本质安全型无线压力传感器天线设计.pdf

第 4 1卷 第 2期 2 0 1 5年 2月 工矿 自 动化 I nd us t r y a nd M i n e Aut o ma t i o n Vo l _ 41 NO ． 2 Fe b ． 2 O 1 5 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 0 2 0 0 2 9 0 3 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 l x ． 2 0 1 5 ． 0 2 ． 0 0 8 刘鑫， 常青． 本质安全型无线压力传感器天线设计E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 2 2 9 3 1 ． 本质安全型无线压力传感器天线设计 刘 鑫 ， 常 青 太原理工大学 信息工程学院，山西 太原0 3 0 0 2 4 摘要 提 出了一种 煤矿 井下本 质安 全型 无 线压 力传 感 器天线 结构 的设 计方 案 ， 研 究 了金 属 外 壳一侧 开 口 时其 参数 及 天线 位 置对 天线增 益 的影 响 。仿 真 与 实测 结果 表 明 ， 天 线增 益 随金 属 外 壳的 开 1 2长度 和 宽 度 的 增 大而增 加 ， 且增 加 幅度逐 渐 减 小 ； 天 线增 益 随天线 距 开 口的距 离减 少 而增 加 ； 开 口侧 的 金 属 外 壳厚 度每 减 少 1 mm， 天 线增 益增加 约 2 d B； 金 属 外 壳空 间高度 毫 米级 变化 引起 的天 线 增 益 变化 基 本 可 以 忽略 ； 当金 属 外 壳的 开 口长度 和 宽度 分 别为 天线 波长 的 1 ／ 4与 1 ／ 8 ， 厚度 为 2 mm， 空 间高度 为 4 1 mm， 天 线位 置距 开 口为 1 ． 4 mm 时 ， 天线 辐射 增益 达 到最佳 ， 天 线 的传播 距 离约 为 1 4 m。 关键 词 本 质安 全 ；无 线压 力传 感 器 ；天线 ；天线 增益 中图分类 号 T D6 7 ／ 6 5 5 ． 3 文献 标 志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 5 0 2 0 3 1 5 1 4 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． t p ． 2 0 1 5 0 2 0 3 ． 1 5 1 4 ． 0 0 8 ． h t m1 De s i g n o f a nt e nn a o f i n t r i ns i c s a f e t y wi r e l e s s pr e s s u r e s e ns or L I U Xi n， CHANG Qi n g Co l l e ge o f I nf or ma t i o n Eng i ne e r i ng，Ta i yu a n U n i v e r s i t y o f Te c hno l o gy，Ta i y ua n 0 3 0 02 4，Chi n a Ab s t r a c t The p a pe r pr o po s e d a d e s i gn s c he m e o f a n t e n na s t r uc t u r e o f u nd e r gr o u nd i nt r i ns i c s a f e t y wi r e l e s s p r e s s u r e s e n s o r ，a n d r e s e a r c he d i m p a c t of o pe ni n g pa r a me t e r s of me t a l s he l l a n d a nt e nn a p o s i t i on o n a nt e nna g a i n．