鐵路UWB定位微帶天線設(shè)計

鄧文強 張雯睿 肖 波 吳彥良

(西南交通大學(xué)，成都 610031)

1 概述

鐵路線路是列車運行的基本環(huán)境，由于列車運行和自然條件的作用，會對線路產(chǎn)生一定程度的損傷，需要定期對其進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。我國鐵路線路養(yǎng)護(hù)已由人工養(yǎng)護(hù)轉(zhuǎn)變?yōu)榇笮宛B(yǎng)路機(jī)械設(shè)備養(yǎng)護(hù)的方式，具有高效率、高質(zhì)量等特點。養(yǎng)路機(jī)械設(shè)備進(jìn)行工作時，需要駕駛?cè)藛T、操作人員、施工人員協(xié)同工作。由于施工現(xiàn)場可能出現(xiàn)揚塵、光線差、視野受限等因素，使操作人員、駕駛?cè)藛T不能準(zhǔn)確判斷設(shè)備周圍施工人員的位置，造成人員碰撞安全隱患。因此，施工人員的實時定位是人員防碰撞的一個關(guān)鍵問題。

目前的定位或檢測技術(shù)多種多樣，如計算機(jī)視覺技術(shù)、GPS定位技術(shù)、超聲波技術(shù)、紅外技術(shù)等。相較于以上方案，UWB定位技術(shù)具有低成本、高精度、低功耗、抗干擾能力強等特點，可適用于復(fù)雜場景。基于上述背景，本文通過查閱文獻(xiàn)，對超寬帶天線[1-8]的實現(xiàn)方案進(jìn)行研究，設(shè)計一種可適用于UWB實時定位的小型化超寬帶微帶天線。該天線主要利用修正地和一種漸變傳輸，實現(xiàn)天線寬頻帶匹配，并結(jié)合U型、T型輻射結(jié)構(gòu)使得方向圖在一定程度上達(dá)到全向。下面將對天線設(shè)計與分析進(jìn)行詳細(xì)討論。

2 天線結(jié)構(gòu)

天線的幾何尺寸如圖1所示，貼片和接地平面尺寸標(biāo)注如圖2所示。該天線印制在相對介電常數(shù)為4.4、損耗角正切為0.02、厚度為1.6 mm的FR4材料介質(zhì)板上，主要由U型輻射結(jié)構(gòu)、T型輻射結(jié)構(gòu)和修正地三部分組成。其中，U型結(jié)構(gòu)和T型結(jié)構(gòu)構(gòu)造了天線的輻射振子，能夠在規(guī)定工作頻段內(nèi)形成3個諧振點。T型結(jié)構(gòu)中上部分的長方形輻射貼片能夠增強輻射性能，最后，修正地、傳輸線與振子之間的漸變結(jié)構(gòu)共同實現(xiàn)超寬帶匹配。天線具體參數(shù)如表1所示。

圖2 天線結(jié)構(gòu)標(biāo)注Fig.2 Antenna structure label

表1 天線尺寸參數(shù)Tab.1 Antenna dimension parameter

3 仿真結(jié)果與分析

通過三維電磁仿真軟件對天線進(jìn)行仿真，并對某些影響天線性能的參數(shù)進(jìn)行分析。

天線回波損耗仿真結(jié)果如圖3所示，天線的阻抗匹配帶寬為3.04～11.3 GHz，在3.52 G和10.45 G處達(dá)到-27 dB，在整個規(guī)定帶寬中匹配良好，段內(nèi)平均回波損耗在-15 dB左右。天線匹配采用了漸變結(jié)構(gòu)和修正地結(jié)合的方式，去掉上述結(jié)構(gòu)后的回波損耗分別如圖4、5所示，天線的帶寬明顯變窄，由此可見，漸變結(jié)構(gòu)和修正地技術(shù)均能有效地拓展天線帶寬。

圖3 回波損耗圖Fig.3 Return loss diagram

圖4 去掉漸變結(jié)構(gòu)Fig.4 Dispose of gradual change

由上述仿真可知，漸變結(jié)構(gòu)及修正地是天線阻抗匹配的主要因素，下面將這些因素在仿真軟件中進(jìn)行詳細(xì)的分析。在優(yōu)化過程中，保持其他參數(shù)不變，分別對W1、Lg進(jìn)行掃描分析，分析結(jié)果分別如圖6、7所示。

