一種礦用定向天線設計

王婷婷，　徐釗

(中國礦業大學 信息與電氣工程學院, 江蘇 徐州　221008)

一種礦用定向天線設計

王婷婷，徐釗

(中國礦業大學 信息與電氣工程學院, 江蘇 徐州221008)

摘要：設計了一款適用于巷道類狹長受限空間的雙臂平面螺旋天線。該天線由4條等角螺旋線構造的2個對稱的螺懸臂組成。與傳統的全向天線相比，該天線輻射的定向波束可減少無線電波在巷道壁上的反射損耗，圓極化特性可有效減弱巷道內多徑效應的影響，雙向輻射特性可提高輻射效率。仿真結果表明，工作在2.4 GHz頻段時，5圈雙臂平面螺旋天線的3 dB半功率波瓣寬度大于60°，增益大于4 dB；10圈雙臂平面螺旋天線的3 dB半功率波瓣寬度為120°，增益大于6 dB。

關鍵詞：雙臂平面螺旋天線； 圓極化； 有向輻射； 抗多徑

0引言

在煤礦巷道類受限空間，無線電傳播最突出的一個現象就是多徑效應，即從發射源輻射出的電磁波由于巷道壁和各種障礙物阻擋，會發生反射、散射、繞射等現象[1]。近年來國內外學者對無線電波在井下的傳播預測理論比較關注，已建立了初步的信道模型系統，為巷道內電磁波傳播特性的研究奠定了基礎[2]。但目前針對巷道等帶狀環境下的天線理論研究還未形成體系。現有礦井無線通信系統大多采用單極子類鞭狀天線[3]和微帶天線[4]。該類天線近似為全向輻射，在狹長巷道中的輻射波束會因巷道壁的阻擋而產生較多的反射損耗。霍羽等[5]研究表明，該類天線輻射波束與巷道耦合后的波束為有向輻射波束，證明具有定向輻射波束的天線更適用于巷道類受限空間。現有的礦用定向天線主要有喇叭天線、反射面天線、螺旋天線等，其中工作頻率為2.4 GHz的喇叭天線體積較大，反射面天線和普通螺旋天線均為單向輻射天線，輻射效率較低。

研究表明，圓極化天線收發數據時可有效減弱多徑效應影響，且提高無線通信系統的信道容量[6]。雙臂平面螺旋天線同時具有圓極化特性和定向輻射特性，并可實現雙向窄波束輻射，符合巷道類受限空間對定向天線的應用需求，因此，本文設計了一款雙臂平面螺旋天線作為礦井無線通信系統基站的收發天線，以減少因巷道壁和顆粒反射造成的多徑效應干擾，改善井下無線通信質量，并可對不同波束進行頻分復用，提高信道容量。

1天線結構設計

雙臂平面螺旋天線結構如圖1所示。該天線包括2個螺懸臂，每個螺懸臂由2條起始角相差δ的等角螺旋線構成。ρ為內圈半徑，rw為外圈半徑。

圖1　雙臂平面螺旋天線結構

在XOY平面上，螺旋線方程為

(1)

式(1)符合拉姆斯提出的非頻變天線的一般形狀方程。選取δ=90°的雙臂自互補型結構,每個螺旋臂為5圈，線寬為0.1 cm，線間距為0.1 cm,內圈半徑ρ=0.5 cm，外圈半徑rw=2.5 cm。螺旋臂末端采用平滑過渡，基板選擇常用的FR4，其相對介電常數為4.4。

2仿真分析

當中心頻率為2.4 GHz時，雙臂平面螺旋天線輻射歸一化方向如圖2所示。由于該天線為平面且雙臂結構對稱，所以其在XOZ和YOZ平面輻射出的輻射波瓣均為對稱雙向波束，且最大輻射方向均在天線兩側的法線方向上，上下波束的半功率波瓣寬度(Half Power Beam Width，HPBW)均大于60°，增益大于4 dB。

圖2　雙臂平面螺旋天線輻射歸一化方向

圖3為HFSS軟件仿真的雙臂平面螺旋天線輻射方向3D效果。可見該天線輻射的2個波瓣分別在天線平面(XOY平面)的兩側。已知具有圓極化特性的雙臂平面螺旋天線具有旋向正交性，即發射天線和接收天線之間滿足互易定理：天線若輻射左旋圓極化波，則只接收左旋圓極化波；天線若輻射右旋圓極化波，則只接收右旋圓極化波。由圖3可知，本文設計的雙臂平面螺旋天線同時輻射左旋圓極化波和右旋圓極化波波束，因此該天線具有旋向正交性，可工作于同一頻段而互不干擾，從而實現頻率復用，提高信道容量。