The s i mul a t i o n a nd t e s t r e s u l t s s ho w t ha t a n t e nn a g a i n i nc r e a s e s wi t h i n c r e a s e o f l e n gt h a nd wi d t h of m e t a l s he l l op e ni ng，bu t i n c r e a s e d a mpl i t u de g r a d ua l l y de c r e a s e s；a nt e nna ga i n i n c r e a s e s wi t h de c r e a s e o f d i s t a nc e be t we e n a n t e nn a a nd o pe ni n g； a nt e nna g a i n i nc r e a s e s a b ou t 2 dB whe n me t a l s h e l 1 t hi c kne s s o f o pe n i ng s i de r e du c e s 1 mm ；a nt e nna ga i n c ha n gi n g c a us e d by mi l l i me t e r l e v e l c ha ng i n g of m e t a l s he l l s p a c e he i ght a l mo s t e a n b e i gn or e d；a nt e nna ga i n a c h i e v e s t he b e s t a n d a nt e n na t r an s m i s s i on d i s t a n c e i s a b o u t 1 4 m wh e n me t a l s h e l l wi t h l e n g t h a n d wi d t h o f o p e n i n g a r e 1 ／ 4 a n d 1 ／ 8 o f a n t e n n a wa ve l e ng t h r e s p e c t i v e l y，t h i c k ne s s i s 2 mm ， s p a c e he i g ht i s 41 m m ， a n d di s t a n c e b e t we e n a nt e nn a a nd op e ni n g i s 1． 4 I T t m ． Ke y wo r d s i n t r i n s i c s a f e t y；wi r e l e s s p r e s s ur e s e ns or ；an t e nna；a nt e nn a g a i n 0 引言 传统的无线压力传感器将天线置于金属外壳外 部 ， 容易受井下潮湿环境腐蚀或被碎石击 中[ 。然 而将天线密封在金属外壳内部 ， 虽然可大大提高安 全性 能 、 屏蔽 外部 信号 的干扰 ， 同时也使 置 于 内部 的 天线信号无法有效传出。因此需要在无线压力传感 器 的金属 外壳 上开 口。本文 在考 虑影 响本 质安 全型 无线压力传感器天线辐射 因素的基础上 ， 重点研究 了在金属外壳一侧开 口时其参数及天线位置对天线 增益 的影 响 ， 并通 过 仿 真 与测 试 得 到 了天 线 辐射 增 益达 到最 佳情 况 时 的设 计方 案 。 收 稿 日期 2 0 1 4 0 6 2 3 ； 修 回 日期 2 0 1 4 1 2 1 4； 责 任 编 辑 盛 男 。 基金项 目 山西省 自然科学基金资助项 目 2 0 1 3 0 1 1 0 1 5 1 。 作者简介 刘鑫 1 9 8 8 一 ， 男 ， 山东淄博人 ， 硕士研究生 ， 研究方向为嵌入式系统 ， E ma il 1 2 3 8 0 5 3 1 3 q q ． c o rn。 3 O 工矿 自动化 2 0 1 5年 第 4 1 卷 1 影 响本质安全型 无线压 力传 感器天线辐射 的 因素 无 线 压力 传 感 器 网络 包 含若 干节 点 ， 相 邻 传感 器节点之间需要相互通信。结合煤矿井下环境 ， 不 适合采用指 向性强的天线 。单极子天线具有全 向辐 射特性_ 2 ] ， 其结构 简单 、 功耗低 、 成本低。其次 ， 金 属外壳 内部 空 间 狭 小 ， 需 选 择体 积 小 的天 线 l 5 ] 。因 此本 文采 用微带 单极 子天 线 。 根据 单 极 子天 线 辐 射原 理 ， 金 属 外 壳开 口面 积 越大 ， 天线辐射特性越好 。但为达到本质安全要求 ， 开 口部 分 需要 覆 盖 非 金 属 材 料 ， 根 据 GB 3 8 3 6 ． 1 -- 2 0 O 0 爆炸 性气 体 环 境 用 电气 设 备 第 1部分 通 用 要求 7 ． 4 ． 2 b 规 定 外 壳 开 口部 分 非 金 属 材 料 达 到 l i B类设 备 E P L Ga保 护 级 别 时 ， 其 面 积 不 得 大 于 2 5 0 0 mr n 。因此需 要判 断开 口参 数在 达 到 本质 安 全要求 的情 况下 对 天线辐 射 的影 响 。