基于北斗的窖井井蓋全向天線(xiàn)設計

摘要：基于北斗的地下管網(wǎng)及窖井井蓋監控是實(shí)施城市安全和智慧城市的重要手段，目前存在著(zhù)監測系統中天線(xiàn)受井蓋影響大、安裝困難、接收性能差等問(wèn)題。本文針對上述問(wèn)題設計了一種應用于北斗B1和GPSL1頻段的方形圓極化微帶天線(xiàn)，克服目前窖井井蓋特殊環(huán)境北斗天線(xiàn)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(xiàn)性能仿真，仿真結果表明，設計的井蓋北斗天線(xiàn)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)及窖井井蓋監測的實(shí)際應用要求。

引言

　　城市地下管線(xiàn)深埋于地下，通過(guò)窖井井蓋進(jìn)行日常維護。窖井井蓋數量多，而且缺乏有效的實(shí)時(shí)監控及管理手段，會(huì )經(jīng)常出現井蓋吃人、巡查繁復等情況，基于北斗的窖井井蓋遠程監測系統可以實(shí)時(shí)檢測到井蓋的狀態(tài)信息。在監測系統中，天線(xiàn)作為至關(guān)重要的環(huán)節，其性能的優(yōu)劣往往是決定整個(gè)北斗定位及應用成敗的關(guān)鍵。本文針對目前窖井井蓋監測中微帶天線(xiàn)引起的低仰角增益、頻帶寬度與天線(xiàn)體積等問(wèn)題，設計了一種應用于北斗B1和GPSL1頻段的方形圓極化微帶天線(xiàn)。

1 北斗天線(xiàn)設計方案

1.1 設計要求

　　在基于北斗的地下管網(wǎng)及窖井井蓋監測系統中，由于窖井井蓋天線(xiàn)受到窖井周?chē)厥夤ぷ鳝h(huán)境對天線(xiàn)性能的影響比較大，因此，當對窖井井蓋天線(xiàn)的建模越接近于工作的實(shí)際環(huán)境時(shí)，就能更精確地預測其工作特性。受窖井井蓋內部空間及井蓋材料的限制，北斗天線(xiàn)必須要具有360°全方位覆蓋能力來(lái)適應載體窖井井蓋帶來(lái)天線(xiàn)指向變化;同時(shí)，為保證可靠的通信能力，要求北斗天線(xiàn)必須能夠達到一定的增益。

1.2 窖井井蓋北斗天線(xiàn)的設計

　　本文根據窖井井蓋北斗天線(xiàn)的設計要求，基于微帶天線(xiàn)輻射原理，設計的方形圓極化微帶天線(xiàn)應用于北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=4.5，采用探針對微帶貼片進(jìn)行饋電。北斗接收天線(xiàn)和GPS天線(xiàn)采用右旋圓極化。本設計采用偏心饋電，通過(guò)添加徑向帶線(xiàn)實(shí)現簡(jiǎn)并分離元，另外徑向帶線(xiàn)可以改善微帶天線(xiàn)低仰角的增益。

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

　　矩形貼片的有效長(cháng)度Le：

L_e=λ_g /2 (1)

　　導波波長(cháng)λg：

(2)

　　(c:真空中的光速;f₀：天線(xiàn)的工作頻率;ΔL：等效輻射縫隙的長(cháng)度)

　　矩形貼片的寬度W：

(6)

　　對于同軸線(xiàn)饋電微帶貼片天線(xiàn)來(lái)說(shuō)，坐標原點(diǎn)位于微帶貼片的中心點(diǎn)，以(x_f，y_f)來(lái)表示饋電點(diǎn)的坐標，則饋電點(diǎn)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(diǎn)的位置。

1.3 窖井井蓋天線(xiàn)工作指標要求

　　在對基于北斗窖井井蓋遠程監測系統中天線(xiàn)的功能及設計需要進(jìn)行分析后，并結合天線(xiàn)的工作環(huán)境和安裝結構等，得到了窖井井蓋北斗天線(xiàn)工作性能要求，如表1所示。

2 井蓋狀態(tài)監測系統

　　井蓋狀態(tài)監測系統包括井蓋監測中心和井蓋節點(diǎn)中心兩個(gè)部分組成。其中井蓋節點(diǎn)中心由北斗定位模塊、位移傳感器、無(wú)線(xiàn)傳輸模塊、節點(diǎn)控制模塊和節點(diǎn)電源模塊組成。井蓋監測中心由上位機、主站控制模塊、主站擴頻傳輸模塊、外置天線(xiàn)和主站電源模塊組成。系統框圖如圖2所示。

　　井蓋節點(diǎn)中心由北斗定位模塊、位移傳感器、無(wú)線(xiàn)傳輸模塊、節點(diǎn)控制模塊和節點(diǎn)電源模塊組成。其工作過(guò)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(xiàn)接收衛星信號傳輸NAME語(yǔ)句，通過(guò)柔性電纜與無(wú)線(xiàn)傳輸模塊相連接，從而對接收的衛星信號進(jìn)行傳遞，再通過(guò)中繼器傳輸回井蓋監測中心。

