 P_tx = -35dB),我们建议采用的天线的优势更明显,具体表现为:回波损耗高 7dB,接收信号强度比低 11dB,捕获信号比高 21dB。测量结果也证实了这些优势。该天线将应用于客户的使用非接触式供电方式的无线摄像机中,其中,视频信号可在两个天线之间高效传输和接收,同时,信息安全有保障,泄漏到周围的信号将很低。因此,安全摄像机可确定获得可靠性和安全性。

为使用非接触式电源的无线摄像机设计天线所面临的挑战包括:

  1. 空间有限。天线的宽度最多只有 6mm,因为天线距离用于非接触式供电的感应线圈至少需要 4mm。 
  2. 摄像机绕轴旋转以监视周围环境,因此,当发射天线旋转时,接收功率需要保持恒定。对于传统天线来讲,很难满足这一要求,原因有二: 
  • 接收功率与发射机天线 (Tx) 和接收机天线 (Rx) 之间的距离平方成反比。 
  • 天线 Tx 和天线 Rx 为线性极向天线,当 Tx 天线旋转时,会发生极化失配情况。

3.按照客户的安全摄像机要求,天线辐射到周边的泄漏功率必须非常低,以使标准天线无法拦截通讯信号。

 

因此,我们需要设计一种宽度较短的天线,其电磁场功率集中在附近,沿其长度均匀分布。此外,天线需要圆极化,以避免在旋转过程中两个这样的天线之间发生任何极化失配情况。通过利用 ANSYS HFS,我们用一个窄接地的微带线组成一个环形天线,并开发出一个 50ohm RF 电阻以应对这些挑战。针对基于仿真的天线原型所作的测量的结果验证了客户的要求得到满足。

使用 ANSYS HFSS 建立仿真模型并制作样品

我们在 ANSYS HFSS 环境中建立了天线的仿真模型。建议采用的天线的原型见图 1 (a) 和 (b)。天线的主体是一个圆形微带线,与一个 50ohm RF 电阻端接。该微带线有一个宽度为 w1 的导体,印制在一块物美价廉的厚度为 d=0.762mm 的 FR4 基板的一侧,在该基板的另一侧,则印制了另一个宽度为 w2=6mm 的导体。FR4 基板的内、外半径分别为 R1=50mm 和 R2=60.5mm。在微带线的一端应用了集总端口作为馈源,端口阻抗为 50ohm。在传输线的另一端,对一个集总 50ohm 电阻进行建模。

计算
建议采用的天线的几何形状

图 1. 建议采用的天线的几何形状:(a) 顶视图;(b) 横截面。

根据公式 (1),可以确定建议采用的微带线 W1 的信号路径宽度,该值需要通过 EM 仿真软件作进一步优化。图 2 显示建议采用的天线的原型,一根带有 SMA 连接器的刚性电缆连接到圆形微带线的一端,RF 负载与另一端连接。

建议采用的天线的原型
图 2. 建议采用的天线的原型。

建议采用的天线的性能

图 3 显示具有非接触式电源和数据链路的安全摄像机在 HFSS 中的简化仿真模型。摄像机位于下半部分,该部分绕中心的金属轴旋转。上半部分固定有电源和图像数据中心。电源发送器 (PTx) 由电源发射电路和 PTx 线圈组成,WiFi 接收器由无线电路组成,天线 Rx 位于上半部分,电源接收器 (PRx) 和 WiFi 发射器位于下半部分。在该结构中,PTx 线圈和 PRx 线圈用于非接触式供电。线圈应放置在仿真模型中,因为它们对天线性能有影响。

 

该天线利用 HFSS 仿真工具进行研究设计,节省了切割和追踪的成本和时间。当天线实现了良好性能后,就可以制作天线原型来验证仿真。为此,我们使用 Keysight 矢量网络分析仪 E5071C 和 Satimo 32 探针消声室制作和测试了两个样品。
 

无线摄像机的结构

图 3. 无线摄像机的结构:(a) 正面视图;(b) 顶视图(phi=0 表示在顶视图中两个天线的馈端彼此重叠的位置)。

图 4 显示天线与周边之间的功率分布关系,其中 P_tx 是天线 Tx 的输入功率,P_rx 是天线 Rx 的接收功率,P_leak 是泄露到周边的功率,P_capture 是距离无线摄像机 30cm 开外的虚拟标准偶极天线的接收功率。在这些参数中,P_capture 与 P_leak 之间的关系是
                                P_capture = P_leak +30cm 路径损耗                                              (2)

 

其中,

 

功率分布关系

图 4. 天线与周边之间的功率分布关系。

图 5 给出天线回波损耗的仿真和测量结果。可以看出,在 2.4-2.49GHz 的操作频段,|S11| 大于 -15dB,在 phi = 0、90 和 180 旋转角度下保持恒定。结果表明,该天线在整个旋转过程中具有良好的匹配性。

