鞠晨

（國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)公司，陜西 榆林 719315）

0 引言

超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）技術(shù)具有窄脈沖、高帶寬、隱蔽性好、功耗低、傳輸速率高、多徑分辨力強(qiáng)、穿透能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。因此，UWB 技術(shù)在雷達(dá)系統(tǒng)、通信、軍事應(yīng)用等領(lǐng)域受到越來(lái)越多的關(guān)注。特別是自2002 年美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（Federal Communications Commission，F(xiàn)CC）將3.1～10.6 GHz 頻段向民用通信領(lǐng)域開(kāi)放以來(lái)，UWB 技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用于礦井、隧道和室內(nèi)等封閉空間定位通信等，日益展現(xiàn)出其優(yōu)越性能[1-6]。

雖然礦井UWB 定位系統(tǒng)因?yàn)槊}沖信號(hào)占空比低而降低了碼間干擾，在一定程度上提高了多徑分辨能力，但井下惡劣環(huán)境使得多徑效應(yīng)成為了影響礦井UWB 定位系統(tǒng)定位精度的重要因素之一。因此，礦井內(nèi)狹窄封閉空間環(huán)境造成的多徑效應(yīng)，是礦井UWB 定位系統(tǒng)必須解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。要有效抑制多徑效應(yīng)，就需要對(duì)礦井UWB 定位系統(tǒng)進(jìn)行不斷優(yōu)化和改進(jìn)，而天線(xiàn)是礦井UWB 定位系統(tǒng)的重要組成部分[7]，因此需要對(duì)礦井UWB 定位系統(tǒng)的天線(xiàn)部分進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。

礦井UWB 定位系統(tǒng)一般使用線(xiàn)極化天線(xiàn)作為收發(fā)天線(xiàn)，對(duì)于物理上接收到的多徑反射信號(hào)隔離能力較差。圓極化波經(jīng)過(guò)地面、巷道壁等多徑反射后會(huì)發(fā)生旋向逆轉(zhuǎn)，具有旋向正交性的圓極化天線(xiàn)能隔離這些旋向相反的多徑反射信號(hào)。因此，在礦井UWB 定位系統(tǒng)中使用圓極化天線(xiàn)可有效抑制多徑效應(yīng)[8]。為了抑制礦井UWB 定位系統(tǒng)接收到多徑反射信號(hào)，提高礦井UWB 定位系統(tǒng)的定位精度，有必要研發(fā)適用于礦井UWB 定位系統(tǒng)的圓極化天線(xiàn)。

1 圓極化天線(xiàn)

一般采用軸比和交叉極化電平分別表征圓極化天線(xiàn)的圓極化純度和旋向純度。軸比越小，則越接近標(biāo)準(zhǔn)圓極化；交叉極化電平是2 個(gè)旋向增益方向圖之間的差值，交叉極化電平越高，則旋向越純凈。因此，軸比越小、交叉極化電平越高，則圓極化天線(xiàn)對(duì)旋向相反的多徑反射信號(hào)的抑制能力越強(qiáng)。能產(chǎn)生圓極化波的經(jīng)典微帶天線(xiàn)有圓形、矩形、橢圓形、開(kāi)槽、擾動(dòng)、切角等天線(xiàn)，如圖1 所示[9-13]。

圖1 常用的圓極化微帶天線(xiàn)構(gòu)造方式Fig.1 Construction mode of commonly used circularly polarized microstrip antenna

圓極化天線(xiàn)分為左旋圓極化天線(xiàn)和右旋圓極化天線(xiàn)，這2 種天線(xiàn)對(duì)抑制礦井UWB 定位系統(tǒng)接收多徑反射信號(hào)的效果相同，本文以右旋圓極化天線(xiàn)為例進(jìn)行分析。若采用傳統(tǒng)的基于正面微帶線(xiàn)饋電方式的圓形開(kāi)槽貼片天線(xiàn)設(shè)計(jì)方法（圖1（c））設(shè)計(jì)右旋圓極化微帶天線(xiàn)，則微帶線(xiàn)的電流輻射會(huì)對(duì)天線(xiàn)有較大影響，因此對(duì)饋電方式進(jìn)行改進(jìn)，由正面微帶線(xiàn)直接饋電改為背部饋電。傳統(tǒng)右旋圓極化天線(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖2 所示，天線(xiàn)采用3 層貼片結(jié)構(gòu)，50 Ω 微帶線(xiàn)位于天線(xiàn)背面，通過(guò)VIA 孔將信號(hào)饋入天線(xiàn)正面圓形貼片的特定位置，微帶饋線(xiàn)和貼片天線(xiàn)之間用接地平面進(jìn)行隔離。通過(guò)這種方式可將饋電網(wǎng)絡(luò)對(duì)天線(xiàn)輻射的影響降低到最小。

