礦井UWB 定位系統(tǒng)中圓極化天線的優(yōu)化設(shè)計(jì)和應(yīng)用

鞠晨

（國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)公司，陜西 榆林 719315）

0 引言

超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）技術(shù)具有窄脈沖、高帶寬、隱蔽性好、功耗低、傳輸速率高、多徑分辨力強(qiáng)、穿透能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。因此，UWB 技術(shù)在雷達(dá)系統(tǒng)、通信、軍事應(yīng)用等領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注。特別是自2002 年美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（Federal Communications Commission，F(xiàn)CC）將3.1～10.6 GHz 頻段向民用通信領(lǐng)域開放以來，UWB 技術(shù)越來越多地應(yīng)用于礦井、隧道和室內(nèi)等封閉空間定位通信等，日益展現(xiàn)出其優(yōu)越性能[1-6]。

雖然礦井UWB 定位系統(tǒng)因?yàn)槊}沖信號(hào)占空比低而降低了碼間干擾，在一定程度上提高了多徑分辨能力，但井下惡劣環(huán)境使得多徑效應(yīng)成為了影響礦井UWB 定位系統(tǒng)定位精度的重要因素之一。因此，礦井內(nèi)狹窄封閉空間環(huán)境造成的多徑效應(yīng)，是礦井UWB 定位系統(tǒng)必須解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。要有效抑制多徑效應(yīng)，就需要對(duì)礦井UWB 定位系統(tǒng)進(jìn)行不斷優(yōu)化和改進(jìn)，而天線是礦井UWB 定位系統(tǒng)的重要組成部分[7]，因此需要對(duì)礦井UWB 定位系統(tǒng)的天線部分進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。

礦井UWB 定位系統(tǒng)一般使用線極化天線作為收發(fā)天線，對(duì)于物理上接收到的多徑反射信號(hào)隔離能力較差。圓極化波經(jīng)過地面、巷道壁等多徑反射后會(huì)發(fā)生旋向逆轉(zhuǎn)，具有旋向正交性的圓極化天線能隔離這些旋向相反的多徑反射信號(hào)。因此，在礦井UWB 定位系統(tǒng)中使用圓極化天線可有效抑制多徑效應(yīng)[8]。為了抑制礦井UWB 定位系統(tǒng)接收到多徑反射信號(hào)，提高礦井UWB 定位系統(tǒng)的定位精度，有必要研發(fā)適用于礦井UWB 定位系統(tǒng)的圓極化天線。

1 圓極化天線

一般采用軸比和交叉極化電平分別表征圓極化天線的圓極化純度和旋向純度。軸比越小，則越接近標(biāo)準(zhǔn)圓極化；交叉極化電平是2 個(gè)旋向增益方向圖之間的差值，交叉極化電平越高，則旋向越純凈。因此，軸比越小、交叉極化電平越高，則圓極化天線對(duì)旋向相反的多徑反射信號(hào)的抑制能力越強(qiáng)。能產(chǎn)生圓極化波的經(jīng)典微帶天線有圓形、矩形、橢圓形、開槽、擾動(dòng)、切角等天線，如圖1 所示[9-13]。

圖1 常用的圓極化微帶天線構(gòu)造方式Fig.1 Construction mode of commonly used circularly polarized microstrip antenna

圓極化天線分為左旋圓極化天線和右旋圓極化天線，這2 種天線對(duì)抑制礦井UWB 定位系統(tǒng)接收多徑反射信號(hào)的效果相同，本文以右旋圓極化天線為例進(jìn)行分析。若采用傳統(tǒng)的基于正面微帶線饋電方式的圓形開槽貼片天線設(shè)計(jì)方法（圖1（c））設(shè)計(jì)右旋圓極化微帶天線，則微帶線的電流輻射會(huì)對(duì)天線有較大影響，因此對(duì)饋電方式進(jìn)行改進(jìn)，由正面微帶線直接饋電改為背部饋電。傳統(tǒng)右旋圓極化天線結(jié)構(gòu)如圖2 所示，天線采用3 層貼片結(jié)構(gòu)，50 Ω 微帶線位于天線背面，通過VIA 孔將信號(hào)饋入天線正面圓形貼片的特定位置，微帶饋線和貼片天線之間用接地平面進(jìn)行隔離。通過這種方式可將饋電網(wǎng)絡(luò)對(duì)天線輻射的影響降低到最小。

