煤礦井下超寬帶八木微帶天線的設(shè)計與測試

郭繼坤， 靳宇航

(黑龍江科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)

0 引 言

從目前的能源需求來看，煤炭仍是我國的主要能源。煤炭開采過程中，對礦難緊急情況的應(yīng)急處理，煤礦井下通信系統(tǒng)的研究尤為重要。近年來，隨著無線通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，具有傳輸速率高，抗干繞能力強的超寬帶技術(shù)被應(yīng)用于礦井下的無線通信系統(tǒng)當(dāng)中，但是，國內(nèi)外對于超寬帶技術(shù)的研究仍處于起步階段。加拿大的CANMET實驗室建立了超寬帶信號的多徑井下衰落模型[1]，綜合各項仿真數(shù)據(jù)得出結(jié)論，超寬帶雷達應(yīng)用于礦井下時，可以通過定向天線組合發(fā)射的方式提高輻射效率，從而降低RMS延遲擴展，實現(xiàn)最大傳輸符號速率的目的。郭繼坤等[2-3]以煤礦井下雙層塌方體為研究背景，建立了回波信號模型，通過分析直達波對目標(biāo)信號的影響，提出了一種適用于礦井下的去除直達波的方法，以及研究了UWB信號在穿透礦井塌方體后生命特征探測的技術(shù)。綜合國內(nèi)外學(xué)者的研究表明，超寬帶通信系統(tǒng)雖然有著高分辨特性和抗多徑衰落等能力，但由于其自身傳播距離受限，導(dǎo)致無法完成遠距離生命信號的探測和井下人員的定位，以及井下多層塌方體的穿透。因此，筆者利用超寬帶信號自身的優(yōu)勢與天線作為電磁波與無線電信號的傳輸和轉(zhuǎn)化工具，對其設(shè)計和改進以提高超寬帶無線通信系統(tǒng)的傳播距離和穿透能力。

1 設(shè)計原理

為了設(shè)計出適用于煤礦井下的超寬帶天線，首先要考慮的是描述天線轉(zhuǎn)換電磁能量的能力大小和輻射性能好壞程度，而這些性能通常由以下性能指標(biāo)所決定。

1.1 方向性

天線的方向性是衡量天線性能的一個重要的參考因素。它體現(xiàn)了超寬帶天線輻射性能的優(yōu)劣程度，在特定的頻率上，天線輻射的方向性如圖1所示。

圖1 天線的輻射方向Fig. 1 Radiation direction of antenna

由圖1可見，天線方向圖中的波束通常分為主瓣和副瓣，彼此相互垂直。如果天線的主瓣寬度很窄，則天線具有很強的定向傳輸性能。因此，對于在礦井環(huán)境中設(shè)計天線，有必要觀察方向圖的主波束是否足夠窄。

1.2 增益

天線增益是天線的重要性能參數(shù)。天線增益是指在輸入功率相等的情況下，實際天線與理想輻射單元在空間上同一點所產(chǎn)生信號的功率密度之比。增益定量地描述了天線將電磁波集中輻射的能力。天線的增益與天線方向圖密切相關(guān)。通常情況下，主瓣波束越窄，旁瓣波束越小，則天線的增益越高。它是用來表示天線發(fā)射性能的參量。天線的增益的表達式可以用下式表示：

G=η(1-|Γ|2)D，

(1)

式中 ：η——天線效率；

Γ——饋電端口的反射系數(shù)；

D——方向性因子。

當(dāng)天線效率為100%時,天線增益G等于方向性因子D。

1.3 發(fā)射功率

根據(jù)GB 3836.1—2010《爆炸性環(huán)境 第1部分:設(shè)備通用要求》規(guī)定：井下設(shè)備射頻天線的功率輸出不應(yīng)大于6 W[4]。因此，研究煤礦井下超寬帶天線應(yīng)該著重解決天線的最大發(fā)射功率要低于6 W的問題，要求超寬帶天線應(yīng)該具有較好的增益特性。

1.4 輸入阻抗

將一個天線饋電端口的電壓與電流進行比值，所得出的量為天線的輸入阻抗

(2)

式中：Pin——輸入功率；

Vin——輸入電壓；

Iin——輸入電流；

Rin——輸入電阻；

Xin——輸入電抗。

天線設(shè)計中的一項重要任務(wù)是使天線的輸入阻抗與標(biāo)準(zhǔn)饋線的特性阻抗相匹配。如果天線的輸入阻抗與標(biāo)準(zhǔn)饋線的特性阻抗匹配，則可以獲得更好的S11。天線的S11表示天線的回波損耗，一般通過矢量分析儀來看其損耗的dB值和阻抗特性。S11的值越大，則表示天線本身反射回來的能量越大，這樣天線的發(fā)射效率越差。在超寬帶的頻段(3.1～10.6 GHz)范圍內(nèi)，S11的值如果在-10 dB以下，說明天線的損耗較小，基本可以在特定的頻率內(nèi)達到阻抗的匹配。