圖2 傳統(tǒng)右旋圓極化天線(xiàn)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of conventional right-handed circularly polarized antenna

通過(guò)HFSS 軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證[14]，可得傳統(tǒng)右旋圓極化天線(xiàn)在4 GHz 中心頻率上E 面（電面）、H 面（磁面）的軸比曲線(xiàn)和交叉極化增益方向，分別如圖3 和圖4 所示?？煽闯鰝鹘y(tǒng)右旋圓極化天線(xiàn)雖然達(dá)到了右旋圓極化的效果，但在主輻射方向附近的軸比數(shù)值均較高，因而圓極化純度較差；傳統(tǒng)右旋圓極化天線(xiàn)在主輻射方向上的交叉極化電平僅為4.8 dBi 左右，旋向純度不高。因此，傳統(tǒng)右旋圓極化天線(xiàn)在抑制多徑效應(yīng)上并沒(méi)有很突出的優(yōu)勢(shì)，難以滿(mǎn)足礦井UWB 定位系統(tǒng)較高的抗多徑效應(yīng)需求。

圖3 傳統(tǒng)右旋圓極化天線(xiàn)E 面、H 面軸比曲線(xiàn)Fig.3 Axial ratio curves of E-plane and H-plane of conventional right-handed circularly polarized antenna

圖4 傳統(tǒng)右旋圓極化天線(xiàn)E 面、H 面交叉極化增益方向Fig.4 Cross-polarization gain direction of E-plane and H-plane of conventional right-handed circularly polarized antenna

2 新型右旋圓極化微帶天線(xiàn)設(shè)計(jì)

針對(duì)傳統(tǒng)右旋圓極化天線(xiàn)軸比高、交叉極化電平低、旋向純度不高等問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了新型右旋圓極化微帶天線(xiàn)。從傳統(tǒng)右旋圓極化天線(xiàn)出發(fā)，先將矩形開(kāi)槽改為十字開(kāi)槽，改變電流軌跡，使兩正交線(xiàn)性極化電場(chǎng)的相差更接近90°，從而降低軸比，使天線(xiàn)的圓極化純度更高。之后，將十字開(kāi)槽平滑擴(kuò)展為菱形開(kāi)槽，達(dá)到提高交叉極化電平、抑制正交旋向的效果，使天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)更高的右旋圓極化純度。天線(xiàn)演化過(guò)程如圖5 所示。

圖5 天線(xiàn)演化過(guò)程Fig.5 Antenna evolution process

新型右旋圓極化微帶天線(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖6 所示。天線(xiàn)制作在長(zhǎng)為L(zhǎng)、寬為W的3 層聚四氟乙烯環(huán)氧樹(shù)脂基板上，基板相對(duì)介電常數(shù)為 εr，上層基板厚度為h1，下層基板厚度為h2，頂層銅厚t1，中間層銅厚t2，底層銅厚t3，50 Ω 微帶線(xiàn)線(xiàn)寬為 ω。正面圓形貼片半徑為R，饋電點(diǎn)位置位于圓形貼片豎直中線(xiàn)上距離圓心a處。菱形開(kāi)槽長(zhǎng)對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度為L(zhǎng)a，短對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度為L(zhǎng)b。經(jīng)優(yōu)化后的新型右旋圓極化微帶天線(xiàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖6 新型右旋圓極化微帶天線(xiàn)結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of novel right-handed circularly polarized microstrip antenna

表1 新型右旋圓極化微帶天線(xiàn)參數(shù)Table 1 Parameters of novel right-handed circularly polarized microstrip antenna

3 仿真結(jié)果及分析

在HFSS 軟件中對(duì)新型右旋圓極化微帶天線(xiàn)進(jìn)行仿真模擬，得到4 GHz 中心頻率下的E 面、H 面軸比曲線(xiàn)，并與傳統(tǒng)右旋圓極化天線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示?？煽闯鲂滦陀倚龍A極化微帶天線(xiàn)在主輻射方向附近的軸比有明顯改善，其圓極化純度得到明顯提高。

圖7 新型右旋圓極化微帶天線(xiàn)和傳統(tǒng)右旋圓極化天線(xiàn)E 面、H 面軸比曲線(xiàn)Fig.7 Axial ratio curves of E-plane and H-plane of novel righthanded circularly polarized microstrip antenna and conventional right-handed circularly polarized antenna

新型右旋圓極化微帶天線(xiàn)仿真模擬得到的E 面、H 面交叉極化增益方向如圖8 所示?？煽闯鲈谥鬏椛浞较蛏?，新型右旋圓極化微帶天線(xiàn)的交叉極化電平增加到了10.4 dBi 以上，和傳統(tǒng)右旋圓極化天線(xiàn)4.8 dBi 的交叉極化電平相比有顯著改善，大幅提高了右旋圓極化旋向純度。