圖5 去掉修正地結(jié)構(gòu)Fig.5 Dispose of modified ground

圖6 漸變結(jié)構(gòu)W1對回波損耗的影響Fig.6 Influence on return loss for gradual change W1

圖7 修正地Lg對回波損耗的影響Fig.7 Influence on return loss from correctional Lg

從圖中可以看出，天線的中、高頻段對漸變結(jié)構(gòu)比較敏感，隨著W1參數(shù)增大，高頻部分的匹配阻抗（S11＜-10 dB）逐漸向左移動，中頻部分匹配效果逐漸變差。當(dāng)W1=6 mm時，天線在3.6、10.7 GHz附近達(dá)到最佳諧振效果，回波損耗小于-50 dB；當(dāng)W1=7 mm時，天線在3.1-10.6 GHz全頻段內(nèi)取得最佳諧振；當(dāng)W1=8 mm時，天線在高、低頻部分諧振良好，但中頻部分諧振變差。

在確定W1后，再對Lg進(jìn)行分析。從圖中可以看出，修正地對天線的影響與漸變結(jié)構(gòu)對天線的影響類似，均影響天線中、高頻段的阻抗匹配。隨著Lg增加，高頻部分匹配變好，但頻點向左偏移，中頻部分匹配變差。漸變結(jié)構(gòu)和修正地部分共同調(diào)節(jié)天線在全頻段內(nèi)的阻抗匹配。

最后，研究天線橢圓弧W2對回波損耗的影響。如圖8所示，可以看出低頻部分對橢圓弧比較敏感，隨著W2參數(shù)的增大，S11參數(shù)低頻部分阻抗變差，當(dāng)W2=3.2 mm時，天線在全頻段內(nèi)都能滿足S11＜-10 dB要求，但在低頻處諧振不理想。當(dāng)W2=4 mm時，天線在全頻段內(nèi)匹配效果良好。當(dāng)W2=4.8 mm時，匹配變差，在3.6 GHz附近接近-10 dB。

圖8 橢圓弧對回波損耗的影響Fig.8 Influence on return loss from elliptic arc

天線在頻段內(nèi)取得了良好的全向輻射特性，分別選取4、6、8 GHz頻率對天線進(jìn)行仿真，分析E面和H面，仿真結(jié)果如圖9所示。

從圖9中發(fā)現(xiàn)，天線在4、6 GHz輻射特性和半波振子相似，在8 GHz出現(xiàn)部分形變，像是兩個半波振子的疊加，這是由于天線表面電流的電長度超過全波振子，使得方向圖發(fā)生變化。但天線仍在整個頻段內(nèi)具有良好的全向特性。

天線在整個規(guī)定頻段內(nèi)具有較高且穩(wěn)定的增益，仿真結(jié)果如表2所示。天線在3.1 GHz處取得最高增益6.3 dBi，在全頻段內(nèi)平均增益為4.8 dBi。

4 實測結(jié)果

圖9 輻射圖Fig.9 Radiation pattern

表2 天線增益Tab.2 Antenna Gain

本文對天線進(jìn)行加工實測，天線實際加工樣品如圖10所示，回波損耗實際測試結(jié)果如圖11所示。從圖11中可以看出，天線的實際回波損耗與仿真的回波損耗在高頻部分基本一致，在中頻部分諧振頻點差于仿真。造成這種現(xiàn)象的原因主要是天線加工過程中的誤差以及焊接不精細(xì)，F(xiàn)R4介質(zhì)板材誤差等。

圖10 天線加工樣品Fig.10 Antenna processing samples

5 結(jié)語

本文在鐵路線路養(yǎng)護(hù)情景下，考慮可能出現(xiàn)惡劣環(huán)境因素，如揚塵、光線差，視野受限等，致使養(yǎng)護(hù)設(shè)備操作人員、駕駛?cè)藛T不能準(zhǔn)確判定設(shè)備周圍施工人員位置而造成人員碰撞安全隱患，根據(jù)UWB實時定位技術(shù)，本文提出一種可適用于UWB定位技術(shù)的小型化超寬帶微帶天線并對其進(jìn)行仿真。本設(shè)計采用漸變結(jié)構(gòu)和修正地結(jié)合的方式，有效的拓展天線帶寬，天線工作頻段為3.04～11.3 GHz，覆蓋整個超寬帶天線規(guī)定頻段。在規(guī)定頻段內(nèi)，天線具有良好的全向輻射特性，尤其在6 GHz以下部分，輻射方式與半波振子類似。并且在整個規(guī)定頻段內(nèi)，天線具有較高的增益，平均4.8 dBi。該天線結(jié)構(gòu)簡單，容易制造，性能良好，具有良好的可實用性。

6 致謝

本文受到中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃課題（2017X013-A）、國家自然科學(xué)基金高鐵聯(lián)合基金（NSFC U1734209）、株洲中車時代電氣股份有限公司科技項目（DQ2015-017）《車載天線關(guān)鍵技術(shù)研究與實現(xiàn)》的支持。

圖11 實測結(jié)果Fig.11 Results of actual measurements