煤矿井下超宽带八木微带天线的设计与测试

郭继坤， 靳宇航

(黑龙江科技大学 电子与信息工程学院, 哈尔滨 150022)

0 引 言

从目前的能源需求来看，煤炭仍是我国的主要能源。煤炭开采过程中，对矿难紧急情况的应急处理，煤矿井下通信系统的研究尤为重要。近年来，随着无线通信系统的快速发展，具有传输速率高，抗干绕能力强的超宽带技术被应用于矿井下的无线通信系统当中，但是，国内外对于超宽带技术的研究仍处于起步阶段。加拿大的CANMET实验室建立了超宽带信号的多径井下衰落模型[1]，综合各项仿真数据得出结论，超宽带雷达应用于矿井下时，可以通过定向天线组合发射的方式提高辐射效率，从而降低RMS延迟扩展，实现最大传输符号速率的目的。郭继坤等[2-3]以煤矿井下双层塌方体为研究背景，建立了回波信号模型，通过分析直达波对目标信号的影响，提出了一种适用于矿井下的去除直达波的方法，以及研究了UWB信号在穿透矿井塌方体后生命特征探测的技术。综合国内外学者的研究表明，超宽带通信系统虽然有着高分辨特性和抗多径衰落等能力，但由于其自身传播距离受限，导致无法完成远距离生命信号的探测和井下人员的定位，以及井下多层塌方体的穿透。因此，笔者利用超宽带信号自身的优势与天线作为电磁波与无线电信号的传输和转化工具，对其设计和改进以提高超宽带无线通信系统的传播距离和穿透能力。

1 设计原理

为了设计出适用于煤矿井下的超宽带天线，首先要考虑的是描述天线转换电磁能量的能力大小和辐射性能好坏程度，而这些性能通常由以下性能指标所决定。

1.1 方向性

天线的方向性是衡量天线性能的一个重要的参考因素。它体现了超宽带天线辐射性能的优劣程度，在特定的频率上，天线辐射的方向性如图1所示。

图1 天线的辐射方向Fig. 1 Radiation direction of antenna

由图1可见，天线方向图中的波束通常分为主瓣和副瓣，彼此相互垂直。如果天线的主瓣宽度很窄，则天线具有很强的定向传输性能。因此，对于在矿井环境中设计天线，有必要观察方向图的主波束是否足够窄。

1.2 增益

天线增益是天线的重要性能参数。天线增益是指在输入功率相等的情况下，实际天线与理想辐射单元在空间上同一点所产生信号的功率密度之比。增益定量地描述了天线将电磁波集中辐射的能力。天线的增益与天线方向图密切相关。通常情况下，主瓣波束越窄，旁瓣波束越小，则天线的增益越高。它是用来表示天线发射性能的参量。天线的增益的表达式可以用下式表示：

G=η(1-|Γ|2)D，

(1)

式中 ：η——天线效率；

Γ——馈电端口的反射系数；

D——方向性因子。

当天线效率为100%时,天线增益G等于方向性因子D。

1.3 发射功率

根据GB 3836.1—2010《爆炸性环境 第1部分:设备通用要求》规定：井下设备射频天线的功率输出不应大于6 W[4]。因此，研究煤矿井下超宽带天线应该着重解决天线的最大发射功率要低于6 W的问题，要求超宽带天线应该具有较好的增益特性。

1.4 输入阻抗

将一个天线馈电端口的电压与电流进行比值，所得出的量为天线的输入阻抗

(2)

式中：Pin——输入功率；

Vin——输入电压；

Iin——输入电流；

Rin——输入电阻；

Xin——输入电抗。

天线设计中的一项重要任务是使天线的输入阻抗与标准馈线的特性阻抗相匹配。如果天线的输入阻抗与标准馈线的特性阻抗匹配，则可以获得更好的S11。天线的S11表示天线的回波损耗，一般通过矢量分析仪来看其损耗的dB值和阻抗特性。S11的值越大，则表示天线本身反射回来的能量越大，这样天线的发射效率越差。在超宽带的频段(3.1～10.6 GHz)范围内，S11的值如果在-10 dB以下，说明天线的损耗较小，基本可以在特定的频率内达到阻抗的匹配。

1.5 极化特性

天线极化是指在发射天线的最大辐射方向上无线电波随时间在空间中追踪电场矢量(端点)的轨迹。天线的极化分为线性极化、圆极化和椭圆极化三种。图2给出了圆偏振波的电场强度的矢量轨迹，其可以分为正交的左和右圆偏振。椭圆偏振波可以分解为两个旋转方向相反的圆偏振波[5]。接收天线的极化与入射波的一致性称为极化匹配。在矿井环境中，为了使天线实现点对点之间的定向通信，通常选择线极化的天线。

图2 圆极化波的电场强度Fig. 2 Electric field intensity of circular polarized wave

2 天线设计

2.1 八木天线

由于在矿难发生之后需要对被困人员做出精确的定位，需要选择具有高精度定位能力的定向天线作为基础天线。有一种端射式的天线，它主要由有源阵子、无源反射器以及若干个引向器所组成。这种天线称之为八木天线[6]。其结构组成如图3所示。采用这种结构，八木天线具有定向辐射的特性，较一般的天线有很高的增益。用它来测向、远距离通信效果特别好，但是一般的八木天线的体积较为庞大，将其直接应用于煤矿井下携带时十分不便，需要对其进行改进。

图3 八木天线结构组成Fig. 3 Yagi antenna structure composition

2.2 微带天线

在薄的介电基板上，将薄的金属贴片粘贴在一侧作为接收底板，通过光蚀刻在另一侧制作任意形状的金属贴片。 贴片通过微带线或同轴电缆供电，所制作出来的天线称为微带天线[7]。

