Design of a miniaturized bidirectional beam mine positioning terminal antenna
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摘要:
双向天线可有效提高信号覆盖范围和天线耦合效率，削弱由巷道侧壁反射所带来的多径效应，适用于结构狭长、断面较小的煤矿井下巷道。针对现有双向天线尺寸大、增益低、带宽不满足井下UWB精确定位系统要求等问题，设计了一种小型化双向波束矿用定位终端天线。通过布置2个等幅同相U形单极子天线并在金属地板上引入U形槽结构，在保证天线整体结构紧凑的同时，实现了双向边射波束辐射特性。仿真和实测结果表明：天线的−10 dB带宽为1GHz（3.6～4.6 GHz），可有效覆盖煤矿井下UWB人员精确定位系统的工作频段（3.7～4.2 GHz）；在3.6～4.6 GHz频段内，天线峰值增益为2.2～2.5 dBi，具有良好的幅频响应。
Abstract:Bidirectional antennas can effectively improve signal coverage and antenna coupling efficiency, and weaken multipath effects caused by reflections from roadway sidewalls. These characteristics make them suitable for underground coal mine roadways with narrow structures and small cross-section. To address the problems of large size, low gain, and insufficient bandwidth of existing bidirectional antennas that do not meet the requirements of underground ultra-wide band (UWB) precise positioning systems, a miniaturized bidirectional beam mine positioning terminal antenna was designed. By arranging two equal-amplitude, in-phase U-shaped monopole antennas and introducing a U-shaped slot structure on the metal floor, the radiation characteristics of the bidirectional side-beam were realized while ensuring the compact structure of the antennas. Simulation and experimental results demonstrated that the antenna achieved a −10 dB bandwidth of 1 GHz (3.6-4.6 GHz), effectively covering the operational frequency band (3.7-4.2 GHz) of UWB personnel precise positioning systems in coal mines. Within the frequency band of 3.6-4.6 GHz, the antenna achieved a peak gain of 2.2-2.5 dBi, with good amplitude-frequency response.
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0. 引言
煤矿井下精确定位系统一般采用超宽带（Ultra-Wide Band，UWB）技术，其具有定位距离远、定位误差小、成本低等优点[1-3]。考虑到接收效率与覆盖范围等影响，当前配套的定位标志卡、矿灯等小型化无线终端设备主要使用全向天线[4-7]。然而，煤矿井下为受限空间，井巷结构狭长且断面较小，电磁波被限制在巷道内部传播，传播特性近似于矩形波导，多径效应突出，传播损耗大，通信距离短[8-10]。相比于定向天线的单向辐射模式，全向天线虽然具有更宽的覆盖范围，但是巷道壁的信号反射严重，能量损失大，多径效应明显，信号耦合效率低[11]。双向天线通过引导天线波束沿径向两端辐射，可有效提高信号覆盖范围和天线耦合效率，削弱由巷道侧壁反射所带来的多径效应，更加适用于结构狭长、断面较小的煤矿井下巷道。
