基于北斗的窖井井蓋全向天線設(shè)計(jì)

摘要：基于北斗的地下管網(wǎng)及窖井井蓋監(jiān)控是實(shí)施城市安全和智慧城市的重要手段，目前存在著監(jiān)測系統(tǒng)中天線受井蓋影響大、安裝困難、接收性能差等問題。本文針對上述問題設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于北斗B1和GPSL1頻段的方形圓極化微帶天線，克服目前窖井井蓋特殊環(huán)境北斗天線安裝困難、頻帶窄、易受干擾等缺點(diǎn)。采用ANSOFT HFSS軟件進(jìn)行天線性能仿真，仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的井蓋北斗天線有效中心頻率為1568MHz，電壓駐波比小于1.5，波束寬度GPSL1頻段為1575.42±1.023MHz，北斗B1頻段為1561.42±2.048MHz，符合地下管網(wǎng)及窖井井蓋監(jiān)測的實(shí)際應(yīng)用要求。

引言

　　城市地下管線深埋于地下，通過窖井井蓋進(jìn)行日常維護(hù)。窖井井蓋數(shù)量多，而且缺乏有效的實(shí)時監(jiān)控及管理手段，會經(jīng)常出現(xiàn)井蓋吃人、巡查繁復(fù)等情況，基于北斗的窖井井蓋遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)可以實(shí)時檢測到井蓋的狀態(tài)信息。在監(jiān)測系統(tǒng)中，天線作為至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，其性能的優(yōu)劣往往是決定整個北斗定位及應(yīng)用成敗的關(guān)鍵。本文針對目前窖井井蓋監(jiān)測中微帶天線引起的低仰角增益、頻帶寬度與天線體積等問題，設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于北斗B1和GPSL1頻段的方形圓極化微帶天線。

1 北斗天線設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)計(jì)要求

　　在基于北斗的地下管網(wǎng)及窖井井蓋監(jiān)測系統(tǒng)中，由于窖井井蓋天線受到窖井周圍特殊工作環(huán)境對天線性能的影響比較大，因此，當(dāng)對窖井井蓋天線的建模越接近于工作的實(shí)際環(huán)境時，就能更精確地預(yù)測其工作特性。受窖井井蓋內(nèi)部空間及井蓋材料的限制，北斗天線必須要具有360°全方位覆蓋能力來適應(yīng)載體窖井井蓋帶來天線指向變化;同時，為保證可靠的通信能力，要求北斗天線必須能夠達(dá)到一定的增益。

1.2 窖井井蓋北斗天線的設(shè)計(jì)

　　本文根據(jù)窖井井蓋北斗天線的設(shè)計(jì)要求，基于微帶天線輻射原理，設(shè)計(jì)的方形圓極化微帶天線應(yīng)用于北B1和GPSL1頻段，介質(zhì)板采用厚度h=1.6mm的Arlon AD450板，相對介電常數(shù)=4.5，采用探針對微帶貼片進(jìn)行饋電。北斗接收天線和GPS天線采用右旋圓極化。本設(shè)計(jì)采用偏心饋電，通過添加徑向帶線實(shí)現(xiàn)簡并分離元，另外徑向帶線可以改善微帶天線低仰角的增益。

　　模型如圖1所示，主要的參數(shù)包括輻射貼片的邊長L，介質(zhì)層的厚度h，介質(zhì)的相對常數(shù)，損耗正切tanδ，介質(zhì)層的長度B和寬度H以及饋電點(diǎn)參數(shù)。

　　矩形貼片的有效長度Le：

L_e=λ_g /2 (1)

　　導(dǎo)波波長λg：

(2)

　　(c:真空中的光速;f₀：天線的工作頻率;ΔL：等效輻射縫隙的長度)

　　矩形貼片的寬度W：

(6)

