礦井UWB 定位系統(tǒng)中圓極化天線的優(yōu)化設計和應用

鞠晨

（國家能源集團神東煤炭集團公司，陜西 榆林 719315）

0 引言

超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）技術具有窄脈沖、高帶寬、隱蔽性好、功耗低、傳輸速率高、多徑分辨力強、穿透能力強等優(yōu)點。因此，UWB 技術在雷達系統(tǒng)、通信、軍事應用等領域受到越來越多的關注。特別是自2002 年美國聯(lián)邦通信委員會（Federal Communications Commission，F(xiàn)CC）將3.1～10.6 GHz 頻段向民用通信領域開放以來，UWB 技術越來越多地應用于礦井、隧道和室內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)因為脈沖信號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，礦井內狹窄封閉空間環(huán)境造成的多徑效應，是礦井UWB 定位系統(tǒng)必須解決的關鍵技術難題。要有效抑制多徑效應，就需要對礦井UWB 定位系統(tǒng)進行不斷優(yōu)化和改進，而天線是礦井UWB 定位系統(tǒng)的重要組成部分[7]，因此需要對礦井UWB 定位系統(tǒng)的天線部分進行優(yōu)化和改進。

礦井UWB 定位系統(tǒng)一般使用線極化天線作為收發(fā)天線，對于物理上接收到的多徑反射信號隔離能力較差。圓極化波經(jīng)過地面、巷道壁等多徑反射后會發(fā)生旋向逆轉，具有旋向正交性的圓極化天線能隔離這些旋向相反的多徑反射信號。因此，在礦井UWB 定位系統(tǒng)中使用圓極化天線可有效抑制多徑效應[8]。為了抑制礦井UWB 定位系統(tǒng)接收到多徑反射信號，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。

1 圓極化天線

一般采用軸比和交叉極化電平分別表征圓極化天線的圓極化純度和旋向純度。軸比越小，則越接近標準圓極化；交叉極化電平是2 個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，則圓極化天線對旋向相反的多徑反射信號的抑制能力越強。能產生圓極化波的經(jīng)典微帶天線有圓形、矩形、橢圓形、開槽、擾動、切角等天線，如圖1 所示[9-13]。

圖1 常用的圓極化微帶天線構造方式Fig.1 Construction mode of commonly used circularly polarized microstrip antenna

圓極化天線分為左旋圓極化天線和右旋圓極化天線，這2 種天線對抑制礦井UWB 定位系統(tǒng)接收多徑反射信號的效果相同，本文以右旋圓極化天線為例進行分析。若采用傳統(tǒng)的基于正面微帶線饋電方式的圓形開槽貼片天線設計方法（圖1（c））設計右旋圓極化微帶天線，則微帶線的電流輻射會對天線有較大影響，因此對饋電方式進行改進，由正面微帶線直接饋電改為背部饋電。傳統(tǒng)右旋圓極化天線結構如圖2 所示，天線采用3 層貼片結構，50 Ω 微帶線位于天線背面，通過VIA 孔將信號饋入天線正面圓形貼片的特定位置，微帶饋線和貼片天線之間用接地平面進行隔離。通過這種方式可將饋電網(wǎng)絡對天線輻射的影響降低到最小。

圖2 傳統(tǒng)右旋圓極化天線結構Fig.2 Structure of conventional right-handed circularly polarized antenna

通過HFSS 軟件進行仿真驗證[14]，可得傳統(tǒng)右旋圓極化天線在4 GHz 中心頻率上E 面（電面）、H 面（磁面）的軸比曲線和交叉極化增益方向，分別如圖3 和圖4 所示。可看出傳統(tǒng)右旋圓極化天線雖然達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)右旋圓極化天線在抑制多徑效應上并沒有很突出的優(yōu)勢，難以滿足礦井UWB 定位系統(tǒng)較高的抗多徑效應需求。

圖3 傳統(tǒng)右旋圓極化天線E 面、H 面軸比曲線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設計

針對傳統(tǒng)右旋圓極化天線軸比高、交叉極化電平低、旋向純度不高等問題，本文設計了新型右旋圓極化微帶天線。從傳統(tǒng)右旋圓極化天線出發(fā)，先將矩形開槽改為十字開槽，改變電流軌跡，使兩正交線性極化電場的相差更接近90°，從而降低軸比，使天線的圓極化純度更高。之后，將十字開槽平滑擴展為菱形開槽，達到提高交叉極化電平、抑制正交旋向的效果，使天線實現(xiàn)更高的右旋圓極化純度。天線演化過程如圖5 所示。

