无线传感器网络节点天线研究与实现

论文摘要

无线传感器网络是一种全新模式的无线网络,它通过大量传感器节点实时监测和采集网络分布区域内各种监测目标的信息,对这些信息进行处理,它被认为是21世纪的一项重要技术。传感器节点是组建无线传感器网络的基本单元,这些基本单元不断地进行着网络中各种信息的传递或通信。要实现和完善传感器节点的通信功能,就必须为传感器节点设计好的天线及其相关电路。天线用来辐射和接收电磁波信号,这是无线传感器网络的基本通信链路。在无线通信处理模块与天线之间设计馈线、巴伦和匹配电路来对天线馈电并实现平衡-不平衡转换和阻抗匹配。本文的主要工作和创新点包括:（1）阐述了传感器节点的组成结构,分析了传感器节点的特点以及这些特点对天线及其相关电路的影响,介绍和分析了传感器节点天线的研究现状;（2）阐述了评价天线性能的基本参量,分析和比较了几种类型的天线、馈线、巴伦和阻抗匹配电路,针对传感器节点的特点,选择了单极天线和折合偶极天线两种合适的天线进行设计;（3）在单极天线设计中,改进了一种基本的巴伦电路,对改进的巴伦电路进行仿真验证,对天线的辐射性能进行了大量的实验,天线和巴伦电路的性能得到了验证;（4）仿真并总结出标准印制折合偶极天线的输入阻抗与天线长度的关系,选择共面带状线（CPS）为天线馈电,根据共面带状线的特点,对标准的天线作了改进,并改进了一种基本的阻抗匹配电路,对改进的天线、馈线和阻抗匹配电路进行了仿真和验证;（5）对所选择的两种天线及其相关电路进行综合比较,总结出其优缺点。本文所做的上述工作,即对无线传感器网络节点天线及其相关电路的分析、设计和实现,其成果对于传感器节点的研发以及无线传感器网络的组建具有重要意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景和意义
• 1.1.1 无线传感器网络
• 1.1.2 WSN 节点天线研究现状
• 1.1.3 WSN 节点天线研究意义
• 1.2 课题研究内容和主要成果
• 1.3 论文组织
• 第二章 传感器节点、天线及相关电路概述
• 2.1 传感器节点
• 2.1.1 传感器节点组成结构
• 2.1.2 无线传感器网络节点的特点
• 2.2 无线收发单元
• 2.3 天线及其相关电路概述
• 2.3.1 天线
• 2.3.2 馈线
• 2.3.3 巴伦与阻抗匹配电路
• 2.4 小结
• 第三章 单极天线及其相关电路的设计
• 3.1 单极天线与偶极天线
• 3.1.1 偶极天线概述
• 3.1.2 单极天线分析与设计
• 3.2 巴伦的设计
• 3.2.1 巴伦电路及其改进
• 3.2.2 阻抗匹配
• 3.2.3 平衡/不平衡转换
• 3.3 馈线
• 3.4 单极天线的实验
• 3.4.1 调制信号辐射实验
• 3.4.2 载波信号辐射实验
• 3.5 小结
• 第四章 印制折合偶极天线及其相关电路的设计
• 4.1 折合偶极天线
• 4.1.1 基本折合偶极天线
• 4.1.2 印制折合偶极天线
• 4.2 馈线设计
• 4.2.1 CPS 的结构
• 4.2.2 CPS 的特性阻抗
• 4.3 印制折合偶极天线设计
• 4.3.1 标准的印制折合偶极天线
• 4.3.2 改进的印制折合偶极天线
• 4.3.3 天线与馈线综合仿真
• 4.4 阻抗匹配电路设计
• 4.4.1 阻抗匹配初步计算与仿真
• 4.4.2 改进的阻抗匹配电路
• 4.4.3 天线、馈线及阻抗匹配电路的综合仿真
• 4.5 天线电流分布分析
• 4.6 PCB 实现
• 4.7 小结
• 第五章 两种天线及其相关电路的性能分析
• 5.1 辐射性能
• 5.1.1 方向图
• 5.1.2 辐射效率
• 5.2 传输性能
• 5.2.1 回波损耗和驻波比
• 5.2.2 品质因子
• 5.3 频带宽度
• 5.4 两种天线及其相关电路的性能比较
• 5.5 小结
• 第六章 总结和展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文