一种矿用定向天线设计.pdf

第 4 2卷 第 2期 2 0 1 6年 2月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n Vo 1 ． 4 2 No ． 2 Fe b ． 2 0 1 6 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 O 1 6 O 2 0 0 5 5 ～ 0 3 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 0 2 ． 0 1 4 王婷婷 ， 徐钊． 一种矿用定向天线设计[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 2 5 5 5 7 ． 一 种矿用定向天线设计 王婷婷 ， 徐 钊 中国矿业大学 信息与电气工程学院， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘要 设计 了一款适 用于巷道类狭长受限空间的双臂平面螺旋天线。该天线 由 4条等角螺旋线构造的 2个对称的螺悬臂组成 。与传统的全 向天线相 比， 该天线辐射 的定向波束可减少无线电波在巷道壁上的反 射损耗 ， 圆极化特性可有效减弱巷道 内多径效应的影响， 双 向辐射特性可提 高辐射效率。仿真结果表明， 工 作 在 2 ． 4 GHz 频段 时 ， 5圈双臂 平 面螺 旋天 线 的 3 d B半功 率波 瓣 宽度 大于 6 O 。 ， 增益 大 于 4 d B； 1 0圈双臂 平 面螺旋 天 线的 3 d B半 功 率波 瓣 宽度 为 1 2 O 。 ， 增 益大 于 6 d B。 关键词 双臂平面螺旋天线 ；圆极化 ；有向辐射 ； 抗 多径 中图分类号 TD 6 5 5 文献标志码 A 网络 出版时间 2 0 1 6 0 1 2 6 1 5 4 7 网络出版地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 6 0 1 2 6 ． 1 5 4 7 ． 0 1 4 ． h t ml De s i g n o f a mi ne u s e d d i r e c t i o n a l a nt e nn a W A NG Ti ng t i ng，XU Zha o S c h o o l o f I n f o r ma t i o n a n d El e c t r i c a l En g i n e e r i n g，Ch i n a Un i v e r s i t y o f M i n i n g a n d Te c h n o l o g y ， Xu z h o u 2 2 1 0 0 8 ，Ch i n a Abs t r a c t A t wo a r ms pl a n a r s pi r a l a n t e nn a was de s i g ne d f o r l o ng na r r o w c o n f i ne d s p a c e l i ke t unn e l s ． Th e a n t e n n a i s c o mp o s e d o f t wo s y mme t r i c a l a r ms wh i c h a r e s t r u c t u r e d b y f o u r e q u i a n g u l a r h e l i x l i n e s ． Co m p a r e d wi t h t r a d i t i o na l o m n i d i r e c t i o na l a nt e nna， t he a nt e nna ha s g r e a t e r p ot e nt i a l f or r e duc i n g r e f l e c t i o n 1 OS S o f r a d i o wa ve s by t u nne 1 wa l l s ．Be c a u s e o f c i r c ul a r po l a r i z a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s ．t he a n t e n na h a s p o t e n t i a l f o r we a k e n i n g i n f l u e n c e o f mu l t i p a t h e f f e c t ，a n d b i d i r e c t i o n a l r a d i a t i o n c h a r a c t e r i s t i c c a n ma k e t h e a n t e n n a t o i mp r o v e r a d i a t i o n e f f i c i e n c y ．Th e s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t wh e n t h e a n t e n n a wi t h f i v e c o r e s wo r k s a t 2 ． 4 GHz ，h a l f p o we r b e a m wi d t h i n 3 d B i s mo r e t h a n 6 0 d e g r e e a n d g a i n i s mo r e t h a n 4 dB whi l e t he a nt e nna wi t h t e n c o r e s i s 1 2 0 de gr e e a n d 6 d B s e p e r a t e l y． Ke y wo r d s t wo a r ms p l a n a r s p i r a l a n t e n n a ；c i r c u l a r p o l a r i z a t i o n；d i r e c t i o n a l b e a m ；a n t i mu l t i p a t h 0 引言 在煤矿巷道类受限空间 ， 无线 电传播最突 出的 一 个现象就是多径效应 ， 即从发射源辐射 出的电磁 波由于巷道壁 和各种 障碍物 阻挡 ， 会 发生反射 、 散 射、 绕射等现象[ 1 ] 。