圖8 新型右旋圓極化微帶天線(xiàn)E 面、H 面交叉極化增益方向Fig.8 Cross-polarization gain direction of E-plane and H-plane of novel right-handed circularly polarized microstrip antenna

向新型右旋圓極化微帶天線(xiàn)正面（即逆著主輻射方向）看去，在1 個(gè)信號(hào)變化周期中輻射電場(chǎng)極化旋轉(zhuǎn)方向的變化如圖9 所示，可以很直觀(guān)地看到電場(chǎng)右旋圓極化的動(dòng)態(tài)效果。

圖9 新型右旋圓極化微帶天線(xiàn)輻射電場(chǎng)的極化旋轉(zhuǎn)效果Fig.9 Polarization rotation effect of radiated electric field of novel right-handed circularly polarized microstrip antenna

4 實(shí)測(cè)結(jié)果

根據(jù)表1 參數(shù)進(jìn)行實(shí)際加工，制成的新型右旋圓極化微帶天線(xiàn)樣品實(shí)物如圖10 所示。在加工過(guò)程中，加工誤差、介質(zhì)基板相對(duì)介電常數(shù)等都會(huì)影響實(shí)際樣品的性能[15]。用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)天線(xiàn)的端口回波性能進(jìn)行測(cè)試，將得到的實(shí)測(cè)曲線(xiàn)和HFSS 軟件得到的仿真曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比，如圖11 所示?？煽闯鰧?shí)測(cè)的工作頻帶和回波同仿真結(jié)果略有偏差，但整體基本相當(dāng)，說(shuō)明該新型天線(xiàn)結(jié)構(gòu)易于加工且正常容差內(nèi)的工藝偏差對(duì)天線(xiàn)性能的影響程度相對(duì)較小。

圖10 新型右旋圓極化微帶天線(xiàn)實(shí)物Fig.10 Material object of novel right-handed circularly polarized microstrip antenna

圖11 仿真和實(shí)測(cè)回波曲線(xiàn)對(duì)比Fig.11 Comparison between simulated and measured echo curves

在基于到達(dá)相位差[16]的UWB 定位系統(tǒng)中，分別使用傳統(tǒng)線(xiàn)極化天線(xiàn)和本文設(shè)計(jì)的新型右旋圓極化微帶天線(xiàn)，在隧道環(huán)境下進(jìn)行實(shí)地測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試環(huán)境如圖12 所示。

圖12 隧道實(shí)地測(cè)試環(huán)境Fig.12 Tunnel field test environment

通過(guò)測(cè)試過(guò)程中記錄的數(shù)據(jù)，可直觀(guān)看到不同類(lèi)型天線(xiàn)對(duì)于到達(dá)相位差穩(wěn)定性的影響，如圖13 所示。可看出使用傳統(tǒng)線(xiàn)極化天線(xiàn)時(shí)，到達(dá)相位差正負(fù)跳變頻繁，很不穩(wěn)定；而使用本文設(shè)計(jì)的新型右旋圓極化微帶天線(xiàn)后，到達(dá)相位差正負(fù)跳變明顯減少，到達(dá)相位差的穩(wěn)定性有明顯提高。這充分表明新型圓極化微帶天線(xiàn)對(duì)隧道環(huán)境中的多徑效應(yīng)起到了顯著的抑制作用，有效提高了接收信號(hào)的穩(wěn)定性。

圖13 使用傳統(tǒng)線(xiàn)極化天線(xiàn)和新型右旋圓極化微帶天線(xiàn)時(shí)到達(dá)相位差對(duì)比曲線(xiàn)Fig.13 Comparison curves of phase difference of arrival when using conventional linearly polarized antenna and novel right-handed circularly polarized microstrip antenna

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)圓極化天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種新型右旋圓極化微帶天線(xiàn)，通過(guò)優(yōu)化開(kāi)槽和饋電方式實(shí)現(xiàn)了軸比的大幅度降低和交叉極化電平的顯著提高。該新型右旋圓極化微帶天線(xiàn)具有體積小、質(zhì)量輕、易于制作等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)HFSS 軟件仿真模擬，主輻射方向交叉極化電平＞10.4 dBi，可以達(dá)到很好的右旋圓極化效果。新型右旋圓極化微帶天線(xiàn)樣品的工作頻帶和回波實(shí)測(cè)結(jié)果同仿真結(jié)果基本吻合，受工藝偏差影響小。將制作的新型右旋圓極化微帶天線(xiàn)樣品用于基于到達(dá)相位差的UWB 定位系統(tǒng)，并在隧道環(huán)境下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，實(shí)測(cè)得到的到達(dá)相位差穩(wěn)定性有明顯改善，對(duì)多徑效應(yīng)的抑制效果顯著，可以有效提高UWB 定位系統(tǒng)的定位精度。