小型化雙向波束礦用定位終端天線設計

關鍵詞：井下精確定位；超寬帶；小型化雙向波束天線；U 形單極子天線；U 形槽

中圖分類號：TD655.3 文獻標志碼：A

0引言

煤礦井下精確定位系統一般采用超寬帶（Ultra-Wide Band，UWB）技術，其具有定位距離遠、定位誤差小、成本低等優點[1-3]。考慮到接收效率與覆蓋范圍等影響，當前配套的定位標志卡、礦燈等小型化無線終端設備主要使用全向天線[4-7]。然而，煤礦井下為受限空間，井巷結構狹長且斷面較小，電磁波被限制在巷道內部傳播，傳播特性近似于矩形波導，多徑效應突出，傳播損耗大，通信距離短[8-10]。相比于定向天線的單向輻射模式，全向天線雖然具有更寬的覆蓋范圍，但是巷道壁的信號反射嚴重，能量損失大，多徑效應明顯，信號耦合效率低[11]。雙向天線通過引導天線波束沿徑向兩端輻射，可有效提高信號覆蓋范圍和天線耦合效率，削弱由巷道側壁反射所帶來的多徑效應，更加適用于結構狹長、斷面較小的煤礦井下巷道。

雙向天線可由2 個背靠背的八木天線實現[12]。此外，將同相激勵的偶極子組陣也可實現雙向輻射[13]。文獻[14]提出的Bruce 陣列采用同相磁流激勵，具有高增益雙向輻射特性。文獻[15-16]將環形天線級聯，設計了適用于煤礦巷道環境的雙向輻射天線。上述天線均通過組陣方式形成端射/邊射雙向波束。煤礦應用環境對陣列天線的規模、尺寸、材質等都有特殊要求，一般的雙向陣列天線原理和技術不能直接應用于井下無線終端設備。文獻[17]提出了一種雙向輻射的超寬帶等角螺旋天線，其缺點是剖面過大，且天線增益偏低。文獻[18]通過在有限大金屬地板上開槽，激勵出縫隙磁流輻射模式，以產生雙向波束， 但其尺寸仍然偏大。文獻[19]將2 個輻射貼片相對開槽地板背靠背排列，在水平面激勵出了雙向波束，其缺點是帶寬過窄，無法滿足井下UWB 精確定位系統對帶寬的要求。

針對上述問題，本文設計了一種小型化雙向波束礦用定位終端天線。通過布置2 個間距為λ/4（λ 為自由空間波長）的同相激勵U 形單極子天線，實現雙向邊射波束輻射特性。此外，通過地板開槽的方式實現天線的小型化。該天線在保證整體結構緊湊的同時兼顧了凈空區面積，天線模塊占用電路板面積小，方便其他電路布局，適用于各類小型化人員定位終端設備。

1天線設計

1.1天線結構

小型化雙向波束礦用定位終端天線由2 個U 形輻射振子、帶有2 個U形槽的金屬地板和饋電網絡組成，并經由2 塊FR?4 介質基板（相對介電常數為4.3， 損耗角正切為0.02）壓合而成， 如圖1 所示。xyz為基于天線形狀構建的坐標系，H₁，H₂ 為介質基板厚度；S₁ 為兩個單極子間距；S₂ 為兩個U形槽間距；S₃ 為U 形槽與微帶饋線間距；S₄ 為U形槽張口尺寸；G₁、G₂ 分別為介質基板的長與寬；W_f1-W_f3 為微帶饋線的寬度；L_s1、L_s2 為U 形槽長度；La₁-L_a3為U 形單極子長度；W_s1為U形槽的寬度；W_a1-W_a4 為U形單極子寬度；g為U形單極子與地板間距。天線采用50Ω 微帶線饋電，通過1個功分饋電網絡經由金屬通孔與U形輻射振子相連。天線尺寸參數見表1。

1.2雙向波束原理

根據陣列天線理論，沿直線等距離排列的n 個等幅激勵各向同性點源（圖2），當陣因子達到最大值時，在遠場所輻射的主瓣波束方向上，產生陣因子主瓣最大值所需相鄰陣元之間的激勵電流相移為[20]

1.3設計過程

當前礦井人員和UWB 定位系統中采用的主流UWB 芯片為DW1000， 其中心工作頻率包括3.5，4.0， 4.5， 6.5 GHz。為了有效提升傳輸距離，降低與5G、WiFi6 等通信系統頻段間的相互干擾，并減少基站部署數量及系統整體成本，目前礦用UWB 頻段多為3.7～4.2 GHz[21]。參照現有各類基于UWB 技術的礦用定位終端設備尺寸規格，并鑒于此類設備小型化及便攜性的發展趨勢，其搭載的終端定位天線亦需具備尺寸小、結構簡單及易于集成等特性。