双向天线可由2个背靠背的八木天线实现[12]。此外，将同相激励的偶极子组阵也可实现双向辐射[13]。文献[14]提出的Bruce阵列采用同相磁流激励，具有高增益双向辐射特性。文献[15-16]将环形天线级联，设计了适用于煤矿巷道环境的双向辐射天线。上述天线均通过组阵方式形成端射/边射双向波束。煤矿应用环境对阵列天线的规模、尺寸、材质等都有特殊要求，一般的双向阵列天线原理和技术不能直接应用于井下无线终端设备。文献[17]提出了一种双向辐射的超宽带等角螺旋天线，其缺点是剖面过大，且天线增益偏低。文献[18]通过在有限大金属地板上开槽，激励出缝隙磁流辐射模式，以产生双向波束，但其尺寸仍然偏大。文献[19]将2个辐射贴片相对开槽地板背靠背排列，在水平面激励出了双向波束，其缺点是带宽过窄，无法满足井下UWB精确定位系统对带宽的要求。
针对上述问题，本文设计了一种小型化双向波束矿用定位终端天线。通过布置2个间距为λ/4 （λ为自由空间波长）的同相激励U形单极子天线，实现双向边射波束辐射特性。此外，通过地板开槽的方式实现天线的小型化。该天线在保证整体结构紧凑的同时兼顾了净空区面积，天线模块占用电路板面积小，方便其他电路布局，适用于各类小型化人员定位终端设备。
1. 天线设计
1.1 天线结构
小型化双向波束矿用定位终端天线由2个U形辐射振子、带有2个U形槽的金属地板和馈电网络组成，并经由2块FR−4介质基板（相对介电常数为4.3，损耗角正切为0.02）压合而成，如图1所示。xyz为基于天线形状构建的坐标系，H1，H2为介质基板厚度；S1为两个单极子间距；S2为两个U形槽间距；S3为U形槽与微带馈线间距；S4为U形槽张口尺寸；G1、G2分别为介质基板的长与宽；Wf1-Wf3为微带馈线的宽度；Ls1、Ls2为U形槽长度；La1-La3为U形单极子长度；Ws1为U形槽的宽度；Wa1-Wa4为U形单极子宽度；g为U形单极子与地板间距。天线采用50 Ω微带线馈电，通过1个功分馈电网络经由金属通孔与U形辐射振子相连。天线尺寸参数见表1。
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图 1 小型化双向波束矿用定位终端天线结构Figure 1. Structure of the miniaturized bidirectional beam mine positioning terminal antenna表 1 天线尺寸参数Table 1. Antenna dimension parametersmm 参数 尺寸 参数 尺寸 参数 尺寸 H1 0.45 Wf1 0.36 Ws1 0.5 H2 0.2 Wf2 0.6 Ws2 1.88 S1 11.5 Wf3 0.36 Wa1 1.48 S2 5 Ls1 5.5 Wa2 0.7 S3 8.6 Ls2 5.75 Wa3 1.2 S4 4.75 La1 5.5 Wa4 2.7 G1 25 La2 5.7 g 0.4 G2 25 La3 3.05 1.2 双向波束原理
根据阵列天线理论，沿直线等距离排列的n个等幅激励各向同性点源（图2），当阵因子达到最大值时，在远场所辐射的主瓣波束方向上，产生阵因子主瓣最大值所需相邻阵元之间的激励电流相移为[20]
$$ \delta =-\frac{2\text{π}d}{\lambda }\cos \varphi $$ (1) 式中：d为相邻阵元的间距；$ \varphi $为远场所辐射的主瓣波束与各向同性点源直线阵之间的夹角。
对于边射阵，即$\varphi $=90°，此时δ=0；对于端射阵，即$\varphi $=0，此时$ \delta =-\dfrac{2{\text{π}} d}{\lambda } $。为了缩小天线尺寸和节约电路板面积，本文选择边射阵，即相邻阵元采用等幅同相馈电方式。对于边射阵，在不考虑阵元间互耦的前提下，阵元间距d取值大小只与增益相关。考虑到现有矿用定位终端设备（如定位标志卡、腕卡、矿灯）的实际大小及未来的小型化趋势，选取阵元数量n=2，间距d=λ/4。
1.3 设计过程
当前矿井人员和UWB定位系统中采用的主流UWB芯片为DW1000，其中心工作频率包括3.5，4.0，4.5，6.5 GHz。为了有效提升传输距离，降低与5G、WiFi6等通信系统频段间的相互干扰，并减少基站部署数量及系统整体成本，目前矿用UWB频段多为3.7～4.2 GHz[21]。参照现有各类基于UWB技术的矿用定位终端设备尺寸规格，并鉴于此类设备小型化及便携性的发展趋势，其搭载的终端定位天线亦需具备尺寸小、结构简单及易于集成等特性。
天线设计过程如图3所示。
将单极子作为基本天线单元，搭载于一块25 mm×25 mm的FR−4介质基板上，记为天线Ⅰ（图3（a））。为了缩小天线尺寸，节约净空区面积并拓展带宽，天线采用U形弯折结构，其总长度约为λ/4（4.1 GHz），其各枝节长度与宽度在尽可能保证较低净空区高度前提下，借助全波电磁仿真软件CST Studio Suite 2018进行建模分析并优化。受限于较小的地板尺寸（0.33λ× 0.24λ），天线Ⅰ的阻抗匹配较差，反射系数较大。为了实现边射双向波束，将U形单极子在x轴方向平移约λ/4（17 mm）并镜像复制，得到天线Ⅱ（图3（b））。
对2个U形单极子单元施加等幅同相激励，得到沿±z轴方向辐射的双向波束。其反射系数如图4所示。受益于U形单极子在x轴方向的平移，辐射臂相对于金属地板不再呈中心对称，因此天线带宽得到了拓宽，−10 dB相对带宽达25%。此外，由于2个天线间距较近，相互耦合强烈，天线Ⅱ的工作频点向高频发生了偏移。