建议采用的天线的回波损耗

图 5. 建议采用的无线摄像机天线在旋转过程中的回波损耗。

图 6(a) 显示 Rx 天线接收到的功率,图 6(b) 显示 30cm 外标准偶极天线捕获的功率。可以看到,天线 Rx 从天线 Tx 接收到的最低功率是 -26dB,在最坏的情况下,虚拟标准天线捕获的最大功率是 -56dB。接收到的功率比虚拟标准天线捕获的功率高出 30dB。此外,当无线摄像机的下半部分围绕轴旋转时,P_rx 的变化也很低。如果将 P_tx 设置为 -35dBm,则 P_rx > -60dBm,P_capture < -91dBm,系统将具有良好的无线通讯,且只有极低的漏电功率会被拦截。

建议采用的天线接收的功率。

图 6. (a) 通过 P_tx 标准化的建议采用天线 Tx 接收的功率;(b) 通过 P_tx 标准化的虚拟标准天线捕获的功率。

与传统天线之比较

因为市场上此类应用的大部分 WiFi 天线是传统谐振天线,如偶极、IFA、PIFA 等,所以,为了证明建议采用的天线在性能上优于传统天线,我们用图 7 所示的偶极天线 [2](工作频带覆盖 2.4-2.49GHz)替换图 3 中同样摄像机模型中建议采用的天线,推导的仿真结果用于作比较(上下盖在模型中被隐藏)。

使用两个偶极天线的无线摄像机

图 7. 使用两个偶极天线通讯的无线摄像机(phi=0 表示在顶部视图中两个天线的馈端彼此重叠的位置)。

从仿真结果可以看出,偶极天线不是近场天线,所以当它在如图 8 所示的旋转过程中在近场中操作时,无法实现良好的阻抗匹配。在从 phi = 0 到 180 的旋转过程中,回波损耗以 3dB 幅度变动,这使得在整个旋转过程中难以做到与 WiFi 接收器电路匹配。

偶极天线的回波损耗

图 8. 在旋转过程中无线摄像机中偶极天线的回波损耗。

图 9(a) 显示,当天线 Tx 旋转时,P_rx/P_tx 变化明显,尤其是当 phi 从 0° 变成 180° 时,P_rx/P_tx 从 -5dB 大幅降低到 -35dB。其中的原因包括:

  1. 当天线 Tx 旋转时,两个天线之间的路径损耗会随着中心到中心距离的变化而大幅改变。
  2. 偶极天线是线性极向天线,当 Tx 天线旋转时,会发生严重的极化失配情况。

图 9 (b) 显示,偶极辐射到周围空间的最大捕获泄漏功率高达 -35dB,比建议采用的天线高出 21dB。其原因在于,传统的偶极天线是一种谐振远场天线,本质上具有强远场辐射性。因此,对于这种出于安全原因要求低捕获功率的短距离高速数据链路,其他类型的谐振远场天线也同样不可行。

偶极天线接收的功率

图 9. (a) 通过 P_tx 标准化的偶极天线 Tx 接收的功率;(b) 通过 P_tx 标准化的虚拟标准天线泄露和捕获的功率。

结论

我们利用 ANSYS HFSS 仿真工具设计了近场圆极化环形天线,并通过测量样品对其进行了验证。建议采用的天线是一个圆形微带线,与 50ohm RF 电阻端接,在从 2.4 到 2.49GHz 的工作频段中,它可以实现良好的阻抗匹配。仿真和测量结果表明,该天线能提供良好的数据链路和较低的周边泄漏。随着安装监控摄像机和应用摄像机视频流以及自动运行机器和汽车的增多,建议采用的天线可以成为这些高数据速率和高安全性数据链路应用的一个很有前途的解决方案。


此外,该天线是一种行波天线,其近场电场和磁场沿近场圆极化的外围均匀分布,另外,在旋转过程中,它还能提供稳定和恒定的数据链路,总之,其在非常广的频段内具有较高安全性和可靠性,是滑环的完美替代。

今后的研究和工作

在通过仿真和原型测试获得天线性能后,我们将对 PCB 上的 WiFi 芯片组和非接触式供电模块进行有源测试,以验证天线和系统性能。


近场天线在家用电器、工业等领域有着广泛应用。建议采用的天线非常适用于使用非接触式供电方式的可旋转设备。我们今后的研究和工作重点将是优化天线性能和为系统设计屏蔽层,以进一步减少漏电,避免拦截。

参考

[1] David M. Pozar,“Microwave Engineering,Fourth Edition”,page149,John Wiley & Sons,Inc.
[2]Ramesh Garg,Prakash Bhartia,Inder Bahl,Apisak Ittipiboon,“Microstrip Antenna Design Handbook”,page399,Artech House