小型化双向波束矿用定位终端天线设计

关键词：井下精确定位；超宽带；小型化双向波束天线；U 形单极子天线；U 形槽

中图分类号：TD655.3 文献标志码：A

0引言

煤矿井下精确定位系统一般采用超宽带（Ultra-Wide Band，UWB）技术，其具有定位距离远、定位误差小、成本低等优点[1-3]。考虑到接收效率与覆盖范围等影响，当前配套的定位标志卡、矿灯等小型化无线终端设备主要使用全向天线[4-7]。然而，煤矿井下为受限空间，井巷结构狭长且断面较小，电磁波被限制在巷道内部传播，传播特性近似于矩形波导，多径效应突出，传播损耗大，通信距离短[8-10]。相比于定向天线的单向辐射模式，全向天线虽然具有更宽的覆盖范围，但是巷道壁的信号反射严重，能量损失大，多径效应明显，信号耦合效率低[11]。双向天线通过引导天线波束沿径向两端辐射，可有效提高信号覆盖范围和天线耦合效率，削弱由巷道侧壁反射所带来的多径效应，更加适用于结构狭长、断面较小的煤矿井下巷道。

双向天线可由2 个背靠背的八木天线实现[12]。此外，将同相激励的偶极子组阵也可实现双向辐射[13]。文献[14]提出的Bruce 阵列采用同相磁流激励，具有高增益双向辐射特性。文献[15-16]将环形天线级联，设计了适用于煤矿巷道环境的双向辐射天线。上述天线均通过组阵方式形成端射/边射双向波束。煤矿应用环境对阵列天线的规模、尺寸、材质等都有特殊要求，一般的双向阵列天线原理和技术不能直接应用于井下无线终端设备。文献[17]提出了一种双向辐射的超宽带等角螺旋天线，其缺点是剖面过大，且天线增益偏低。文献[18]通过在有限大金属地板上开槽，激励出缝隙磁流辐射模式，以产生双向波束， 但其尺寸仍然偏大。文献[19]将2 个辐射贴片相对开槽地板背靠背排列，在水平面激励出了双向波束，其缺点是带宽过窄，无法满足井下UWB 精确定位系统对带宽的要求。

针对上述问题，本文设计了一种小型化双向波束矿用定位终端天线。通过布置2 个间距为λ/4（λ 为自由空间波长）的同相激励U 形单极子天线，实现双向边射波束辐射特性。此外，通过地板开槽的方式实现天线的小型化。该天线在保证整体结构紧凑的同时兼顾了净空区面积，天线模块占用电路板面积小，方便其他电路布局，适用于各类小型化人员定位终端设备。

1天线设计

1.1天线结构

小型化双向波束矿用定位终端天线由2 个U 形辐射振子、带有2 个U形槽的金属地板和馈电网络组成，并经由2 块FR−4 介质基板（相对介电常数为4.3， 损耗角正切为0.02）压合而成， 如图1 所示。xyz为基于天线形状构建的坐标系，H₁，H₂ 为介质基板厚度；S₁ 为两个单极子间距；S₂ 为两个U形槽间距；S₃ 为U 形槽与微带馈线间距；S₄ 为U形槽张口尺寸；G₁、G₂ 分别为介质基板的长与宽；W_f1-W_f3 为微带馈线的宽度；L_s1、L_s2 为U 形槽长度；La₁-L_a3为U 形单极子长度；W_s1为U形槽的宽度；W_a1-W_a4 为U形单极子宽度；g为U形单极子与地板间距。天线采用50Ω 微带线馈电，通过1个功分馈电网络经由金属通孔与U形辐射振子相连。天线尺寸参数见表1。

1.2双向波束原理

根据阵列天线理论，沿直线等距离排列的n 个等幅激励各向同性点源（图2），当阵因子达到最大值时，在远场所辐射的主瓣波束方向上，产生阵因子主瓣最大值所需相邻阵元之间的激励电流相移为[20]

1.3设计过程

当前矿井人员和UWB 定位系统中采用的主流UWB 芯片为DW1000， 其中心工作频率包括3.5，4.0， 4.5， 6.5 GHz。为了有效提升传输距离，降低与5G、WiFi6 等通信系统频段间的相互干扰，并减少基站部署数量及系统整体成本，目前矿用UWB 频段多为3.7～4.2 GHz[21]。参照现有各类基于UWB 技术的矿用定位终端设备尺寸规格，并鉴于此类设备小型化及便携性的发展趋势，其搭载的终端定位天线亦需具备尺寸小、结构简单及易于集成等特性。

