7GHz微带贴片天线在基于卫星物联网和卫星万物互联的智能农业设备及精准农业中的设计

### 7 GHz微带贴片天线在基于卫星物联网和卫星万物互联的智能农业设备及精准农业中的设计 #### 1. 引言 在当今世界，互联网已广泛普及，几乎覆盖全球各个角落，深刻影响着人们的生活。未来几十年，物联网（IoT）必将蓬勃发展。随着物联网设备数量超越移动设备，其应用将涵盖消费、工业和商业等多个领域。早期的物联网设备如自动取款机（ATM），至今仍被广泛使用。如今，发展趋势正从单纯的机器对机器（M2M）通信的物联网，迈向包含机器对人（M2P）以及技术支持的人对人（P2P）通信的万物互联（IoE）。万物互联不仅实现通信，还融入了网络智能、机器学习（ML）和人工智能（AI）等技术。 联合国粮食及农业组织（FAO）预测，到2050年全球人口将达98亿。为应对这一挑战，全球农业产量需增长70%。除了应对气候变化、极端天气和农业环境影响等问题，养活如此庞大的人口对农业产业而言是一项艰巨任务。 过去几十年，农业产业经历了诸多技术变革，变得更加科技化和工业化。为满足不断增长的需求，农业产业需转向基于物联网和万物互联的智能农业。智能农业借助物联网传感器（如湿度、土壤水分、光照、温度、农药检测等传感器）和基于天气预报的自动灌溉系统，优化水资源利用，提高生产效率。与传统农业相比，智能农业具有更高的效率和产量，农民可通过互联网和移动设备随时随地监控农场和车辆。 预计到2020年底，农业领域的物联网设备使用量将达7500万台，且每年以20%的速度增长。到2025年，智能农业设备市场规模预计将是2016年的三倍，从50亿美元增长到150亿美元。 精准农业是一种使农业生产过程更可控、更精确的方法，其关键在于利用基于互联网的设备，如连接传感器、自动化硬件、机器人、自动驾驶车辆和控制系统到互联网和云端。精准农业和智能农业的步骤包括监测、传感、将田间状况数据上传到云端，然后根据数据进行智能分析和规划，并触发智能机器人控制设备。例如，通过传感器监测土壤水分，将数据上传到云端，当土壤水分低于作物需求时，系统会先检查天气状况，若无降雨预测，则自动触发洒水器或灌溉设备。 然而，农业物联网系统面临的一大挑战是偏远地区的网络连接问题。为解决这一问题，可将物联网/万物互联设备与卫星连接，消除与互联网连接中断的风险。全球卫星物联网（SIoT）和机器对机器（M2M）设备市场预计到2020年将达到596万台。通过卫星通信，机器和人类可在广阔或偏远地区进行通信、感知和触发操作。信号可在远程位置被感知，上传到卫星，并传输到中央控制站。此外，物联网设备还需具备紧凑的尺寸，以便轻松安装在农业设备上。 #### 2. 物联网/万物互联架构 物联网本质上是指能够在无需人工干预的情况下，感知、收集和传输数据到互联网的网络设备。物联网系统包含多个功能模块，为不同的应用提供支持： - **设备**：物联网系统中的设备能够感知、驱动、控制和监控活动。这些设备和相关应用可通过基于云网络的应用程序相互交换和收集数据。物联网设备具备多种接口，用于与其他有线和无线设备通信，包括传感器接口、互联网连接接口以及音频/视频接口。 - **通信**：该模块负责远程服务器与设备之间的通信。物联网中的通信协议在数据链路层、网络层、应用层和传输层运行。 - **服务**：物联网系统在此模块中提供各种功能，如设备建模与控制、数据发布与分析以及设备发现等。 - **管理**：管理模块为物联网系统的管理提供多种功能。 - **安全**：该模块提供授权、消息完整性、认证、数据隐私安全等功能，确保物联网系统的安全。 - **应用层**：应用层通过接口提供模块，用于控制和监控物联网系统的各个方面，同时允许对系统当前和未来状态进行可视化和分析。 配备传感器的物体被称为“物”。通过传感器收集和传输数据，这些“物”可与人类连接，并通过执行器进行操作。网关用于将数据从“物”传输到云端，反之亦然。在数据传输到云端之前，网关会对数据进行预处理和过滤，以减少数据量，便于后续处理和存储。然后，控制命令从云端传输到“物”，“物”通过执行器执行这些命令。 云网关有助于数据压缩，并确保云物联网服务器与现场网关之间的数据安全传输。各种协议需兼容，以支持与现场网关的通信。输入数据通过流数据处理器有效转换到数据湖，确保控制应用程序不会丢失或损坏数据。连接设备生成的原始数据存储在数据湖中，需要时从数据湖中提取数据并加载到大数据仓库（批量和流数据）。