在 有开 口的 情况下 ， 要使天线能量更多地辐射出去 ， 理论上天线 距 开 口处 距 离越小 越好 。当天线 能量 不 能全部 辐射 出去时 ， 部分 电磁 波 在 金 属外 壳 空 间 内通 过 多 次反 射再 次从 金 属外 壳 开 口处辐 射 出去 ， 因此 需 考 虑 金 属 外壳 内空 间高 度对 天线 辐射 的影 响 。一般 具有 超 强 穿透 能力 的 电磁波 能够 穿透 微米 级甚 至毫 米级 厚 度 的金 属 障碍物 ， 理 论上 金属 外壳 的厚度 越小 ， 电磁 波 越容 易穿 透 。 2天 线设 计与 仿真 2 ． 1 金属 外 壳 开 口位 置及 天线 位置设 计 无线压力传感器包括单片机、 显示屏、 天线、 电 源等模 块 ， 其 金 属 外 壳 长 1 1 0 mm， 宽 8 1 mm， 高 3 1 mm， 开 口侧厚 度 5 mm， 金 属 外 壳 内空 间 高度 为 2 1 mm。 由于显示 屏处 本身 需 开 口以方便 查 看数 据 ， 所 以将天 线 置于 显示 屏 一 侧 ， 共 用 因显 示 屏 而 开 口 的部 分 ， 从 整体 上 减少 金属 外壳 开 口面积 。其 次 ， 天 线工 作 时容 易受外 围 电路 电流 产 生 的 电磁 波 影 响 ， 将 天线置 于 显示 屏 一 侧 ， 也 可 与 其他 电路 屏 蔽 。天 线初 始位 置 距金 属外 壳开 口侧 的距 离为 9 ． 4 mm。 2 ． 2 仿 真 分析 天线增 益是 指定 方 向上 的最大 辐射 强度 和天 线 最大辐射强度的比值 ， 即天线功率放大倍数 ， 增益的 大 小将 影 响天 线 辐射 能 力 。本 文 以天 线 E 面 方 向 图为例 ， 采 用 HF S S仿 真 软件 来 定量 分 析 金 属 外 壳 开 口长度 z 、 宽度 ， 金属外壳厚度 d， 天线距开 口距 离 h和金属外壳 内空间高度 H 变化对天线增益的 影 响 。 2 ． 2 ． 1 开 口长度 和宽度 对 天线增 益 的影 响 取金 属 外壳 开 口宽 度 叫 为 天 线 波 长 的 1 ／ 8 ， 开 口长度 Z 从 5 I T l m 到 5 0 r l l m 变化 时 的天线 辐射 方 向 如 图 1 a 所示 ； 取 z 为 天线 波 长 的 1 ／ 8 ， 从 5 mm 到 5 0 mi l l 变 化 时 的 天 线 辐 射 方 向 如 图 1 b 所 示 。 可看 出天 线辐 射方 向为开 口方 向 。金 属外 壳开 口长 度 和宽度 变 化时 的天 线增益 见 表 1 。随着 Z 或 叫 增 加 ， 天线 增益 逐渐 变 大 ， 且增 大 幅度越 来 越小 。 o 一 l 8 0 a 长度变化时 的天线辐射方向 0 1 I J b 宽度变化时的天线辐射方向 图 l 金属外壳 开 口长度 或宽度变化时的天线辐射方 向 表 1 金属外 壳开 口长度和宽度变化时的天线增益 ⋯ 长度变化时的 宽度变化 时的 天线增益 ／ d B 天线增益／ d B 2 ． 2 ． 2天线 距 开 口的位置 对天 线增 益 的影 响 取金属外壳 开 口的 z 和 z eg分别为天线波 长的 1 ／ 4 与 1 ／ 8 。假定天线初始位置为初始平面 ， 取靠近 开口方 向为正方 向。应用 HF S S软件优化天线 位 置参数 从 一8 r f l m 到 9 mm 变化 时 的天线 辐射 方 ∞ ∞ 蛎 ∞ 2 0 1 5年 第 2期 刘鑫 等 本 质安 全 型无 线压 力传感 器天线设 计 3 1 向如 图 2所 示 。可 看 出 天线 距 开 口处 越 近 增 益 越 大 ， 当 h 一8 mIT l 即天 线距 开 口距 离 h 一9 ． 4 一 一 1 ． 4 mm 时 天线 增益 达 到最大 值 。 0 1 5 0、＼ ／1 5 0 一 l U 图 2 天线距开 口位置变化时 的天线辐 射方 向 2 ． 2 ． 3 金 属外 壳厚 度对 天线 增 益 的影 响 取 金 属 外 壳 开 口 的 z和 叫 均 为 天 线 波 长 的 ] ／ 8 ， 金 属 外壳 厚度 d由 5 mm 到 2 mm 变化 时的 天 线 增 益见 表 2 。可看 出金 属 外壳 开 口侧 的厚 度 每 减 少 1 mlT l ， 天线 增益 增加 约 2 d B。 表 2 金属 外壳厚度变化时 的天线增益 金 属外 壳 厚 度 ／ mm 天 线 增 益 ／ d B 2 ． 2 ． 4 金属 外壳 内空 间高度 对天 线增 益 的影 响 取 金属 外 壳 开 口 的 z和 W 均 为 天 线 波 长 的 1 ／ 8 ， d 一2 IT I IT I 。