圖2 傳統(tǒng)右旋圓極化天線結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of conventional right-handed circularly polarized antenna

通過HFSS 軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證[14]，可得傳統(tǒng)右旋圓極化天線在4 GHz 中心頻率上E 面（電面）、H 面（磁面）的軸比曲線和交叉極化增益方向，分別如圖3 和圖4 所示。可看出傳統(tǒng)右旋圓極化天線雖然達(dá)到了右旋圓極化的效果，但在主輻射方向附近的軸比數(shù)值均較高，因而圓極化純度較差；傳統(tǒng)右旋圓極化天線在主輻射方向上的交叉極化電平僅為4.8 dBi 左右，旋向純度不高。因此，傳統(tǒng)右旋圓極化天線在抑制多徑效應(yīng)上并沒有很突出的優(yōu)勢(shì)，難以滿足礦井UWB 定位系統(tǒng)較高的抗多徑效應(yīng)需求。

圖3 傳統(tǒng)右旋圓極化天線E 面、H 面軸比曲線Fig.3 Axial ratio curves of E-plane and H-plane of conventional right-handed circularly polarized antenna

圖4 傳統(tǒng)右旋圓極化天線E 面、H 面交叉極化增益方向Fig.4 Cross-polarization gain direction of E-plane and H-plane of conventional right-handed circularly polarized antenna

2 新型右旋圓極化微帶天線設(shè)計(jì)

針對(duì)傳統(tǒng)右旋圓極化天線軸比高、交叉極化電平低、旋向純度不高等問題，本文設(shè)計(jì)了新型右旋圓極化微帶天線。從傳統(tǒng)右旋圓極化天線出發(fā)，先將矩形開槽改為十字開槽，改變電流軌跡，使兩正交線性極化電場(chǎng)的相差更接近90°，從而降低軸比，使天線的圓極化純度更高。之后，將十字開槽平滑擴(kuò)展為菱形開槽，達(dá)到提高交叉極化電平、抑制正交旋向的效果，使天線實(shí)現(xiàn)更高的右旋圓極化純度。天線演化過程如圖5 所示。

圖5 天線演化過程Fig.5 Antenna evolution process

新型右旋圓極化微帶天線結(jié)構(gòu)如圖6 所示。天線制作在長(zhǎng)為L(zhǎng)、寬為W的3 層聚四氟乙烯環(huán)氧樹脂基板上，基板相對(duì)介電常數(shù)為 εr，上層基板厚度為h1，下層基板厚度為h2，頂層銅厚t1，中間層銅厚t2，底層銅厚t3，50 Ω 微帶線線寬為 ω。正面圓形貼片半徑為R，饋電點(diǎn)位置位于圓形貼片豎直中線上距離圓心a處。菱形開槽長(zhǎng)對(duì)角線長(zhǎng)度為L(zhǎng)a，短對(duì)角線長(zhǎng)度為L(zhǎng)b。經(jīng)優(yōu)化后的新型右旋圓極化微帶天線參數(shù)見表1。

圖6 新型右旋圓極化微帶天線結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of novel right-handed circularly polarized microstrip antenna

表1 新型右旋圓極化微帶天線參數(shù)Table 1 Parameters of novel right-handed circularly polarized microstrip antenna

3 仿真結(jié)果及分析

在HFSS 軟件中對(duì)新型右旋圓極化微帶天線進(jìn)行仿真模擬，得到4 GHz 中心頻率下的E 面、H 面軸比曲線，并與傳統(tǒng)右旋圓極化天線進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示。可看出新型右旋圓極化微帶天線在主輻射方向附近的軸比有明顯改善，其圓極化純度得到明顯提高。

圖7 新型右旋圓極化微帶天線和傳統(tǒng)右旋圓極化天線E 面、H 面軸比曲線Fig.7 Axial ratio curves of E-plane and H-plane of novel righthanded circularly polarized microstrip antenna and conventional right-handed circularly polarized antenna

新型右旋圓極化微帶天線仿真模擬得到的E 面、H 面交叉極化增益方向如圖8 所示。可看出在主輻射方向上，新型右旋圓極化微帶天線的交叉極化電平增加到了10.4 dBi 以上，和傳統(tǒng)右旋圓極化天線4.8 dBi 的交叉極化電平相比有顯著改善，大幅提高了右旋圓極化旋向純度。