大数据仓库存储从数据湖中提取的有意义数据，这些数据经过预处理和过滤，仅包含匹配和结构化的数据。 数据分析师利用大数据仓库中的数据分析设备性能，识别低效问题并寻找改进物联网系统的方法。机器学习有助于创建高效精确的模型，用于控制应用程序。新模型根据其应用和效率进行测试，并由数据分析师批准。控制应用程序将命令发送到执行器，大数据仓库存储这些命令，确保数据安全。 在基于规则的控制应用中，专家制定规则，控制应用程序按规则运行；在机器学习控制应用中，控制应用程序使用定期更新的模型（如每周或每月更新）。用户可通过用户应用程序影响应用的性质，用户应用程序是连接物联网系统和用户的软件组件。用户可通过网页或移动应用程序监控和控制智能设备，发送控制命令并设置设备行为。 安装应用程序并不足以确保物联网设备的充分运行，还需通过特定程序管理设备性能，包括确保设备与数据传输的安全性、通过设备识别建立设备身份、根据物联网系统调整设备配置、诊断和监控设备以确保其平稳安全运行，以及通过软件更新和维护增加设备功能和修复安全漏洞。 物联网具有多种优势： - 物联网设备具有自适应和动态特性，能根据环境变化自动调整并采取相应行动。 - 具备自我配置能力，允许不同设备协同工作以实现正常功能。 - 能够在最少用户干预的情况下升级最新软件和网络设置。 - 支持多种通信协议，相互连接并与基础设施集成。 - 每个物联网设备都有唯一标识。 - 设备接口允许用户进行状态监控、远程控制和基础设施管理。 - 物联网设备与信息网络集成，可与其他系统通信和交换文件，并通过传感器节点了解周围节点信息。 #### 3. 用于农业卫星物联网设备的微带贴片天线 为了将天线集成到“物”上进行通信，天线应具备小巧且低成本的特点。微带贴片天线（MPA）易于制造且成本低廉，因此在众多应用中是理想选择，包括无线局域网、移动卫星通信、全球移动通信系统、导弹等。微带贴片天线具有低剖面、低成本、低质量和易于集成等优点，通过改变天线参数和贴片形状，可在任何频率实现谐振。 微带贴片天线的贴片由导电材料构成，形状可以是圆形、矩形、椭圆形或其他形状。馈线和辐射贴片通过光刻技术制作在介质基板上。接地平面与贴片边缘之间的边缘场是微带贴片天线辐射的主要原因。为了获得高性能，介质基板应具有一定厚度，同时低介电常数有助于提高效率、辐射性能和带宽，但这需要更大尺寸的天线。若使用紧凑型微带贴片天线，由于基板使用高介电常数材料，效率和带宽会降低，因此天线尺寸和性能之间存在权衡。 微带贴片天线辐射的电磁波分为三种类型： - **有用辐射**：辐射到空间中的电磁波。 - **衍射波**：在天线接地平面和贴片之间的空间中反射，实现真正的功率传输。 - **被困波**：被困在介质基板内的电磁波，通常是不希望出现的。 微带天线有四种亚型：微带贴片天线（MPA）、微带行波天线、印刷缝隙天线和微带偶极子天线。当波在特定方向的辐射与电场方向相似时，可确定天线的极化方式。通过瞬时电场矢量在某一时刻描绘出一个图形，天线可以是线性极化或圆极化。线性极化又分为水平极化和垂直极化，当电场矢量与地面垂直时，为垂直极化；当电场矢量与地面平行时，为水平极化。 微带天线应用广泛，包括通信、射频识别（RFID）、医疗保健、移动通信、远程医疗、基于WiMAX的通信设备、卫星通信和全球定位卫星系统（GPS）等领域。在卫星通信中，通常使用圆极化的辐射模式，可通过圆形或方形的微带贴片天线实现。 ##### 3.1 插入式馈电设计 由于电流呈正弦分布，沿距离R从端部移动时，电流值的增加公式为： \[I = \cos(\pi\times\frac{R}{L})\] 若波长为2L，则相位差为： \[\Phi = \pi\times\frac{R}{L}\] 根据\(Z = \frac{V}{I}\)，随着电流增加，电压幅值减小。输入阻抗公式为： \[Z_{in}(R) = \cos^2(\frac{\pi R}{L})Z_{in}(0)\] 其中\(Z_{in}(0)\)是从端部馈电时的阻抗。 ##### 3.2 微带设计 贴片天线的宽度计算公式为： \[W = \frac{v_0}{2f_r\sqrt{\frac{\epsilon_r + 1}{2}}}\] 天线长度计算公式为： \[L = \frac{v_0}{2f_r\sqrt{\epsilon_{reff}}} - 2\Delta L\] 其中， \[\epsilon_{reff} = \frac{\epsilon_r + 1}{2}+\frac{\epsilon_r - 1}{2}\left[1 + 12\frac{h}{W}\right]^{-\frac{1}{2}}\] \[\Delta L = 0.412h\frac{(\epsilon_{reff} + 0.3)(\frac{W}{h} + 0.264)}{(\epsilon_{reff} - 0.258)(\frac{W}{h} + 0.8)}\] #### 4. 建模与分析 使用COMSOL Multiphysics软件对设计进行建模和分析。在电磁频率域中，将7 GHz频率应用于集总端口进行设计建模。以下是模型的设计参数： |描述|数值| | ---- | ---- | |基板厚度|0.1524 cm| |50欧姆线宽|0.32 cm| |贴片宽度|5.3 cm| |贴片长度|5.2 cm| |调谐短截线宽度|2 cm| |调谐短截线长度|1.2 cm| |基板宽度|5.3 cm| |基板长度|5.3 cm| 采用四面体网格划分，每波长包含五个单元，共使用155,109个四面体单元、22,940个棱柱单元、15,596个三角形单元、1,140个四边形单元、1,002个边单元和52个顶点单元。贴片内部最大单元尺寸为6.6620，曲率因子为0.6。 #### 5. 结果与讨论 在4×2.60 GHz处理器速度下进行建模和仿真，仿真使用了3.6 GB的物理内存。将7 GHz频率馈入天线的集总端口（位于贴片中心）。 电场分布绘图展示了贴片上的电流分布情况，2D辐射方向图显示了H平面和E平面的辐射模式。由于接地平面阻挡了向后的辐射，辐射模式呈现出定向波束。计算得到的天线方向性约为12.016 dB，辐射方向图的前后比大于19 dB，表明天线具有良好的定向辐射特性，适合卫星通信。计算得到的S11参数为 -20.5 dB，远优于期望的 -10 dB。同时给出了3D辐射方向图。 #### 6. 结论 随着卫星物联网和万物互联设备在智能农业领域的新应用不断涌现，“物”将连接到互联网，实现对作物健康、病虫害入侵的实时监测以及设备上事件的自动智能触发。卫星通信在确保偏远地区“物”与互联网的全天候连接方面发挥着至关重要的作用。 本文提出了四层物联网架构系统，并设计和建模了用于7 GHz卫星通信的微带贴片天线。该天线具有尺寸紧凑、设计成本低和低剖面等优点，可轻松安装在“物”上。对设计天线的电场强度、方向性、前后比、插入损耗S11和辐射远场图等参数进行了分析，结果表明该设计呈现出适合卫星通信的定向天线辐射模式。 以下是物联网系统数据处理流程的mermaid流程图： ```mermaid graph LR A[物（传感器）] --> B[网关] B --> C[数据预处理与过滤] C --> D[数据湖] D --> E[大数据仓库] E --> F[数据分析师] F --> G[控制应用程序] G --> H[执行器（物）] I[云端] --> B G --> I ``` 以下是微带贴片天线设计步骤的列表： 1. 确定天线工作频率（如7 GHz）。 2. 根据公式计算贴片宽度和长度。 3. 设计插入式馈电结构，计算电流分布和输入阻抗。 4. 使用COMSOL Multiphysics软件进行建模和分析。 5. 进行网格划分，设置相关参数。 6. 仿真计算天线的各项参数，如电场强度、方向性、前后比、S11等。 7. 根据仿真结果评估天线性能，进行优化调整。 ### 7 GHz微带贴片天线在基于卫星物联网和卫星万物互联的智能农业设备及精准农业中的设计 #### 7. 关键参数分析 为了更深入理解所设计的7 GHz微带贴片天线在卫星通信中的性能，下面对几个关键参数进行详细分析： - **方向性（Directivity）**：计算得到的天线方向性约为12.016 dB。方向性是衡量天线将能量集中辐射到特定方向的能力指标。在卫星通信中，高方向性的天线能够更有效地将信号传输到卫星，减少对其他方向的干扰，提高通信质量和效率。例如，在多卫星环境下，高方向性天线可以避免信号干扰相邻卫星的通信系统。 - **前后比（Front - to - Back Ratio）**：辐射方向图的前后比大于19 dB。前后比表示天线在主辐射方向（前向）和相反方向（后向）辐射强度的比值。