基于北斗的窖井井蓋全向天線設(shè)計

摘要：基于北斗的地下管網(wǎng)及窖井井蓋監(jiān)控是實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。采用ANSOFT HFSS軟件進行天線性能仿真，仿真結(jié)果表明，設(shè)計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，通過窖井井蓋進行日常維護。窖井井蓋數(shù)量多，而且缺乏有效的實時監(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程監(jiān)測系統(tǒng)可以實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)計方案

1.1 設(shè)計要求

　　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，當對窖井井蓋天線的建模越接近于工作的實際環(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到一定的增益。

1.2 窖井井蓋北斗天線的設(shè)計

　　本文根據(jù)窖井井蓋北斗天線的設(shè)計要求，基于微帶天線輻射原理，設(shè)計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行饋電。北斗接收天線和GPS天線采用右旋圓極化。本設(shè)計采用偏心饋電，通過添加徑向帶線實現(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，坐標原點位于微帶貼片的中心點，以(x_f，y_f)來表示饋電點的坐標，則饋電點的相關(guān)計算方式為：

　　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的位置。

1.3 窖井井蓋天線工作指標要求

　　在對基于北斗窖井井蓋遠程監(jiān)測系統(tǒng)中天線的功能及設(shè)計需要進行分析后，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)點中心兩個部分組成。其中井蓋節(jié)點中心由北斗定位模塊、位移傳感器、無線傳輸模塊、節(jié)點控制模塊和節(jié)點電源模塊組成。井蓋監(jiān)測中心由上位機、主站控制模塊、主站擴頻傳輸模塊、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)點中心由北斗定位模塊、位移傳感器、無線傳輸模塊、節(jié)點控制模塊和節(jié)點電源模塊組成。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

　　在計算窖井井蓋北斗天線參數(shù)和設(shè)計天線模型的基礎(chǔ)上，采用HFSS15來進行仿真，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)計中通過對參數(shù)進行調(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算軟件，它對求解的微波問題以四面體為單元進行網(wǎng)格剖分，通過對各個剖分單元電場分量的計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，當對完全采用理論值設(shè)計的微帶天線進行仿真時，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，然后運行仿真。通過調(diào)整饋電點位置，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)計中應(yīng)用的基片材料。設(shè)計的微帶天線尺寸為:

　　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軸方向輻射強度達到最大。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)計指標要求。

　　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)計指標。查看帶寬內(nèi)其他頻點處的不圓度，不圓度均小于±1.0dB，滿足設(shè)計指標。

　　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不錯，而且結(jié)構(gòu)尺寸也適當，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)測的實際應(yīng)用要求。而且這種微帶天線設(shè)計簡單方便，經(jīng)過仿真，也驗證了設(shè)計的可行性。

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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。