近年来 国内外学者对无线 电波 在井下的传播预测理论 比较关注 ， 已建立 了初步 的 信道模型系统 ， 为巷道 内电磁波传播特性 的研究奠 定了基础r 2 ] 。但 目前针对巷道等带状环境下的天线 理论研究还未形成体系。现有矿井无线通信系统大 多采用单极子类鞭状天线 和微带天线[ 4 ] 。该类天 线近似为全向辐射 ， 在狭长巷道 中的辐射波束会因 巷道壁的阻挡而产生较多的反射损耗。霍羽等 ] 研 究表明， 该类天线辐射波束与巷道耦合后 的波束为 有 向辐射波束 ， 证明具有定 向辐射波束 的天线更适 用于巷道类受限空间。现有的矿用定向天线主要有 收稿 日期 2 0 1 5 1 1 0 5 } 修 回日期 2 0 1 5 1 2 3 0 ； 责任编辑 李 明。 基金项 目 江苏省 自然科学基 金面上 资助项 目 B K2 O 1 3 0 1 9 9 ， B K2 0 1 3 1 1 2 4 。 作者简介 王婷婷 1 9 8 6 ～ ， 女 ， 江苏连云港 人， 博士研究 生 ， 主要研 究方 向为矿井 无线通信 、 矿用定 向天线设计 等， E - ma i l t r a c y c u mt 1 6 3 c omo 2 0 1 6年 第 2期 王婷 婷等 一 种矿 用定 向天 线设 计 5 7 图 4为双臂 平 面螺旋 天线 的电压驻 波 比。电压 驻波比为反 映馈线传输效率的指标 ， 通常要求小 于 1 ． 5 ， 在 工作 频点 应小 于 1 ． 2 。从 图 4可看 出， 在 1 ． 5 ～1 0 GHz 范围内， 该天线 电压驻波 比小 于 1 ． 5 ， 说 明天线阻抗 匹配 良好。图 5为该 天线的 回波 损 耗 ， 表 征 信 号 反 射 性 能 。可 见 天 线 中心 频 率 为 2 ． 4 G Hz 时 ， 回 波 损 耗 为 一 2 8 d B； 中 心 频 率 为 5 ． 8 GHz 时 ， 回波 损 耗 为 一 1 8 ． 4 d B ， 均 满 足 小 于 一 1 0 d B的设计要求 。天线相对带宽达 6 O ， 属于 超宽带天线范畴。 筮 鲻 篇 删 0 0 图 4 双臂 平面螺旋天线 的电压驻波 比 兽 糕 回 0 0 图 5 双臂 平面螺旋天线 的回波损耗 可通过增大天线辐射表面积来 获得更高增益 。 图 6为工作频率为 2 ． 4 GHz的 1 O圈双臂平面螺旋 天线辐射归一化方 向， 外 圈半径为 4 5 mm， 3 d B波 瓣宽度为 1 2 0 。 ， 增益大于 6 d B， 优于参考文献[ 7 ] 中 小型单极子超 宽带天线增益 5 ． 2 d B 。由图 2和 图 4可知 ， 双臂平面螺旋天线辐射的“ 8 ” 字型对称波 束的最大辐射方 向均在法线方向上， 与全 向覆盖的 单极子天线和副瓣很多的微带圆极化 天线相 比， 其 辐射能量更集中， 辐射效率更高。 一 ／1 5 0 一 I U 图 6 1 0圈双臂平面螺旋 天线辐射归一化方 向 3 结 语 双臂平面螺旋天线的辐射波瓣分别在天线平面 两侧并对称 ， HP B W 大于 6 0 。 ， 满足矿用天线最大扫 描角大于 3 0 。 的要求 。5圈双臂平 面螺旋天线的增 益大 于 4 d B， 1 0圈双 臂平 面螺 旋 天线 增益 大 于 6 d B， 高于常用单极子全 向天线 。后续将在条件允 许的情况下， 在巷道环境 内对该 天线及其辐射 的电 磁波传播特性进行测试 ， 以验证理论分析结果。 参 考 文 献 [ 1 ] 孙 继 平． 矿 井 移动 通信 的现状 及 关键 科 学技 术 问题 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 0 9 ， 3 5 7 1 1 0 1 1 4 ． [ 2 ] Z HANG Y P ，H WANG Y． C h a r a c t e r i z a t i 0 n o f UHF r a d i o p r o p a g a t i o n c h a n n e l s i n t u n n e l e n v i r o n me n t s f o r mi c r o c e l l u l a r a n d p e r s o n a l c o mmu n i c a t i o n s [ J ] ． I E E E Tr a n s a c t i o n s o n Ve h i c u l a r Te c h n o l o g y， 1 9 9 8， 4 7 1 2 83 29 6 ． [ 3 ] 田子建 ， 雷婧 ， 王文清． 矿用小 型化单极 子超宽 带天线 设 计 和 性 能 分 析 [ J ] ． 煤 炭 科 学 技 术 ， 2 0 1 5 ， 4 3 1 81 85． [ 4 ] 黄凯 ， 张然 ， 卑 璐璐． 一种紧凑 型宽频 带圆极化 射频识 别天线设计[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 4 ， 4 1 5 3 4 3 8 ． [ 5 ] 霍羽， 徐钊， 刘逢雪． 融合波模和射线理论的矿井电波 传播模型[ J ] ． 电子学报 ， 2 0 1 3 ， 4 1 1 1 1 0 1 1 6 ． [ 6 ] 孙晓玲． MI MO系统终端天线研究与设计[ D ] ． 太原 太原理工大学 ， 2 0 1 1 7 4 ． [ 7 ] 丁丁 ， 龚克． 圆极 化波 室内传播特性研究 E J ] ． 电波 科学 学报 ， 1 9 9 9 ， 1 4 3 3 0 4 3 0 7 ．