天线设计过程如图3 所示。

将单极子作为基本天线单元， 搭载于一块25 mm×25 mm 的FR−4 介质基板上， 记为天线Ⅰ（图3（a））。为了缩小天线尺寸，节约净空区面积并拓展带宽，天线采用U 形弯折结构，其总长度约为λ/4（4.1 GHz），其各枝节长度与宽度在尽可能保证较低净空区高度前提下，借助全波电磁仿真软件CSTStudio Suite 2018 进行建模分析并优化。受限于较小的地板尺寸（0.33λ× 0.24λ），天线Ⅰ的阻抗匹配较差，反射系数较大。为了实现边射双向波束，将U 形单极子在x 轴方向平移约λ/4（17 mm）并镜像复制，得到天线Ⅱ（图3（b））。

对2个U形单极子单元施加等幅同相激励，得到沿±z 轴方向辐射的双向波束。其反射系数如图4所示。受益于U 形单极子在x 轴方向的平移，辐射臂相对于金属地板不再呈中心对称，因此天线带宽得到了拓宽，−10 dB 相对带宽达25%。此外，由于2 个天线间距较近，相互耦合强烈，天线Ⅱ的工作频点向高频发生了偏移。

为了降低天线Ⅱ的工作频率，且不扩大单极子振子臂及金属地板的尺寸，在金属地板上开设2 个对称的U 形槽，得到天线Ⅲ（图3（c））。U 形槽初始总长度约为λ/4（4.1 GHz），借助全波电磁仿真软件进行调谐，从而起到降低天线Ⅱ谐振频率的效果。

天线Ⅱ和天线Ⅲ工作时表面电流分布如图5 所示。通过在地板上引入U 形槽，在槽缝处形成了额外的缝隙耦合电流，相较于天线Ⅱ，天线Ⅲ的地板电流路径得到了延长，从而有效降低了天线工作频点。

结合图4 可知，增加U 形槽后，天线工作频点降至4 GHz，带宽相比天线Ⅱ有所减小，但仍能有效覆盖当前矿用UWB 频段（3.7～4.2 GHz）。需要指出的是，天线Ⅱ与Ⅲ中天线单元均由离散端口单独馈电，因此图4 所示为天线Ⅱ与Ⅲ的有源反射系数。

最后，以天线Ⅲ为基础，设计了一个等幅同相功分馈电网络，用于给2 个U 形单极子天线馈电，记作天线Ⅳ（图3（d） ）。天线Ⅳ的中心频点为4.1 GHz，−10 dB 带宽为3.6～4.6 GHz。

2仿真分析

天线3D 远场辐射方向图、2D 远场辐射方向图分别如图6、图7 所示。可看出二元边射阵在±z 轴方向实现了双向辐射波束，远场辐射方向图关于xoy 平面对称。E 面（yoz 面） 1 dB 波束宽度为56°，H 面（xoz 面）1 dB 波束宽度为70°。

二元边射阵峰值增益随频率变化的仿真结果如图8 所示。可看出在3.6～4.6 GHz 频段范围内，天线的峰值增益范围为2.2～2.5 dBi，体现出良好的幅频响应。

3实测结果及分析

天线实物由3 层金属经由2 块FR−4 介质基板按图1（a） 所示顺序压合而成， 制备样品如图9 所示。其中上层介质基板厚度为0.45 mm，下层介质基板厚度为0.2 mm，从上至下分别为U 形辐射臂、金属地板、馈电网络。天线整体尺寸为0.3λ×0.3λ×0.01λ（长×宽×高），净空区尺寸为0.3λ×0.1λ（长×宽）。

天线由一个50 Ω 的SMA 接头馈电，并通过矢量网络分析仪Keysight E5063A 测量反射系数，结果如图10 所示。可看出天线实测−10 dB 阻抗带宽为3.52～4.65 GHz，与仿真结果基本吻合。二者的偏差主要源于FR−4 介质基板的介电常数波动及SMA 接头焊接所引起的阻抗失配。

在Satimo SG 24 探针近场微波暗室中进行天线方向图测试，结果如图11 所示。在工作中心频点附近（4 GHz），天线实测E 面（yoz 面）1 dB 波束宽度为53°，H 面（xoz 面）1 dB 波束宽度为64°。

峰值增益−频率仿真与实测结果对比如图12 所示。可看出仿真与实测结果基本相符， 在3.6～4.6 GHz 频段内，天线峰值增益范围为2.1～2.45 dBi。

实测天线的−10dB 带宽为1000 MHz （3.6～4.6 GHz），可有效覆盖基于UWB 的煤矿井下人员精确定位系统的工作频段（3.7～4.2 GHz）。

4结语

设计了一种小型化双向波束矿用定位终端天线，以U 形单极子天线为基础，通过布置2 个间距为λ/4 的等幅同相激励阵元，实现了双向边射波束辐射特性。天线实测与仿真结果吻合良好， 在3.6～4.6 GHz 频段内，天线峰值增益范围为2.1～2.45 dBi；天线的−10 dB 带宽为1 000 MHz （3.6～4.6 GHz），可有效覆盖基于UWB 的煤矿井下人员精确定位系统的工作频段。该天线具有结构紧凑、净空区面积小、成本低廉等优点，适用于各类小型化人员定位终端设备，具有很好的潜在应用价值。