3 天線(xiàn)性能仿真及分析

　　在計算窖井井蓋北斗天線(xiàn)參數和設計天線(xiàn)模型的基礎上，采用HFSS15來(lái)進(jìn)行仿真，Asoft公司的HFSS電磁仿真軟件可以精確得出天線(xiàn)的各個(gè)參數數值，例如：二維、三維遠場(chǎng)和近場(chǎng)輻射方向圖、天線(xiàn)的方向性系數、增益、軸比、半功率波瓣寬度、輸入阻抗、電壓駐波比、S參數以及電流分布特性等。在仿真設計中通過(guò)對參數進(jìn)行調整，得到仿真結果。

3.1 微帶貼片天線(xiàn)仿真

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

　　HFSS高頻結構仿真器 (high frequency structuresimulator) 是利用有限元方法的三維頻域電磁場(chǎng)計算軟件，它對求解的微波問(wèn)題以四面體為單元進(jìn)行網(wǎng)格剖分，通過(guò)對各個(gè)剖分單元電場(chǎng)分量的計算來(lái)獲得各個(gè)微波物理量和特性參數。

　　利用仿真軟件 Ansoft HFSS15 創(chuàng )建了平面微帶天線(xiàn)的仿真模型。由仿真結果可知，當對完全采用理論值設計的微帶天線(xiàn)進(jìn)行仿真時(shí)，得到的結果并不理想。

　　從回波損耗結果可以看出，諧振頻率在1.5GHz附近，增加的簡(jiǎn)并分離元-徑向帶線(xiàn)增大了微帶天線(xiàn)的輻射面積，使諧振頻率偏低，在后面的調試中需要減小輻射貼片的面積。通過(guò)減小輻射貼片的面積，減小簡(jiǎn)并元的大小。從Smith圓周結果可以看出，簡(jiǎn)并分離元過(guò)大，圓周曲線(xiàn)會(huì )出現打圈的情況，通過(guò)減小簡(jiǎn)并元的大小來(lái)改善。

　　天線(xiàn)輻射貼片W為參數掃描變量，變量范圍為42～45，掃描步長(cháng)為0.2mm，最終確定當W=43mm時(shí)，諧振頻率靠近1568MHz，通過(guò)W=43mm時(shí)的S(1,1)分析，需要將徑向帶線(xiàn)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(guò)調整饋電點(diǎn)位置，使X0=5mm，Y0=7mm，得到最佳匹配。經(jīng)過(guò)大量的建模嘗試，最終獲得比較理想的仿真結果。

　　綜上，選擇了厚度h = 1.6 mm，相對介電常數εr = 4.5的Arlon AD450( tm) 材料作為設計中應用的基片材料。設計的微帶天線(xiàn)尺寸為:

　　W =43mm，L₁=5.4mm ，L₂=3.6mm,

　　X₀=5mm，Y₀=7mm。

3.2 調整后的天線(xiàn)性能

　　1)S參數圖

　　S參數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參數圖則給出了天線(xiàn)的S參數隨頻率變化的圖形，通常情況下，默認S參數只有在低于-10dB時(shí)天線(xiàn)才能夠正常工作，這時(shí)對應的VSRR近似等于2。絕對頻帶寬度被定義為S參數小于-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(xiàn)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(xiàn)性能的重要參數，天線(xiàn)正常工作時(shí)，通常要求天線(xiàn)的駐波比的值不大于2。從圖4中可以看出，天線(xiàn)的駐波比小于2，可以滿(mǎn)足天線(xiàn)工作的要求。

　　3)方向圖

　　天線(xiàn)方向圖是衡量天線(xiàn)性能的重要圖形，可以從天線(xiàn)方向圖中觀(guān)察天線(xiàn)的很多參數。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(xiàn)的對稱(chēng)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(xiàn)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(mǎn)足設計指標要求。

　　5)方向圖高度結果

　　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(mǎn)足設計指標。查看帶寬內其他頻點(diǎn)處的不圓度，不圓度均小于±1.0dB，滿(mǎn)足設計指標。

　　綜上所述，此微帶天線(xiàn)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(xiàn)的相對帶寬都相當不錯，而且結構尺寸也適當，可以滿(mǎn)足窖井井蓋尺寸對貼片天線(xiàn)的要求。

4 結語(yǔ)

　　目前窖井井蓋特殊環(huán)境中北斗天線(xiàn)安裝困難、頻帶窄易受干擾、接收性能差。本文設計的微帶GPS L1北斗B1雙模天線(xiàn)，在頻帶內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)及窖井井蓋監測的實(shí)際應用要求。而且這種微帶天線(xiàn)設計簡(jiǎn)單方便，經(jīng)過(guò)仿真，也驗證了設計的可行性。

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