(a) 右旋圓極化分量

(b) 左旋圓極化分量

圖4為雙臂平面螺旋天線的電壓駐波比。電壓駐波比為反映饋線傳輸效率的指標，通常要求小于1.5，在工作頻點應小于1.2。從圖4可看出，在1.5～10 GHz范圍內，該天線電壓駐波比小于1.5，說明天線阻抗匹配良好。圖5為該天線的回波損耗，表征信號反射性能。可見天線中心頻率為2.4 GHz時，回波損耗為-28 dB；中心頻率為5.8 GHz時，回波損耗為-18.4 dB，均滿足小于-10 dB的設計要求。天線相對帶寬達60%，屬于超寬帶天線范疇。

圖4　雙臂平面螺旋天線的電壓駐波比

圖5　雙臂平面螺旋天線的回波損耗

可通過增大天線輻射表面積來獲得更高增益。圖6為工作頻率為2.4 GHz的10圈雙臂平面螺旋天線輻射歸一化方向，外圈半徑為45 mm，3 dB波瓣寬度為120°，增益大于6 dB，優于參考文獻[7]中小型單極子超寬帶天線增益(5.2 dB)。由圖2和圖4可知，雙臂平面螺旋天線輻射的“8”字型對稱波束的最大輻射方向均在法線方向上，與全向覆蓋的單極子天線和副瓣很多的微帶圓極化天線相比，其輻射能量更集中，輻射效率更高。

圖6　10圈雙臂平面螺旋天線輻射歸一化方向

3結語

雙臂平面螺旋天線的輻射波瓣分別在天線平面兩側并對稱，HPBW大于60°，滿足礦用天線最大掃描角大于30°的要求。5圈雙臂平面螺旋天線的增益大于4 dB，10圈雙臂平面螺旋天線增益大于6 dB，高于常用單極子全向天線。后續將在條件允許的情況下，在巷道環境內對該天線及其輻射的電磁波傳播特性進行測試，以驗證理論分析結果。

參考文獻：

[1]孫繼平.礦井移動通信的現狀及關鍵科學技術問題[J].工礦自動化,2009,35(7):110-114.

[2]ZHANG Y P, HWANG Y.Characterization of UHF radio propagation channels in tunnel environments for microcellular and personal communications[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,1998,47(1):283-296.

[3]田子建,雷婧,王文清.礦用小型化單極子超寬帶天線設計和性能分析[J].煤炭科學技術,2015,43(1):81-85.

[4]黃凱，張然，卑璐璐．一種緊湊型寬頻帶圓極化射頻識別天線設計[J]．工礦自動化，2014，41(5): 34-38.

[5]霍羽，徐釗，劉逢雪.融合波模和射線理論的礦井電波傳播模型[J].電子學報，2013，41(1)：110-116.

[6]孫曉玲.MIMO系統終端天線研究與設計[D].太原：太原理工大學，2011：74.

[7]丁丁,龔克.圓極化波室內傳播特性研究[J].電波科學學報,1999,14(3):304-307.

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160126.1547.014.html

Design of a mine-used directional antenna

WANG Tingting,XU Zhao

(School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology,

Xuzhou 221008, China)

Abstract：A two-arms planar spiral antenna was designed for long-narrow confined space like tunnels. The antenna is composed of two symmetrical arms which are structured by four equiangular helix lines. Compared with traditional omni-directional antenna, the antenna has greater potential for reducing reflection loss of radio waves by tunnel walls. Because of circular polarization characteristics, the antenna has potential for weakening influence of multi-path effect, and bidirectional radiation characteristic can make the antenna to improve radiation efficiency. The simulation results show that when the antenna with five cores works at 2.4 GHz, half power beam width in 3 dB is more than 60 degree and gain is more than 4 dB while the antenna with ten cores is 120 degree and 6 dB seperately.

Key words:two-arms planar spiral antenna; circular polarization; directional beam; anti-multipath

作者簡介：王婷婷(1986-)，女，江蘇連云港人，博士研究生，主要研究方向為礦井無線通信、礦用定向天線設計等，E-mail：tracy_cumt@163.com。

基金項目：江蘇省自然科學基金面上資助項目(BK20130199,BK20131124)。

收稿日期：2015-11-05；修回日期：2015-12-30；責任編輯：李明。

中圖分類號：TD655

文獻標志碼：A網絡出版時間：2016-01-26 15:47

文章編號：1671-251X(2016)02-0055-03

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.02.014

王婷婷，徐釗.一種礦用定向天線設計[J].工礦自動化，2016,42(2)：55-57.