圖5 天線演化過程Fig.5 Antenna evolution process

新型右旋圓極化微帶天線結構如圖6 所示。天線制作在長為L、寬為W的3 層聚四氟乙烯環(huán)氧樹脂基板上，基板相對介電常數(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 微帶線線寬為 ω。正面圓形貼片半徑為R，饋電點位置位于圓形貼片豎直中線上距離圓心a處。菱形開槽長對角線長度為La，短對角線長度為Lb。經(jīng)優(yōu)化后的新型右旋圓極化微帶天線參數(shù)見表1。

圖6 新型右旋圓極化微帶天線結構Fig.6 Structure of novel right-handed circularly polarized microstrip antenna

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

3 仿真結果及分析

在HFSS 軟件中對新型右旋圓極化微帶天線進行仿真模擬，得到4 GHz 中心頻率下的E 面、H 面軸比曲線，并與傳統(tǒng)右旋圓極化天線進行對比，如圖7所示?？煽闯鲂滦陀倚龍A極化微帶天線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和傳統(tǒng)右旋圓極化天線E 面、H 面軸比曲線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正面（即逆著主輻射方向）看去，在1 個信號變化周期中輻射電場極化旋轉方向的變化如圖9 所示，可以很直觀地看到電場右旋圓極化的動態(tài)效果。

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

4 實測結果

根據(jù)表1 參數(shù)進行實際加工，制成的新型右旋圓極化微帶天線樣品實物如圖10 所示。在加工過程中，加工誤差、介質基板相對介電常數(shù)等都會影響實際樣品的性能[15]。用矢量網(wǎng)絡分析儀對天線的端口回波性能進行測試，將得到的實測曲線和HFSS 軟件得到的仿真曲線進行對比，如圖11 所示?？煽闯鰧崪y的工作頻帶和回波同仿真結果略有偏差，但整體基本相當，說明該新型天線結構易于加工且正常容差內的工藝偏差對天線性能的影響程度相對較小。

圖10 新型右旋圓極化微帶天線實物Fig.10 Material object of novel right-handed circularly polarized microstrip antenna

圖11 仿真和實測回波曲線對比Fig.11 Comparison between simulated and measured echo curves

在基于到達相位差[16]的UWB 定位系統(tǒng)中，分別使用傳統(tǒng)線極化天線和本文設計的新型右旋圓極化微帶天線，在隧道環(huán)境下進行實地測試，現(xiàn)場測試環(huán)境如圖12 所示。

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

通過測試過程中記錄的數(shù)據(jù)，可直觀看到不同類型天線對于到達相位差穩(wěn)定性的影響，如圖13 所示?？煽闯鍪褂脗鹘y(tǒng)線極化天線時，到達相位差正負跳變頻繁，很不穩(wěn)定；而使用本文設計的新型右旋圓極化微帶天線后，到達相位差正負跳變明顯減少，到達相位差的穩(wěn)定性有明顯提高。這充分表明新型圓極化微帶天線對隧道環(huán)境中的多徑效應起到了顯著的抑制作用，有效提高了接收信號的穩(wěn)定性。

圖13 使用傳統(tǒng)線極化天線和新型右旋圓極化微帶天線時到達相位差對比曲線Fig.13 Comparison curves of phase difference of arrival when using conventional linearly polarized antenna and novel right-handed circularly polarized microstrip antenna

5 結語

通過對傳統(tǒng)圓極化天線的結構改進，設計了一種新型右旋圓極化微帶天線，通過優(yōu)化開槽和饋電方式實現(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具有體積小、質量輕、易于制作等優(yōu)點。經(jīng)過HFSS 軟件仿真模擬，主輻射方向交叉極化電平＞10.4 dBi，可以達到很好的右旋圓極化效果。新型右旋圓極化微帶天線樣品的工作頻帶和回波實測結果同仿真結果基本吻合，受工藝偏差影響小。將制作的新型右旋圓極化微帶天線樣品用于基于到達相位差的UWB 定位系統(tǒng)，并在隧道環(huán)境下進行現(xiàn)場測試，實測得到的到達相位差穩(wěn)定性有明顯改善，對多徑效應的抑制效果顯著，可以有效提高UWB 定位系統(tǒng)的定位精度。