圖8 新型右旋圓極化微帶天線E 面、H 面交叉極化增益方向Fig.8 Cross-polarization gain direction of E-plane and H-plane of novel right-handed circularly polarized microstrip antenna

向新型右旋圓極化微帶天線正面（即逆著主輻射方向）看去，在1 個(gè)信號(hào)變化周期中輻射電場(chǎng)極化旋轉(zhuǎn)方向的變化如圖9 所示，可以很直觀地看到電場(chǎng)右旋圓極化的動(dòng)態(tài)效果。

圖9 新型右旋圓極化微帶天線輻射電場(chǎng)的極化旋轉(zhuǎn)效果Fig.9 Polarization rotation effect of radiated electric field of novel right-handed circularly polarized microstrip antenna

4 實(shí)測(cè)結(jié)果

根據(jù)表1 參數(shù)進(jìn)行實(shí)際加工，制成的新型右旋圓極化微帶天線樣品實(shí)物如圖10 所示。在加工過程中，加工誤差、介質(zhì)基板相對(duì)介電常數(shù)等都會(huì)影響實(shí)際樣品的性能[15]。用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)天線的端口回波性能進(jìn)行測(cè)試，將得到的實(shí)測(cè)曲線和HFSS 軟件得到的仿真曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖11 所示。可看出實(shí)測(cè)的工作頻帶和回波同仿真結(jié)果略有偏差，但整體基本相當(dāng)，說明該新型天線結(jié)構(gòu)易于加工且正常容差內(nèi)的工藝偏差對(duì)天線性能的影響程度相對(duì)較小。

圖10 新型右旋圓極化微帶天線實(shí)物Fig.10 Material object of novel right-handed circularly polarized microstrip antenna

圖11 仿真和實(shí)測(cè)回波曲線對(duì)比Fig.11 Comparison between simulated and measured echo curves

在基于到達(dá)相位差[16]的UWB 定位系統(tǒng)中，分別使用傳統(tǒng)線極化天線和本文設(shè)計(jì)的新型右旋圓極化微帶天線，在隧道環(huán)境下進(jìn)行實(shí)地測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試環(huán)境如圖12 所示。

圖12 隧道實(shí)地測(cè)試環(huán)境Fig.12 Tunnel field test environment

通過測(cè)試過程中記錄的數(shù)據(jù)，可直觀看到不同類型天線對(duì)于到達(dá)相位差穩(wěn)定性的影響，如圖13 所示。可看出使用傳統(tǒng)線極化天線時(shí)，到達(dá)相位差正負(fù)跳變頻繁，很不穩(wěn)定；而使用本文設(shè)計(jì)的新型右旋圓極化微帶天線后，到達(dá)相位差正負(fù)跳變明顯減少，到達(dá)相位差的穩(wěn)定性有明顯提高。這充分表明新型圓極化微帶天線對(duì)隧道環(huán)境中的多徑效應(yīng)起到了顯著的抑制作用，有效提高了接收信號(hào)的穩(wěn)定性。

圖13 使用傳統(tǒng)線極化天線和新型右旋圓極化微帶天線時(shí)到達(dá)相位差對(duì)比曲線Fig.13 Comparison curves of phase difference of arrival when using conventional linearly polarized antenna and novel right-handed circularly polarized microstrip antenna

5 結(jié)語

通過對(duì)傳統(tǒng)圓極化天線的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種新型右旋圓極化微帶天線，通過優(yōu)化開槽和饋電方式實(shí)現(xiàn)了軸比的大幅度降低和交叉極化電平的顯著提高。該新型右旋圓極化微帶天線具有體積小、質(zhì)量輕、易于制作等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過HFSS 軟件仿真模擬，主輻射方向交叉極化電平＞10.4 dBi，可以達(dá)到很好的右旋圓極化效果。新型右旋圓極化微帶天線樣品的工作頻帶和回波實(shí)測(cè)結(jié)果同仿真結(jié)果基本吻合，受工藝偏差影響小。將制作的新型右旋圓極化微帶天線樣品用于基于到達(dá)相位差的UWB 定位系統(tǒng)，并在隧道環(huán)境下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，實(shí)測(cè)得到的到達(dá)相位差穩(wěn)定性有明顯改善，對(duì)多徑效應(yīng)的抑制效果顯著，可以有效提高UWB 定位系統(tǒng)的定位精度。