H 由 2 1 IT l m 到 4 1 mm 变 化 时的 天 线 辐射 方 向如 图 3所 示 图 中 T表 示 H 的增 量 。 在 H一2 1 mm处 ， 最 大 增 益 为 一2 5 ． 5 3 d B； 在 H 一 4 1 mr n处 ， 最 大 增益 为 一2 4 ． 1 O d B 。金 属 外 壳 内 空 间高度 每增 加 2 mi i 1 ， 天 线 增 益先 增 大 后 减 小 ， 然 后 再 增大 ， 其 值 在 一2 4 ～ 一2 6 d B之 间 ， 可看 出空 间 变 化 幅度 引起 的增益 变化 几乎 可 以忽 略 。 一 ＼ ～ ／l 5 0 一 1 5 口 ＼ 1 8 0 图 3 金属外 壳内空间高度变化时 的天线辐射 方向 3天线 设计 实测 选择 n RF 2 4 1 0 1芯片作为信号发射 、 接收单元 ， 取 z 和 W 分 别 为天线 波 长 的 1 ／ 4和 1 ／ 8 ， d一2 mm， H一4 1 mm， h一1 ． 4 mm。通过搭建简易测量 电路 来测量 天 线传播 距 离 。利 用 5 1单 片 机作 为芯 片 的 激励 ， 通过改变 MQ～ 3 型酒精传感器的酒精浓度来 提供信号源 ， 接收模 块通过显示酒精浓度的变化来 判 断天线 的接 收 能力 。 测量 装 置参 数 n R F 2 4 L 0 1的 天线 工 作 频 率 为 2 4 0 0 2 4 8 3 MHz ； 电路 工作 电压 为 1 ． 9 ～ 3 ． 6 V， 实际测试在 3 ． 3 V下工作； S P I 通 信方式 。模拟煤 矿 井下 环境 测得 没加 金属 外壳 时天 线 的传播 距离 为 2 0 i n ， 加金属外壳后的传播距离约为 1 4 1T I ， 满足应 用 需求 。 4 结语 提 出了一 种本 质安 全型无 线 压力传 感 器天线 的 结 构设 计 。通 过仿 真 与 实 测 结 果 可 知 ， 当金 属 外 壳 的开 口长度 和 宽 度分 别 为 天 线 波 长 的 1 ／ 4与 1 ／ 8 ， 金属外壳开 口侧厚度为 2 mm， 金属外壳 内空 间高 度为 4 1 mi l l ， 天线位置距开口为 1 ． 4 mm时， 天线辐 射特 性最 佳 。该设 计 目前 已经应 用 于本 质安全 型无 线压力传感器的实际制作中， 提高了设备 的安全性 ， 使 天线具 有 良好辐 射 特性 的 同时满 足产 品微小 化要 求 ， 解决 了传 统天 线必 须避 开金 属材 质外 壳 的问题 ， 应用 效果 良好 。 参考文献 [ 1 ] 李 彦博 ， 向新 ， 凌立 伟． 透地通信 系统 天线 小型化设 计 与测试[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 3 ， 3 9 7 1 8 2 2 ． [ 2 ] 郭海军． 标识 卡唯一 性检测 装置 中定 向天线 设计 g J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 3 ， 3 9 8 1 3 - 1 5 ． E 3 ] K RI E G E R J D， NE WMA N E H， GUP TA I J ． Th e s i ng l e an t e nn a me t h od f or t he me a s ur e me n t o f a nt e nn a g a i n a n d p h a s e [ J ] ．I E E E Tr a n s a c t i o n s o n An t e n n a s a n d Pr o p a g a t i o n ， 2 0 0 6， 5 4 1 1 3 5 6 2 3 5 6 5 ． E 4 ] G L I MM J ， HAR MS R， MUNT E R K， e t a 1 ． A s i n g l e a nt e n na me t ho d f o r t r a c e a bl e a nt e nn a ga i n me a s u r e me n t [ J] ． I E E E Tr a n s a c t i o n s o n El e c t r o ma g n e t i c Co mp a t i b i l i t y ， 1 9 9 9， 4 1 4 4 3 6 4 3 9 ． E 5 - 1 田子建 ， 彭霞． 基 于双 三角形谐 振环结构左手材料 的矩 形微带贴 片天线 C J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 3 ， 3 9 7 4 3 4 6 ．