较高的前后比意味着天线在主辐射方向上辐射能量更强，而后向辐射能量较弱，这对于减少来自后方的干扰和提高信号的定向性非常重要。在卫星通信中，能够有效减少地面杂波和其他干扰源对天线接收和发射信号的影响。 - **S11参数（Return Loss）**：计算得到的S11参数为 - 20.5 dB，远优于期望的 - 10 dB。S11参数表示天线输入端口的反射系数，反映了天线与传输线之间的匹配程度。S11值越负，说明天线与传输线的匹配越好，反射回源端的能量越少，更多的能量被辐射出去。在卫星通信系统中，良好的匹配可以减少能量损失，提高天线的辐射效率，确保信号能够有效地传输到卫星。 #### 8. 与其他天线类型的比较 在卫星通信和智能农业设备应用中，微带贴片天线与其他常见天线类型相比具有独特的优势，以下是一个简单的对比表格： |天线类型|尺寸|成本|重量|安装难度|辐射特性| | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | |微带贴片天线|紧凑|低|轻|容易|定向性较好，可调整| |抛物面天线|大|高|重|困难|高增益，强定向性| |偶极子天线|适中|适中|适中|适中|全向性| 从表格中可以看出，微带贴片天线在尺寸、成本和安装难度方面具有明显优势，适合安装在智能农业设备上。虽然其增益和定向性可能不如抛物面天线，但对于大多数智能农业应用场景已经足够。而偶极子天线的全向性在某些情况下可能会导致能量分散，不适合需要定向通信的卫星通信场景。 #### 9. 应用场景拓展 除了上述提到的智能农业设备中的应用，7 GHz微带贴片天线在其他相关领域也有潜在的应用场景： - **无人机农业监测**：无人机在农业领域的应用越来越广泛，可用于监测农田状况、病虫害情况等。7 GHz微带贴片天线可以安装在无人机上，实现与卫星的通信，将采集到的数据实时传输到地面控制中心。由于无人机的空间和载重有限，微带贴片天线的紧凑尺寸和轻重量非常适合这种应用场景。 - **智能温室控制**：智能温室需要实时监测和控制温度、湿度、光照等环境参数。通过安装7 GHz微带贴片天线，温室中的传感器和控制器可以与卫星通信，实现远程监控和自动化控制。即使温室位于偏远地区，也能确保稳定的网络连接。 - **农业气象站**：农业气象站需要收集和传输气象数据，如风速、风向、降雨量等。微带贴片天线可以帮助气象站将数据上传到卫星，为农业生产提供准确的气象信息。同时，天线的低功耗特性可以延长气象站的电池续航时间。 #### 10. 未来发展趋势 随着卫星物联网和智能农业技术的不断发展，7 GHz微带贴片天线也将面临新的挑战和机遇： - **更高的频率和带宽**：为了满足日益增长的数据传输需求，未来的卫星通信可能会采用更高的频率和更宽的带宽。微带贴片天线需要不断优化设计，以适应这些变化，提高天线的性能和效率。 - **集成化和小型化**：智能农业设备对天线的尺寸要求越来越严格，未来的微带贴片天线将朝着集成化和小型化的方向发展。例如，将天线与其他电子元件集成在一起，减少设备的体积和功耗。 - **智能化和自适应**：天线可能会具备智能化和自适应的功能，能够根据环境变化自动调整辐射模式和参数。例如，在不同的天气条件下或不同的卫星位置，天线可以自动优化性能，提高通信质量。 以下是微带贴片天线未来发展趋势的mermaid流程图： ```mermaid graph LR A[当前技术] --> B[更高频率和带宽] A --> C[集成化和小型化] A --> D[智能化和自适应] B --> E[优化设计] C --> F[元件集成] D --> G[自动调整功能] E --> H[未来高性能天线] F --> H G --> H ``` 以下是7 GHz微带贴片天线在不同应用场景的优势列表： 1. **智能农业设备**：紧凑尺寸便于安装，低功耗适合长期运行，定向辐射模式适合卫星通信。 2. **无人机农业监测**：轻重量不影响无人机飞行性能，实时数据传输确保监测效果。 3. **智能温室控制**：稳定的卫星连接实现远程自动化控制，不受地理位置限制。 4. **农业气象站**：低功耗延长电池续航，准确传输气象数据。 综上所述，7 GHz微带贴片天线在基于卫星物联网和卫星万物互联的智能农业设备及精准农业中具有重要的应用价值。通过不断优化设计和适应未来发展趋势，它将在更多领域发挥更大的作用。