基于北斗的警犬天線設(shè)計及優(yōu)化

張 慧，蘇新彥

(中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原 030051)

基于北斗的警犬天線設(shè)計及優(yōu)化

張 慧，蘇新彥

(中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原 030051)

為了有效完成鐵路沿線的安全監(jiān)測，基于北斗警犬狀態(tài)遠程監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)運而生，目前存在著監(jiān)測系統(tǒng)中天線受環(huán)境影響大、接收性能差等問題，針對上述問題設(shè)計了一種平面微帶天線;以單支節(jié)調(diào)配器為主線，以應(yīng)用角度出發(fā)，分別對其平面及饋線彎折等情況進行了仿真分析，克服鐵路特殊環(huán)境北斗天線安裝困難、頻帶窄易受干擾等缺點;采用ANSOFT HFSS軟件進行天線性能仿真，仿真結(jié)果表明，設(shè)計的北斗天線有效中心頻率為1571 MHz，電壓駐波比小于1.5，符合警犬狀態(tài)遠程監(jiān)測的實際應(yīng)用要求。

警犬天線；微帶天線；北斗天線；HFSS仿真

0 引言

大同-西安客運專線是中國一條建設(shè)中的連接山西省大同市與陜西省西安市的高速鐵路，該線建成后不僅能滿足日趨增長的旅客運輸需求使得沿線的老百姓均可在當?shù)爻俗奖揪€列車，而且對促進山西陜西兩省地方區(qū)域經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展將產(chǎn)生重要作用。針對鐵路防火、防盜、防災(zāi)、事故救援、調(diào)度指揮等高鐵管理問題，目前主要的方法是安全員跟警犬沿線高鐵進行巡檢，但這種方法效率很低，而且受高鐵所處特殊環(huán)境的影響，目前的這種一犬一人監(jiān)測系統(tǒng)有很大的局限性，不能有效完成鐵路沿線的安全監(jiān)測，因此迫切需要一套對于警犬及安全員實時的動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，保證鐵路運行安全。

天線作為北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)中的關(guān)鍵部位，直接影響到整個系統(tǒng)的性能。基于北斗的警犬遠程監(jiān)控系統(tǒng)中由于受到沿線網(wǎng)絡(luò)的影響只能完成部分監(jiān)測不能完全接受到有效信息，所以對應(yīng)用于北斗衛(wèi)星定位終端的天線的研究顯得十分必要。

1 北斗天線設(shè)計方案

1.1 設(shè)計要求

在天線設(shè)計中，阻抗匹配問題十分重要，其中一種較常見的方法即為單(雙、三)支節(jié)調(diào)配器，它是一種通過為微帶線并聯(lián)或串聯(lián)支節(jié)實現(xiàn)阻抗匹配的方法。但由于微帶線串或并聯(lián)了支節(jié)，所以，輻射貼片下的空間可能無法充分利用，考慮到現(xiàn)代工業(yè)及航空、通信等領(lǐng)域?qū)υ叽绲确矫嬉筝^高，因此，在保證天線性能的前提下，使天線結(jié)構(gòu)合理、小型化更有利于天線的實際應(yīng)用及空間成本的節(jié)約?；诖?，本文對微帶線及支節(jié)的折疊布局對天線性能的影響進行了探究。

1.2 警犬天線的設(shè)計

本文根據(jù)警犬遠程狀態(tài)系統(tǒng)中北斗天線的設(shè)計要求，基于微帶天線輻射原理，設(shè)計的方形圓極化微帶天線應(yīng)用于北B1和GPSL1頻段，采用相對介電常數(shù)2.55，厚度1 mm的柔性介質(zhì)基板饋電方式則采用和微帶輻射貼片共面的微帶饋電，饋電端輸入阻抗為50 Ω。主要的參數(shù)包括輻射貼片的邊長L，介質(zhì)層的厚度h，介質(zhì)的相對常數(shù)∈r，損耗正切tanδ,介質(zhì)層的長度B和寬度H以及饋電點參數(shù)。

矩形貼片的有效長度Le：

(1)

導(dǎo)波波長λg：

(2)

式中，λ0為自由空間波長，∈e為有效介電常數(shù)。

(3)

∈r為相對介電常數(shù)；h為介質(zhì)層厚度；w為微帶貼片的寬度。

矩形貼片的實際長度L：c為真空中的光速；f0為天線的工作頻率；ΔL為等效輻射縫隙的長度。

(4)

(5)

矩形貼片的寬度W：

(6)

對于同軸線饋電微帶貼片天線來說，坐標原點位于微帶貼片的中心點，以(xf,yf)來表示饋電點的坐標，則饋電點的相關(guān)計算方式如下：

(7)

(8)

(9)

將C=3×108m/s,f0=1.568×109Hz,∈r=4.5帶入，可以算出輻射貼片的寬度以及饋電點的位置。

2 警犬狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

基于北斗的警犬遠程狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)包括便攜式北斗接收終端、中繼節(jié)點單元和中心檢測平臺，系統(tǒng)框圖如圖1和圖2所示。