　　對于同軸線饋電微帶貼片天線來說，坐標(biāo)原點(diǎn)位于微帶貼片的中心點(diǎn)，以(x_f，y_f)來表示饋電點(diǎn)的坐標(biāo)，則饋電點(diǎn)的相關(guān)計(jì)算方式為：

　　將C=3×10⁸m/s，f₀=1.568×10⁹Hz，=4.5代入，可以算出輻射貼片的寬度以及饋電點(diǎn)的位置。

1.3 窖井井蓋天線工作指標(biāo)要求

　　在對基于北斗窖井井蓋遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)中天線的功能及設(shè)計(jì)需要進(jìn)行分析后，并結(jié)合天線的工作環(huán)境和安裝結(jié)構(gòu)等，得到了窖井井蓋北斗天線工作性能要求，如表1所示。

2 井蓋狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

　　井蓋狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)包括井蓋監(jiān)測中心和井蓋節(jié)點(diǎn)中心兩個部分組成。其中井蓋節(jié)點(diǎn)中心由北斗定位模塊、位移傳感器、無線傳輸模塊、節(jié)點(diǎn)控制模塊和節(jié)點(diǎn)電源模塊組成。井蓋監(jiān)測中心由上位機(jī)、主站控制模塊、主站擴(kuò)頻傳輸模塊、外置天線和主站電源模塊組成。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

　　井蓋節(jié)點(diǎn)中心由北斗定位模塊、位移傳感器、無線傳輸模塊、節(jié)點(diǎn)控制模塊和節(jié)點(diǎn)電源模塊組成。其工作過程為：北斗定位模塊固定在井蓋底面中心位置，并且在井蓋邊緣使用具有絕緣層的、向上發(fā)射的窖井井蓋北斗全向天線接收衛(wèi)星信號傳輸NAME語句，通過柔性電纜與無線傳輸模塊相連接，從而對接收的衛(wèi)星信號進(jìn)行傳遞，再通過中繼器傳輸回井蓋監(jiān)測中心。

3 天線性能仿真及分析

　　在計(jì)算窖井井蓋北斗天線參數(shù)和設(shè)計(jì)天線模型的基礎(chǔ)上，采用HFSS15來進(jìn)行仿真，Asoft公司的HFSS電磁仿真軟件可以精確得出天線的各個參數(shù)數(shù)值，例如：二維、三維遠(yuǎn)場和近場輻射方向圖、天線的方向性系數(shù)、增益、軸比、半功率波瓣寬度、輸入阻抗、電壓駐波比、S參數(shù)以及電流分布特性等。在仿真設(shè)計(jì)中通過對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，得到仿真結(jié)果。

3.1 微帶貼片天線仿真

　　已知Arlon AD450(tm)材料的相對介電常數(shù)εr= 4.5，按照式(1)~式(9) 可求出基片尺寸。結(jié)構(gòu)變量定義如表 2 所示。

　　HFSS高頻結(jié)構(gòu)仿真器 (high frequency structuresimulator) 是利用有限元方法的三維頻域電磁場計(jì)算軟件，它對求解的微波問題以四面體為單元進(jìn)行網(wǎng)格剖分，通過對各個剖分單元電場分量的計(jì)算來獲得各個微波物理量和特性參數(shù)。

　　利用仿真軟件 Ansoft HFSS15 創(chuàng)建了平面微帶天線的仿真模型。由仿真結(jié)果可知，當(dāng)對完全采用理論值設(shè)計(jì)的微帶天線進(jìn)行仿真時，得到的結(jié)果并不理想。

　　從回波損耗結(jié)果可以看出，諧振頻率在1.5GHz附近，增加的簡并分離元-徑向帶線增大了微帶天線的輻射面積，使諧振頻率偏低，在后面的調(diào)試中需要減小輻射貼片的面積。通過減小輻射貼片的面積，減小簡并元的大小。從Smith圓周結(jié)果可以看出，簡并分離元過大，圓周曲線會出現(xiàn)打圈的情況，通過減小簡并元的大小來改善。