1.5 極化特性

天線極化是指在發(fā)射天線的最大輻射方向上無線電波隨時間在空間中追蹤電場矢量(端點)的軌跡。天線的極化分為線性極化、圓極化和橢圓極化三種。圖2給出了圓偏振波的電場強度的矢量軌跡，其可以分為正交的左和右圓偏振。橢圓偏振波可以分解為兩個旋轉(zhuǎn)方向相反的圓偏振波[5]。接收天線的極化與入射波的一致性稱為極化匹配。在礦井環(huán)境中，為了使天線實現(xiàn)點對點之間的定向通信，通常選擇線極化的天線。

圖2 圓極化波的電場強度Fig. 2 Electric field intensity of circular polarized wave

2 天線設(shè)計

2.1 八木天線

由于在礦難發(fā)生之后需要對被困人員做出精確的定位，需要選擇具有高精度定位能力的定向天線作為基礎(chǔ)天線。有一種端射式的天線，它主要由有源陣子、無源反射器以及若干個引向器所組成。這種天線稱之為八木天線[6]。其結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。采用這種結(jié)構(gòu)，八木天線具有定向輻射的特性，較一般的天線有很高的增益。用它來測向、遠距離通信效果特別好，但是一般的八木天線的體積較為龐大，將其直接應(yīng)用于煤礦井下攜帶時十分不便，需要對其進行改進。

圖3 八木天線結(jié)構(gòu)組成Fig. 3 Yagi antenna structure composition

2.2 微帶天線

在薄的介電基板上，將薄的金屬貼片粘貼在一側(cè)作為接收底板，通過光蝕刻在另一側(cè)制作任意形狀的金屬貼片。 貼片通過微帶線或同軸電纜供電，所制作出來的天線稱為微帶天線[7]。

圖4為微帶貼片天線的結(jié)構(gòu)，其中輻射貼片的長度約為λ/2，λ為天線的波長。微帶天線和常用微波天線相比，有如下優(yōu)點：(1)重量比較輕，體積比較小，可以與大部分電路元器件相結(jié)合。(2)電性能的多樣化，可以將不同設(shè)計的微帶元件的最大輻射方向從邊緣輻射調(diào)整為末端輻射，易獲得各種極化。(3)易于集成， 它可以與有源設(shè)備和各種電路集成。

圖4 微帶貼片天線Fig. 4 Microstrip patch antenna

微帶天線也存在著許多缺陷，帶寬比較窄，一般說來，如果沒有采取擴頻措施，帶寬的典型值僅 1%～5%，饋線損耗限制了它的孔徑尺寸和增益[8]。與其他天線相比，微帶天線的研究歷史較短。經(jīng)過近幾十年的努力，它的一些缺陷正在逐步克服。采用新的介質(zhì)材料和制作方法可以使它的頻帶寬度、功率容量、頻率上限和應(yīng)用范圍都大大提高和擴展[9]。因此，結(jié)合以上微帶天線的優(yōu)缺點，將八木天線的形狀和結(jié)構(gòu)作為微帶天線的輻射貼片，可以利用八木天線所具有的高增益和定向輻射特性等優(yōu)點，設(shè)計出一種適用于煤礦井下的超寬帶八木微帶天線。

2.3 超寬帶八木微帶天線

文中設(shè)計了一種應(yīng)用于煤礦井下的超寬帶八木微帶天線。近年來，作為近乎封閉的圓柱形波導(dǎo)布置結(jié)構(gòu)的基片集成波導(dǎo)(Substrate integrated wave guide, SIW)已得到迅速發(fā)展和應(yīng)用。其在超寬帶頻段的泄漏損耗和輻射損耗都很小。因此，在設(shè)計超寬帶天線時，利用SIW[10]技術(shù)可以提供新的設(shè)計方法，將SIW技術(shù)與八木微帶天線的設(shè)計思想相結(jié)合， 提出了一種新型的超寬帶八木微帶天線的設(shè)計方法。該天線以SIW為饋電端和輻射端，矩形介質(zhì)基板的上下一對矩形金屬貼片用作天線的導(dǎo)向器，電磁波的能量在SIW和導(dǎo)向器之間定向傳輸。這樣的設(shè)計可以實現(xiàn)垂直極化的線性極化輻射特性。

