郭繼坤， 靳宇航

(黑龍江科技大學 電子與信息工程學院, 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被應用于礦井下的無線通信系統(tǒng)當中，但是，國內外對于超寬帶技術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]，綜合各項仿真數據得出結論，超寬帶雷達應用于礦井下時，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。綜合國內外學者的研究表明，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化工具，對其設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 設計原理

為了設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。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。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；

?！侂姸丝诘姆瓷湎禂?；

D——方向性因子。

當天線效率為100%時,天線增益G等于方向性因子D。

1.3 發(fā)射功率

根據GB 3836.1—2010《爆炸性環(huán)境 第1部分:設備通用要求》規(guī)定：井下設備射頻天線的功率輸出不應大于6 W[4]。因此，研究煤礦井下超寬帶天線應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。

天線設計中的一項重要任務是使天線的輸入阻抗與標準饋線的特性阻抗相匹配。如果天線的輸入阻抗與標準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，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]。其結構組成如圖3所示。采用這種結構，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 八木天線結構組成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作為接收底板，通過光蝕刻在另一側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構，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合。(2)電性能的多樣化，可以將不同設計的微帶元件的最大輻射方向從邊緣輻射調整為末端輻射，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、頻率上限和應用范圍都大大提高和擴展[9]。因此，結合以上微帶天線的優(yōu)缺點，將八木天線的形狀和結構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

文中設計了一種應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布置結構的基片集成波導(Substrate integrated wave guide, SIW)已得到迅速發(fā)展和應用。其在超寬帶頻段的泄漏損耗和輻射損耗都很小。因此，在設計超寬帶天線時，利用SIW[10]技術可以提供新的設計方法，將SIW技術與八木微帶天線的設計思想相結合， 提出了一種新型的超寬帶八木微帶天線的設計方法。該天線以SIW為饋電端和輻射端，矩形介質基板的上下一對矩形金屬貼片用作天線的導向器，電磁波的能量在SIW和導向器之間定向傳輸。這樣的設計可以實現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和兩個導向器。介電基板的厚度為3 mm，介電常數為2.65，損耗角正切為0.000 9，天線的整體尺寸為40 mm×30 mm。第一個金屬貼片構成有源陣子，兩端連接著SIW。用來實現電磁波的輻射。與之相垂直的另一個矩形金屬貼片的兩側設置了金屬化通孔，構成了矩形微帶饋線，與SMA[11]接頭的內芯垂直連接。將截斷的金屬薄貼片作為接地板，從而構成反射器。引向器則由兩對矩形金屬貼片所構成，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 仿真結果與測試分析

一般矩形波導的主要模式是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基板的上表面和下表面，并且電介質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在垂直于波導方向的截面中產生能量輻射。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S11參數以及E面和H面的方向圖。圖8給出了S11參數的變化曲線以及超寬帶八木微帶天線的增益仿真結果和測量結果。

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據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，天線的仿真結果基本接近實測結果。總體的性能基本滿足煤礦井下超寬帶天線的設計要求，可以作為應用于煤礦井下的超寬帶天線。

4 結束語

針對煤礦井下超寬帶無線通信系統(tǒng)應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計原理，設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，雙金屬貼片構成引向器，實現了垂直極化端波束的輻射特性。仿真和實測結果表明，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，仿真結果基本與實測結果相接近，驗證了設計方法的有效性。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所采取的應急救援具有較高的應用價值。