天線設計過程如圖3 所示。

將單極子作為基本天線單元， 搭載于一塊25 mm×25 mm 的FR?4 介質基板上， 記為天線Ⅰ（圖3（a））。為了縮小天線尺寸，節約凈空區面積并拓展帶寬，天線采用U 形彎折結構，其總長度約為λ/4（4.1 GHz），其各枝節長度與寬度在盡可能保證較低凈空區高度前提下，借助全波電磁仿真軟件CSTStudio Suite 2018 進行建模分析并優化。受限于較小的地板尺寸（0.33λ× 0.24λ），天線Ⅰ的阻抗匹配較差，反射系數較大。為了實現邊射雙向波束，將U 形單極子在x 軸方向平移約λ/4（17 mm）并鏡像復制，得到天線Ⅱ（圖3（b））。

對2個U形單極子單元施加等幅同相激勵，得到沿±z 軸方向輻射的雙向波束。其反射系數如圖4所示。受益于U 形單極子在x 軸方向的平移，輻射臂相對于金屬地板不再呈中心對稱，因此天線帶寬得到了拓寬，?10 dB 相對帶寬達25%。此外，由于2 個天線間距較近，相互耦合強烈，天線Ⅱ的工作頻點向高頻發生了偏移。

為了降低天線Ⅱ的工作頻率，且不擴大單極子振子臂及金屬地板的尺寸，在金屬地板上開設2 個對稱的U 形槽，得到天線Ⅲ（圖3（c））。U 形槽初始總長度約為λ/4（4.1 GHz），借助全波電磁仿真軟件進行調諧，從而起到降低天線Ⅱ諧振頻率的效果。

天線Ⅱ和天線Ⅲ工作時表面電流分布如圖5 所示。通過在地板上引入U 形槽，在槽縫處形成了額外的縫隙耦合電流，相較于天線Ⅱ，天線Ⅲ的地板電流路徑得到了延長，從而有效降低了天線工作頻點。

結合圖4 可知，增加U 形槽后，天線工作頻點降至4 GHz，帶寬相比天線Ⅱ有所減小，但仍能有效覆蓋當前礦用UWB 頻段（3.7～4.2 GHz）。需要指出的是，天線Ⅱ與Ⅲ中天線單元均由離散端口單獨饋電，因此圖4 所示為天線Ⅱ與Ⅲ的有源反射系數。

最后，以天線Ⅲ為基礎，設計了一個等幅同相功分饋電網絡，用于給2 個U 形單極子天線饋電，記作天線Ⅳ（圖3（d） ）。天線Ⅳ的中心頻點為4.1 GHz，?10 dB 帶寬為3.6～4.6 GHz。

2仿真分析

天線3D 遠場輻射方向圖、2D 遠場輻射方向圖分別如圖6、圖7 所示。可看出二元邊射陣在±z 軸方向實現了雙向輻射波束，遠場輻射方向圖關于xoy 平面對稱。E 面（yoz 面） 1 dB 波束寬度為56°，H 面（xoz 面）1 dB 波束寬度為70°。

二元邊射陣峰值增益隨頻率變化的仿真結果如圖8 所示。可看出在3.6～4.6 GHz 頻段范圍內，天線的峰值增益范圍為2.2～2.5 dBi，體現出良好的幅頻響應。

3實測結果及分析

天線實物由3 層金屬經由2 塊FR?4 介質基板按圖1（a） 所示順序壓合而成， 制備樣品如圖9 所示。其中上層介質基板厚度為0.45 mm，下層介質基板厚度為0.2 mm，從上至下分別為U 形輻射臂、金屬地板、饋電網絡。天線整體尺寸為0.3λ×0.3λ×0.01λ（長×寬×高），凈空區尺寸為0.3λ×0.1λ（長×寬）。

天線由一個50 Ω 的SMA 接頭饋電，并通過矢量網絡分析儀Keysight E5063A 測量反射系數，結果如圖10 所示。可看出天線實測?10 dB 阻抗帶寬為3.52～4.65 GHz，與仿真結果基本吻合。二者的偏差主要源于FR?4 介質基板的介電常數波動及SMA 接頭焊接所引起的阻抗失配。

在Satimo SG 24 探針近場微波暗室中進行天線方向圖測試，結果如圖11 所示。在工作中心頻點附近（4 GHz），天線實測E 面（yoz 面）1 dB 波束寬度為53°，H 面（xoz 面）1 dB 波束寬度為64°。

峰值增益?頻率仿真與實測結果對比如圖12 所示。可看出仿真與實測結果基本相符， 在3.6～4.6 GHz 頻段內，天線峰值增益范圍為2.1～2.45 dBi。

實測天線的?10dB 帶寬為1000 MHz （3.6～4.6 GHz），可有效覆蓋基于UWB 的煤礦井下人員精確定位系統的工作頻段（3.7～4.2 GHz）。

4結語

設計了一種小型化雙向波束礦用定位終端天線，以U 形單極子天線為基礎，通過布置2 個間距為λ/4 的等幅同相激勵陣元，實現了雙向邊射波束輻射特性。天線實測與仿真結果吻合良好， 在3.6～4.6 GHz 頻段內，天線峰值增益范圍為2.1～2.45 dBi；天線的?10 dB 帶寬為1 000 MHz （3.6～4.6 GHz），可有效覆蓋基于UWB 的煤礦井下人員精確定位系統的工作頻段。該天線具有結構緊湊、凈空區面積小、成本低廉等優點，適用于各類小型化人員定位終端設備，具有很好的潛在應用價值。