天線的主要組件是金屬化通孔、連接底板、微帶線、SIW和兩個導(dǎo)向器。介電基板的厚度為3 mm，介電常數(shù)為2.65，損耗角正切為0.000 9，天線的整體尺寸為40 mm×30 mm。第一個金屬貼片構(gòu)成有源陣子，兩端連接著SIW。用來實現(xiàn)電磁波的輻射。與之相垂直的另一個矩形金屬貼片的兩側(cè)設(shè)置了金屬化通孔，構(gòu)成了矩形微帶饋線，與SMA[11]接頭的內(nèi)芯垂直連接。將截斷的金屬薄貼片作為接地板，從而構(gòu)成反射器。引向器則由兩對矩形金屬貼片所構(gòu)成，如圖5所示，兩對金屬貼片在平xOy面的投影基本重合。引向器 2 和引向器 1 的形狀基本相同，只是它們的長度和寬度有所差異。

圖5 天線的三維視圖Fig. 5 3D view of antenna

3 仿真結(jié)果與測試分析

一般矩形波導(dǎo)的主要模式是TE10模式，SIW的主要模式也是如此。 SIW的電場方向垂直于電介質(zhì)基板的上表面和下表面，并且電介質(zhì)基板的上表面和下表面之間的相位差為180°。通過仿真軟件HFSS對天線的電場分布的仿真如圖6所示。SIW在垂直于波導(dǎo)方向的截面中產(chǎn)生能量輻射。由于在層流孔中沿垂直方向的電場分布類似于SIW，因此電磁波的能量可以有效地集中并沿孔方向輻射，這也改善了SIW區(qū)域的阻抗匹配。在微帶饋線的兩端和頂端所設(shè)計的金屬化通孔，限制了微帶線電磁場輻射的分布區(qū)域，進一步改善了天線的阻抗匹配性能。

天線的正反面實物，如圖7所示。采用HFSS對天線的模型圖進行設(shè)計，驗證其有效性。將此天線的實物進行了制作和加工，模擬和測量天線的S11參數(shù)以及E面和H面的方向圖。圖8給出了S11參數(shù)的變化曲線以及超寬帶八木微帶天線的增益仿真結(jié)果和測量結(jié)果。

圖6 電場分布Fig. 6 Distribution of electric field

圖7 天線的正反面實物Fig. 7 Front and back of antenna

從圖8可以看出，S11小于-10 dB時，天線的工作頻帶為9.28～11.06 GHz，相對帶寬為27.5%。天線在有效頻帶范圍內(nèi)的增益為5.31～6.04 dBi；圖9給出了該天線的兩種方向圖的仿真和實際測量結(jié)果。方向圖的仿真頻率點和測試頻率點均為10.1 GHz。

圖8 增益的仿真與實測數(shù)據(jù)Fig. 8 Simulation and measured data of gain

圖9 方向圖仿真與實測Fig. 9 Simulation and measurement of direction

從圖9可以看出，天線的主極化模式是垂直極化，電磁波的輻射模式是端射形式。方向圖的前后比大于10 dB，天線的仿真結(jié)果基本接近實測結(jié)果。總體的性能基本滿足煤礦井下超寬帶天線的設(shè)計要求，可以作為應(yīng)用于煤礦井下的超寬帶天線。

4 結(jié)束語

針對煤礦井下超寬帶無線通信系統(tǒng)應(yīng)用于井下救援問題所存在的缺陷和需要解決的難題，通過分析煤礦井下超寬帶天線的基本設(shè)計原理，設(shè)計了一種具有垂直極化輻射特性的超寬帶八木微帶天線，天線以SIW為輻射單元，雙金屬貼片構(gòu)成引向器，實現(xiàn)了垂直極化端波束的輻射特性。仿真和實測結(jié)果表明，天線的工作頻帶為9.28～11.06 GHz，相對帶寬為27.5%，增益穩(wěn)定在5.31～6.04 dBi，仿真結(jié)果基本與實測結(jié)果相接近，驗證了設(shè)計方法的有效性。該天線在礦井環(huán)境下不僅攜帶方便，而且基本可以滿足煤礦井下超寬帶天線的技術(shù)要求，為煤礦井環(huán)境下超寬帶信號的發(fā)射和接收提供了硬件條件，同時對煤礦井下發(fā)生礦難時通過超寬帶技術(shù)所采取的應(yīng)急救援具有較高的應(yīng)用價值。