配電自動化無線通信終端新型天線研制

應卓君 彭義淞 陳艷雯 韓松狀 淳科堯

（國網成都供電公司信息通信分公司（數據中心），四川 成都 610000）

隨著國網電網智能電網以及泛在電力物聯網的發展，無線通信由于具有投入成本低、覆蓋范圍廣，安裝調試方便等特點，已成為配電自動化通信終端的發展趨勢，有著較廣泛的應用。10月14日，國家電網公司發布《泛在電力物聯網白皮書2019》，提出泛在電力物聯網的建設分為兩個階段。第一個階段，到2021年初步建成泛在電力物聯網。第二個階段，到2024年建成泛在電力物聯網。無線天線作為泛在電力物聯網中無線終端通信接入網的關鍵部件，其性能指標直接影響著整個終端通信接入網的通信質量，進而影響終端通信接入網在線率指標。

一、配電自動化無線通信終端傳統天線的問題

目前，成都供電公司配電自動化通信終端采用的天線為傳統的吸盤桿式全向天線，天線振子為單極子形式，且放置在機柜里面，當前存在的問題主要有：1、天線體積大，不利于集成化和安裝；2、天線在金屬機柜里面，由于金屬的屏蔽作用，電磁波將無法形成有效輻射，信號差，容易導致通信終端掉線，影響終端通信接入網在線率。

為了解決傳統天線的問題，本文通過大量的現場實踐總結，提出一種全新的天線解決方案，從有效解決天線輻射的角度出發，開發一種易于集成和安裝、具有優良接收性能的配電自動化無線通信終端新型天線，主要具備兩個優點：1、提高配電自動化無線終端天線的整體性能，包括天線的駐波、效率、增益指標；2、具備低剖面的結構外觀，能安裝在機柜外部，對原有外觀幾乎無影響，且滿足防水、防塵等可靠性要求。

二、配電自動化無線通信終端新型天線設計方案

（一）技術難點

項目實施過程中遇到的問題主要有以下兩點：1、需設計出具有低剖面特性的、考慮周圍環境影響的高性能天線輻射振子；2、需設計出滿足機柜外側安裝的結構方案，需滿足防水、防塵、防紫外線等可靠性要求。

（二）技術方案

1.低剖面高性能輻射振子技術方案

天線單元采用PIFA(Planar Inverted F Antenna)天線形式，PIFA天線是單極子天線的改進天線形式，在單極子天線的基礎上將天線彎折形成倒L天線形式，并增加接地枝節，并將天線振子平面化從而擴展天線帶寬。通過開槽的形式，使天線出現多個諧振回路，形成多頻天線。從而滿足配電終端的所需的工作頻段。通過采用多頻PIFA天線的設計，天線輻射單元的高度僅為18mm，而現有單極子天線形式的高度為250mm，高度降低超過80%，在高度降低后，天線非常容易放置在機柜外面，從而避免了放置在機柜內側，因機柜的屏蔽作用而導致的天線失效。天線是一個輻射振子器件，其匹配程度與周圍的環境有很大關系，因此在天線設計初期，就需要考慮到周圍的實際環境，從而設計出具有良好匹配、高效率、高增益的天線單元。

2.高可靠性的產品結構設計技術方案

天線單元：天線單元采用PCB+熱熔支架+金屬彈片工藝，通過熱熔支架的支撐作用，金屬彈片的兩個焊腳（接地腳和饋電腳）將不受應力，可以保證長時間不產生形變，保證可靠性。

天線外罩：采用ABS材料，超聲波密封，保證防水、防塵、防紫外線。

天線安裝：采用磁吸的方案，先在機房頂部加載金屬片，然后通過磁鋼將天線吸在機房頂部邊緣。

3.新型智能天線相關實物圖片及產品圖文說明

天線單元①采用PIFA天線形式，天線一個引腳（較寬引腳）與PCB板正面露銅部分焊接，另一引腳（較窄引腳）穿過PCB板②，在背面通過一段50Ω匹配微帶線與饋線連接；天線振子采用開槽方式實現天線的低頻和中頻工作，采用漸變式饋電結構來展寬天線的帶寬。

圖 新型智能天線相關實物圖

天線PCB板②通過螺絲與底板③內的螺柱固定，天線底板③采用鍍鋅板材質，在中間位置設有凹槽放置磁鋼，用以實現天線和機房頂部的固定。天線外罩④采用ABS材料，和底板③同樣使用螺絲固定。饋電線纜從外罩④左下角的孔中穿出，在孔部位設有防水膠塞，實現防水、防塵功能。

（三）改進方案

目前，項目所試制的設備還存在如下幾個需要改進的地方：

1.天線在低頻部分帶寬較窄，雖然可以滿足880-960MHz頻段要求，但若后續需要進一步擴寬工作頻段的話，還需要改進天線結構使其覆蓋更寬的頻率。

2.天線的防水部件設計還需要優化，后續需進一步推進完成該部分的設計工作。

三、結語

本文通過大量的現場實踐總結，提出了一種全新的天線解決方案，從有效解決天線輻射的角度出發，開發一種易于集成和安裝、具有優良接收性能的配電自動化無線通信終端新型智能天線，主要具備兩個優點：（1）、提高配電自動化無線終端天線的整體性能，包括天線的駐波、效率、增益指標。（2）、具備低剖面的結構外觀，能安裝在機柜外部，對原有外觀幾乎無影響，且滿足防水、防塵等可靠性要求。

本新型天線是與新能量科技股份有限公司一起研發，并在成功應用后可廣泛推廣到泛在電力物聯網的其他應用中。新型天線使配電自動化無線通信終端的天線性能大大提高，進而有效地提高了終端通信接入網在線率，為成都公司配電自動化打下了堅實的基礎，也為電力通信網絡的順暢和整個電網安全經濟穩定的運行提供強有力的保障，收到很好的經濟效益和社會效益。