图4为微带贴片天线的结构，其中辐射贴片的长度约为λ/2，λ为天线的波长。微带天线和常用微波天线相比，有如下优点：(1)重量比较轻，体积比较小，可以与大部分电路元器件相结合。(2)电性能的多样化，可以将不同设计的微带元件的最大辐射方向从边缘辐射调整为末端辐射，易获得各种极化。(3)易于集成， 它可以与有源设备和各种电路集成。

图4 微带贴片天线Fig. 4 Microstrip patch antenna

微带天线也存在着许多缺陷，带宽比较窄，一般说来，如果没有采取扩频措施，带宽的典型值仅 1%～5%，馈线损耗限制了它的孔径尺寸和增益[8]。与其他天线相比，微带天线的研究历史较短。经过近几十年的努力，它的一些缺陷正在逐步克服。采用新的介质材料和制作方法可以使它的频带宽度、功率容量、频率上限和应用范围都大大提高和扩展[9]。因此，结合以上微带天线的优缺点，将八木天线的形状和结构作为微带天线的辐射贴片，可以利用八木天线所具有的高增益和定向辐射特性等优点，设计出一种适用于煤矿井下的超宽带八木微带天线。

2.3 超宽带八木微带天线

文中设计了一种应用于煤矿井下的超宽带八木微带天线。近年来，作为近乎封闭的圆柱形波导布置结构的基片集成波导(Substrate integrated wave guide, SIW)已得到迅速发展和应用。其在超宽带频段的泄漏损耗和辐射损耗都很小。因此，在设计超宽带天线时，利用SIW[10]技术可以提供新的设计方法，将SIW技术与八木微带天线的设计思想相结合， 提出了一种新型的超宽带八木微带天线的设计方法。该天线以SIW为馈电端和辐射端，矩形介质基板的上下一对矩形金属贴片用作天线的导向器，电磁波的能量在SIW和导向器之间定向传输。这样的设计可以实现垂直极化的线性极化辐射特性。

天线的主要组件是金属化通孔、连接底板、微带线、SIW和两个导向器。介电基板的厚度为3 mm，介电常数为2.65，损耗角正切为0.000 9，天线的整体尺寸为40 mm×30 mm。第一个金属贴片构成有源阵子，两端连接着SIW。用来实现电磁波的辐射。与之相垂直的另一个矩形金属贴片的两侧设置了金属化通孔，构成了矩形微带馈线，与SMA[11]接头的内芯垂直连接。将截断的金属薄贴片作为接地板，从而构成反射器。引向器则由两对矩形金属贴片所构成，如图5所示，两对金属贴片在平xOy面的投影基本重合。引向器 2 和引向器 1 的形状基本相同，只是它们的长度和宽度有所差异。

图5 天线的三维视图Fig. 5 3D view of antenna

3 仿真结果与测试分析

一般矩形波导的主要模式是TE10模式，SIW的主要模式也是如此。 SIW的电场方向垂直于电介质基板的上表面和下表面，并且电介质基板的上表面和下表面之间的相位差为180°。通过仿真软件HFSS对天线的电场分布的仿真如图6所示。SIW在垂直于波导方向的截面中产生能量辐射。由于在层流孔中沿垂直方向的电场分布类似于SIW，因此电磁波的能量可以有效地集中并沿孔方向辐射，这也改善了SIW区域的阻抗匹配。在微带馈线的两端和顶端所设计的金属化通孔，限制了微带线电磁场辐射的分布区域，进一步改善了天线的阻抗匹配性能。

天线的正反面实物，如图7所示。采用HFSS对天线的模型图进行设计，验证其有效性。将此天线的实物进行了制作和加工，模拟和测量天线的S11参数以及E面和H面的方向图。图8给出了S11参数的变化曲线以及超宽带八木微带天线的增益仿真结果和测量结果。

图6 电场分布Fig. 6 Distribution of electric field

图7 天线的正反面实物Fig. 7 Front and back of antenna

从图8可以看出，S11小于-10 dB时，天线的工作频带为9.28～11.06 GHz，相对带宽为27.5%。天线在有效频带范围内的增益为5.31～6.04 dBi；图9给出了该天线的两种方向图的仿真和实际测量结果。方向图的仿真频率点和测试频率点均为10.1 GHz。

图8 增益的仿真与实测数据Fig. 8 Simulation and measured data of gain

图9 方向图仿真与实测Fig. 9 Simulation and measurement of direction

从图9可以看出，天线的主极化模式是垂直极化，电磁波的辐射模式是端射形式。方向图的前后比大于10 dB，天线的仿真结果基本接近实测结果。总体的性能基本满足煤矿井下超宽带天线的设计要求，可以作为应用于煤矿井下的超宽带天线。

4 结束语

针对煤矿井下超宽带无线通信系统应用于井下救援问题所存在的缺陷和需要解决的难题，通过分析煤矿井下超宽带天线的基本设计原理，设计了一种具有垂直极化辐射特性的超宽带八木微带天线，天线以SIW为辐射单元，双金属贴片构成引向器，实现了垂直极化端波束的辐射特性。仿真和实测结果表明，天线的工作频带为9.28～11.06 GHz，相对带宽为27.5%，增益稳定在5.31～6.04 dBi，仿真结果基本与实测结果相接近，验证了设计方法的有效性。该天线在矿井环境下不仅携带方便，而且基本可以满足煤矿井下超宽带天线的技术要求，为煤矿井环境下超宽带信号的发射和接收提供了硬件条件，同时对煤矿井下发生矿难时通过超宽带技术所采取的应急救援具有较高的应用价值。