圖1 定位監(jiān)測管理系統(tǒng)總體功能實現(xiàn)模型圖

圖2 定位監(jiān)測管理系統(tǒng)總體功能實現(xiàn)框圖

其中便攜式北斗接收終端由北斗高增益天線、北斗慣組定位單元、GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、Nandflash存儲模塊和單片機中心控制模塊組成，北斗高增益天線與北斗芯片相連接，北斗芯片與單片機連接，單片機與Nandflash存儲模塊和GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸模塊連接，同時單片機還與USB接口模塊相連接，方便與PC機通信，如圖3所示。

圖3 便攜式北斗接收終端功能實現(xiàn)框圖

3 天線性能仿真及分析

在計算警犬遠程檢測系統(tǒng)北斗天線參數(shù)和設(shè)計天線模型的基礎(chǔ)上，采用HFSS15來進行仿真，在仿真設(shè)計中通過對參數(shù)進行調(diào)整，得到仿真結(jié)果。

3.1 饋線無彎折單支節(jié)調(diào)配器仿真結(jié)果

天線結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 天線結(jié)構(gòu)示意圖

已知柔性介質(zhì)材料的相對介電常數(shù)εr= 2.55，按照式(1)～式(9) 可求出基片尺寸。結(jié)構(gòu)變量定義如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)變量定義

應(yīng)用HFSS建立天線模型設(shè)置求解頻率為1.571 GHz，最大迭代次數(shù)為20，收斂誤差為0.02，采用快速掃頻，在1.555～1.595 GHz間，以0.001 GHz為步進值，運行仿真，可得掃頻分析結(jié)果，及天線在xz、yz截面上的增益方向，如圖5和圖6所示。

圖5 掃頻分析結(jié)果圖

圖6 xz、yz截面上的增益方向圖

由以上仿真結(jié)果圖可見，該平面微帶貼片天線諧振頻率為1 571 MHz，諧振頻率處為-12.827 5 dB，阻抗匹配及E、H面輻射情況亦較好，符合設(shè)計要求。

3.2 饋線彎折單支節(jié)調(diào)配器仿真分析

上述中對配有單支節(jié)調(diào)配器的微帶天線進行了仿真，雖然相關(guān)參數(shù)結(jié)果很好，但由圖天線結(jié)構(gòu)示意圖亦可見，天線饋線及單支節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)的確較長，使得基板尺寸也隨之變大，如此不但占空間、浪費材料，還不利于天線的小型化，因此為減小天線尺寸，將饋線及單支節(jié)調(diào)配網(wǎng)絡(luò)進行彎折，利用HFSS仿真分析改良后天線性能，彎折后天線示意圖如圖所示，相關(guān)尺寸如表3。

表3 改良后的結(jié)構(gòu)變量定義

改良天線結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 改良天線結(jié)構(gòu)示意圖

同樣，設(shè)置求解頻率為1.571 GHz，最大迭代次數(shù)為20，收斂誤差為0.02，采用快速掃頻，在1.555-1.595 GHz間，以0.001 GHz為步進值，運行仿真，可得掃頻分析結(jié)果，及天線在xz、yz截面上的增益方向圖。

圖8 改良天線掃頻分析結(jié)果

圖9 改良天線xz、yz截面上的增益方向圖

由上述仿真結(jié)果可知，此情況下，天線的諧振頻率為1 578 MHz，與設(shè)計頻率幾乎相同，諧振點處為-19.886 6 dB，絕對值比不彎折時大，雖然E、H面上增益范圍較不彎折時有所減小，但對天線的實際使用影響不大，且由于天線饋線進行了彎折，更便于實現(xiàn)小型化、節(jié)約成本、增加空間利用率，因此，總體來說饋線彎折后，天線性能更優(yōu)。

4 結(jié)語

目前鐵路巡線特殊環(huán)境中北斗天線安裝困難、頻帶窄易受干擾、接收性能差。本文對設(shè)計的微帶GPS L1北斗B1雙模天線進行了優(yōu)化，符合基于北斗的警犬遠程檢測系統(tǒng)的實際應(yīng)用要求。而且這種微帶天線設(shè)計簡單方便，經(jīng)過仿真，也驗證了設(shè)計的可行性。

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Design and Optimization of Antenna-based Compass Dogs

Zhang Hui,Su Xinyan

(Ministerial Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Testing, North China University,Taiyuan 030051, China)

In order to secure effective monitoring along the railway line, Compass dogs Remote Monitoring system came into being, there exists a planar microstrip antenna monitoring system by the large environmental impact, poor reception performance, designed to address the problem antenna. In this paper, single stub tuner main line to the application point of view, were simulated and analyzed feeder plane bending, etc., to overcome the special circumstances of railways Beidou antenna installation difficulties, shortcomings narrow band susceptible to interference. ANSOFT HFSS software using the antenna performance simulation results show that the design of the antenna Compass effective center frequency of 1571 MHz, VSWR less than 1.5, in line with the requirements of the application status of the remote monitoring of police dogs.

dogs antenna; microstrip antenna; beidou antenna; HFSS simulation

2016-09-04；

2016-09-28。

動態(tài)測試技術(shù)重點實驗室開放基金項目(IST20160505)。

張 慧(1990-)，女，山西省忻州市人，碩士研究生，主要從事高動態(tài)北斗柱面/錐面共形微帶天線設(shè)計方向的研究。

1671-4598(2017)02-0167-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.02.046

TN826

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