　　天線輻射貼片W為參數(shù)掃描變量，變量范圍為42～45，掃描步長為0.2mm，最終確定當(dāng)W=43mm時，諧振頻率靠近1568MHz，通過W=43mm時的S(1,1)分析，需要將徑向帶線L1減小，將L2增大，即L1改為5.4mm，L2改為3.6mm，然后運(yùn)行仿真。通過調(diào)整饋電點(diǎn)位置，使X0=5mm，Y0=7mm，得到最佳匹配。經(jīng)過大量的建模嘗試，最終獲得比較理想的仿真結(jié)果。

　　綜上，選擇了厚度h = 1.6 mm，相對介電常數(shù)εr = 4.5的Arlon AD450( tm) 材料作為設(shè)計(jì)中應(yīng)用的基片材料。設(shè)計(jì)的微帶天線尺寸為:

　　W =43mm，L₁=5.4mm ，L₂=3.6mm,

　　X₀=5mm，Y₀=7mm。

3.2 調(diào)整后的天線性能

　　1)S參數(shù)圖

　　S參數(shù)代表了在端口處電磁波的反射功率和入射功率的比值。而S參數(shù)圖則給出了天線的S參數(shù)隨頻率變化的圖形，通常情況下，默認(rèn)S參數(shù)只有在低于-10dB時天線才能夠正常工作，這時對應(yīng)的VSRR近似等于2。絕對頻帶寬度被定義為S參數(shù)小于-10dB的頻率范圍，相對頻帶寬度定義為絕對帶寬與中心頻率之比。

　　從圖3可以看出天線的中心頻率在1568MHz處。在1561MHz處，S(1,1)為-48dB;在1575MHz處，S(1,1)為-15.8dB。

　　2)VSWR圖

　　駐波比是衡量天線性能的重要參數(shù)，天線正常工作時，通常要求天線的駐波比的值不大于2。從圖4中可以看出，天線的駐波比小于2，可以滿足天線工作的要求。

　　3)方向圖

　　天線方向圖是衡量天線性能的重要圖形，可以從天線方向圖中觀察天線的很多參數(shù)。E面和H面方向圖如圖5所示。

　　從圖5中可以看出微帶貼片天線的對稱性較好，在Z軸方向輻射強(qiáng)度達(dá)到最大。E面和H 面的半功率波束寬度為-54°至54°之間，具有較寬的波束寬度。

　　4)天線增益方向圖

　　從圖6可以看出，正前方增益大于4dB， 仰角增益大于0dB，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

　　5)方向圖高度結(jié)果

　　從圖7中可以看出，在中心頻率處，最大增益為-2.5dB，最小增益為-2.98dB，不圓度小于±1.0dB，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。查看帶寬內(nèi)其他頻點(diǎn)處的不圓度，不圓度均小于±1.0dB，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

　　綜上所述，此微帶天線工作的中心頻率為1568MHz，在波束寬度L1：1575.42±1.023MHz， B1:1561.42±2.048MHz，電壓駐波比小于1.5，電壓駐波比VSWR和天線的相對帶寬都相當(dāng)不錯，而且結(jié)構(gòu)尺寸也適當(dāng)，可以滿足窖井井蓋尺寸對貼片天線的要求。

4 結(jié)語

　　目前窖井井蓋特殊環(huán)境中北斗天線安裝困難、頻帶窄易受干擾、接收性能差。本文設(shè)計(jì)的微帶GPS L1北斗B1雙模天線，在頻帶內(nèi)S(1,1)小于-15dB，仰角極化增益大于0dB，軸比小于3dB，仰角不圓度小于±1dB，符合地下管網(wǎng)及窖井井蓋監(jiān)測的實(shí)際應(yīng)用要求。而且這種微帶天線設(shè)計(jì)簡單方便，經(jīng)過仿真，也驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。

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本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第9期第72頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。