鐵路UWB定位微帶天線設計

鄧文強 張雯睿 肖 波 吳彥良

(西南交通大學，成都 610031)

1 概述

鐵路線路是列車運行的基本環境，由于列車運行和自然條件的作用，會對線路產生一定程度的損傷，需要定期對其進行養護。我國鐵路線路養護已由人工養護轉變為大型養路機械設備養護的方式，具有高效率、高質量等特點。養路機械設備進行工作時，需要駕駛人員、操作人員、施工人員協同工作。由于施工現場可能出現揚塵、光線差、視野受限等因素，使操作人員、駕駛人員不能準確判斷設備周圍施工人員的位置，造成人員碰撞安全隱患。因此，施工人員的實時定位是人員防碰撞的一個關鍵問題。

目前的定位或檢測技術多種多樣，如計算機視覺技術、GPS定位技術、超聲波技術、紅外技術等。相較于以上方案，UWB定位技術具有低成本、高精度、低功耗、抗干擾能力強等特點，可適用于復雜場景。基于上述背景，本文通過查閱文獻，對超寬帶天線[1-8]的實現方案進行研究，設計一種可適用于UWB實時定位的小型化超寬帶微帶天線。該天線主要利用修正地和一種漸變傳輸，實現天線寬頻帶匹配，并結合U型、T型輻射結構使得方向圖在一定程度上達到全向。下面將對天線設計與分析進行詳細討論。

2 天線結構

天線的幾何尺寸如圖1所示，貼片和接地平面尺寸標注如圖2所示。該天線印制在相對介電常數為4.4、損耗角正切為0.02、厚度為1.6 mm的FR4材料介質板上，主要由U型輻射結構、T型輻射結構和修正地三部分組成。其中，U型結構和T型結構構造了天線的輻射振子，能夠在規定工作頻段內形成3個諧振點。T型結構中上部分的長方形輻射貼片能夠增強輻射性能，最后，修正地、傳輸線與振子之間的漸變結構共同實現超寬帶匹配。天線具體參數如表1所示。

圖2 天線結構標注Fig.2 Antenna structure label

表1 天線尺寸參數Tab.1 Antenna dimension parameter

3 仿真結果與分析

通過三維電磁仿真軟件對天線進行仿真，并對某些影響天線性能的參數進行分析。

天線回波損耗仿真結果如圖3所示，天線的阻抗匹配帶寬為3.04～11.3 GHz，在3.52 G和10.45 G處達到-27 dB，在整個規定帶寬中匹配良好，段內平均回波損耗在-15 dB左右。天線匹配采用了漸變結構和修正地結合的方式，去掉上述結構后的回波損耗分別如圖4、5所示，天線的帶寬明顯變窄，由此可見，漸變結構和修正地技術均能有效地拓展天線帶寬。

圖3 回波損耗圖Fig.3 Return loss diagram

圖4 去掉漸變結構Fig.4 Dispose of gradual change

由上述仿真可知，漸變結構及修正地是天線阻抗匹配的主要因素，下面將這些因素在仿真軟件中進行詳細的分析。在優化過程中，保持其他參數不變，分別對W1、Lg進行掃描分析，分析結果分別如圖6、7所示。

圖5 去掉修正地結構Fig.5 Dispose of modified ground

圖6 漸變結構W1對回波損耗的影響Fig.6 Influence on return loss for gradual change W1

圖7 修正地Lg對回波損耗的影響Fig.7 Influence on return loss from correctional Lg

從圖中可以看出，天線的中、高頻段對漸變結構比較敏感，隨著W1參數增大，高頻部分的匹配阻抗（S11＜-10 dB）逐漸向左移動，中頻部分匹配效果逐漸變差。當W1=6 mm時，天線在3.6、10.7 GHz附近達到最佳諧振效果，回波損耗小于-50 dB；當W1=7 mm時，天線在3.1-10.6 GHz全頻段內取得最佳諧振；當W1=8 mm時，天線在高、低頻部分諧振良好，但中頻部分諧振變差。

在確定W1后，再對Lg進行分析。從圖中可以看出，修正地對天線的影響與漸變結構對天線的影響類似，均影響天線中、高頻段的阻抗匹配。隨著Lg增加，高頻部分匹配變好，但頻點向左偏移，中頻部分匹配變差。漸變結構和修正地部分共同調節天線在全頻段內的阻抗匹配。

最后，研究天線橢圓弧W2對回波損耗的影響。如圖8所示，可以看出低頻部分對橢圓弧比較敏感，隨著W2參數的增大，S11參數低頻部分阻抗變差，當W2=3.2 mm時，天線在全頻段內都能滿足S11＜-10 dB要求，但在低頻處諧振不理想。當W2=4 mm時，天線在全頻段內匹配效果良好。當W2=4.8 mm時，匹配變差，在3.6 GHz附近接近-10 dB。

圖8 橢圓弧對回波損耗的影響Fig.8 Influence on return loss from elliptic arc

天線在頻段內取得了良好的全向輻射特性，分別選取4、6、8 GHz頻率對天線進行仿真，分析E面和H面，仿真結果如圖9所示。

從圖9中發現，天線在4、6 GHz輻射特性和半波振子相似，在8 GHz出現部分形變，像是兩個半波振子的疊加，這是由于天線表面電流的電長度超過全波振子，使得方向圖發生變化。但天線仍在整個頻段內具有良好的全向特性。

天線在整個規定頻段內具有較高且穩定的增益，仿真結果如表2所示。天線在3.1 GHz處取得最高增益6.3 dBi，在全頻段內平均增益為4.8 dBi。

4 實測結果

圖9 輻射圖Fig.9 Radiation pattern

表2 天線增益Tab.2 Antenna Gain

本文對天線進行加工實測，天線實際加工樣品如圖10所示，回波損耗實際測試結果如圖11所示。從圖11中可以看出，天線的實際回波損耗與仿真的回波損耗在高頻部分基本一致，在中頻部分諧振頻點差于仿真。造成這種現象的原因主要是天線加工過程中的誤差以及焊接不精細，FR4介質板材誤差等。

圖10 天線加工樣品Fig.10 Antenna processing samples

5 結語

本文在鐵路線路養護情景下，考慮可能出現惡劣環境因素，如揚塵、光線差，視野受限等，致使養護設備操作人員、駕駛人員不能準確判定設備周圍施工人員位置而造成人員碰撞安全隱患，根據UWB實時定位技術，本文提出一種可適用于UWB定位技術的小型化超寬帶微帶天線并對其進行仿真。本設計采用漸變結構和修正地結合的方式，有效的拓展天線帶寬，天線工作頻段為3.04～11.3 GHz，覆蓋整個超寬帶天線規定頻段。在規定頻段內，天線具有良好的全向輻射特性，尤其在6 GHz以下部分，輻射方式與半波振子類似。并且在整個規定頻段內，天線具有較高的增益，平均4.8 dBi。該天線結構簡單，容易制造，性能良好，具有良好的可實用性。

6 致謝

本文受到中國鐵路總公司科技研究開發計劃課題（2017X013-A）、國家自然科學基金高鐵聯合基金（NSFC U1734209）、株洲中車時代電氣股份有限公司科技項目（DQ2015-017）《車載天線關鍵技術研究與實現》的支持。

圖11 實測結果Fig.11 Results of actual measurements