配电自动化无线通信终端新型天线研制

应卓君 彭义淞 陈艳雯 韩松状 淳科尧

（国网成都供电公司信息通信分公司（数据中心），四川 成都 610000）

随着国网电网智能电网以及泛在电力物联网的发展，无线通信由于具有投入成本低、覆盖范围广，安装调试方便等特点，已成为配电自动化通信终端的发展趋势，有着较广泛的应用。10月14日，国家电网公司发布《泛在电力物联网白皮书2019》，提出泛在电力物联网的建设分为两个阶段。第一个阶段，到2021年初步建成泛在电力物联网。第二个阶段，到2024年建成泛在电力物联网。无线天线作为泛在电力物联网中无线终端通信接入网的关键部件，其性能指标直接影响着整个终端通信接入网的通信质量，进而影响终端通信接入网在线率指标。

一、配电自动化无线通信终端传统天线的问题

目前，成都供电公司配电自动化通信终端采用的天线为传统的吸盘杆式全向天线，天线振子为单极子形式，且放置在机柜里面，当前存在的问题主要有：1、天线体积大，不利于集成化和安装；2、天线在金属机柜里面，由于金属的屏蔽作用，电磁波将无法形成有效辐射，信号差，容易导致通信终端掉线，影响终端通信接入网在线率。

为了解决传统天线的问题，本文通过大量的现场实践总结，提出一种全新的天线解决方案，从有效解决天线辐射的角度出发，开发一种易于集成和安装、具有优良接收性能的配电自动化无线通信终端新型天线，主要具备两个优点：1、提高配电自动化无线终端天线的整体性能，包括天线的驻波、效率、增益指标；2、具备低剖面的结构外观，能安装在机柜外部，对原有外观几乎无影响，且满足防水、防尘等可靠性要求。

二、配电自动化无线通信终端新型天线设计方案

（一）技术难点

项目实施过程中遇到的问题主要有以下两点：1、需设计出具有低剖面特性的、考虑周围环境影响的高性能天线辐射振子；2、需设计出满足机柜外侧安装的结构方案，需满足防水、防尘、防紫外线等可靠性要求。

（二）技术方案

1.低剖面高性能辐射振子技术方案

天线单元采用PIFA(Planar Inverted F Antenna)天线形式，PIFA天线是单极子天线的改进天线形式，在单极子天线的基础上将天线弯折形成倒L天线形式，并增加接地枝节，并将天线振子平面化从而扩展天线带宽。通过开槽的形式，使天线出现多个谐振回路，形成多频天线。从而满足配电终端的所需的工作频段。通过采用多频PIFA天线的设计，天线辐射单元的高度仅为18mm，而现有单极子天线形式的高度为250mm，高度降低超过80%，在高度降低后，天线非常容易放置在机柜外面，从而避免了放置在机柜内侧，因机柜的屏蔽作用而导致的天线失效。天线是一个辐射振子器件，其匹配程度与周围的环境有很大关系，因此在天线设计初期，就需要考虑到周围的实际环境，从而设计出具有良好匹配、高效率、高增益的天线单元。

2.高可靠性的产品结构设计技术方案

天线单元：天线单元采用PCB+热熔支架+金属弹片工艺，通过热熔支架的支撑作用，金属弹片的两个焊脚（接地脚和馈电脚）将不受应力，可以保证长时间不产生形变，保证可靠性。

天线外罩：采用ABS材料，超声波密封，保证防水、防尘、防紫外线。

天线安装：采用磁吸的方案，先在机房顶部加载金属片，然后通过磁钢将天线吸在机房顶部边缘。

3.新型智能天线相关实物图片及产品图文说明

天线单元①采用PIFA天线形式，天线一个引脚（较宽引脚）与PCB板正面露铜部分焊接，另一引脚（较窄引脚）穿过PCB板②，在背面通过一段50Ω匹配微带线与馈线连接；天线振子采用开槽方式实现天线的低频和中频工作，采用渐变式馈电结构来展宽天线的带宽。

图 新型智能天线相关实物图

天线PCB板②通过螺丝与底板③内的螺柱固定，天线底板③采用镀锌板材质，在中间位置设有凹槽放置磁钢，用以实现天线和机房顶部的固定。天线外罩④采用ABS材料，和底板③同样使用螺丝固定。馈电线缆从外罩④左下角的孔中穿出，在孔部位设有防水胶塞，实现防水、防尘功能。

（三）改进方案

目前，项目所试制的设备还存在如下几个需要改进的地方：

1.天线在低频部分带宽较窄，虽然可以满足880-960MHz频段要求，但若后续需要进一步扩宽工作频段的话，还需要改进天线结构使其覆盖更宽的频率。

2.天线的防水部件设计还需要优化，后续需进一步推进完成该部分的设计工作。

三、结语

本文通过大量的现场实践总结，提出了一种全新的天线解决方案，从有效解决天线辐射的角度出发，开发一种易于集成和安装、具有优良接收性能的配电自动化无线通信终端新型智能天线，主要具备两个优点：（1）、提高配电自动化无线终端天线的整体性能，包括天线的驻波、效率、增益指标。（2）、具备低剖面的结构外观，能安装在机柜外部，对原有外观几乎无影响，且满足防水、防尘等可靠性要求。

本新型天线是与新能量科技股份有限公司一起研发，并在成功应用后可广泛推广到泛在电力物联网的其他应用中。新型天线使配电自动化无线通信终端的天线性能大大提高，进而有效地提高了终端通信接入网在线率，为成都公司配电自动化打下了坚实的基础，也为电力通信网络的顺畅和整个电网安全经济稳定的运行提供强有力的保障，收到很好的经济效益和社会效益。