为了降低天线Ⅱ的工作频率，且不扩大单极子振子臂及金属地板的尺寸，在金属地板上开设2个对称的U形槽，得到天线Ⅲ（图3（c））。U形槽初始总长度约为λ/4（4.1 GHz），借助全波电磁仿真软件进行调谐，从而起到降低天线Ⅱ谐振频率的效果。
天线Ⅱ和天线Ⅲ工作时表面电流分布如图5所示。通过在地板上引入U形槽，在槽缝处形成了额外的缝隙耦合电流，相较于天线Ⅱ，天线Ⅲ的地板电流路径得到了延长，从而有效降低了天线工作频点。
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图 5 天线II和III工作时表面电流分布Figure 5. Surface current distribution of antennas II and III in operation结合图4可知，增加U形槽后，天线工作频点降至4 GHz，带宽相比天线Ⅱ有所减小，但仍能有效覆盖当前矿用UWB频段（3.7～4.2 GHz）。需要指出的是，天线Ⅱ与Ⅲ中天线单元均由离散端口单独馈电，因此图4所示为天线Ⅱ与Ⅲ的有源反射系数。
最后，以天线Ⅲ为基础，设计了一个等幅同相功分馈电网络，用于给2个U形单极子天线馈电，记作天线Ⅳ（图3（d））。天线Ⅳ的中心频点为4.1 GHz，−10 dB带宽为3.6～4.6 GHz。
2. 仿真分析
天线3D远场辐射方向图、2D远场辐射方向图分别如图6、图7所示。可看出二元边射阵在±z轴方向实现了双向辐射波束，远场辐射方向图关于xoy平面对称。E面（yoz面）1 dB波束宽度为56°，H面（xoz面）1 dB波束宽度为70°。
二元边射阵峰值增益随频率变化的仿真结果如图8所示。可看出在3.6～4.6 GHz频段范围内，天线的峰值增益范围为2.2～2.5 dBi，体现出良好的幅频响应。
3. 实测结果及分析
天线实物由3层金属经由2块FR−4介质基板按图1（a）所示顺序压合而成，制备样品如图9所示。其中上层介质基板厚度为0.45 mm，下层介质基板厚度为0.2 mm，从上至下分别为U形辐射臂、金属地板、馈电网络。天线整体尺寸为0.3λ×0.3λ×0.01λ（长×宽×高），净空区尺寸为0.3λ×0.1λ（长×宽）。
天线由一个50 Ω的SMA接头馈电，并通过矢量网络分析仪Keysight E5063A测量反射系数，结果如图10所示。可看出天线实测−10 dB阻抗带宽为3.52～4.65 GHz，与仿真结果基本吻合。二者的偏差主要源于FR−4介质基板的介电常数波动及SMA接头焊接所引起的阻抗失配。
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图 10 反射系数仿真与实测对比Figure 10. Comparison between simulated and measured reflection coefficient在Satimo SG 24探针近场微波暗室中进行天线方向图测试，结果如图11所示。在工作中心频点附近（4 GHz），天线实测E面（yoz面）1 dB波束宽度为53°，H面（xoz面）1 dB波束宽度为64°。
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图 11 2D远场辐射方向图仿真与实测对比Figure 11. Comparison between simulated and measured 2D far-field radiation pattern峰值增益−频率仿真与实测结果对比如图12所示。可看出仿真与实测结果基本相符，在3.6～4.6 GHz频段内，天线峰值增益范围为2.1～2.45 dBi。
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图 12 峰值增益−频率仿真与实测结果对比Figure 12. Comparison between simulated and measured peak gain over frequency实测天线的−10 dB带宽为1 000 MHz （3.6～4.6 GHz），可有效覆盖基于UWB的煤矿井下人员精确定位系统的工作频段（3.7～4.2 GHz）。
4. 结语
设计了一种小型化双向波束矿用定位终端天线，以U形单极子天线为基础，通过布置2个间距为λ/4的等幅同相激励阵元，实现了双向边射波束辐射特性。天线实测与仿真结果吻合良好，在3.6～4.6 GHz频段内，天线峰值增益范围为2.1～2.45 dBi；天线的−10 dB带宽为1 000 MHz （3.6～4.6 GHz），可有效覆盖基于UWB的煤矿井下人员精确定位系统的工作频段。该天线具有结构紧凑、净空区面积小、成本低廉等优点，适用于各类小型化人员定位终端设备，具有很好的潜在应用价值。
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图 1 小型化双向波束矿用定位终端天线结构
Figure 1. Structure of the miniaturized bidirectional beam mine positioning terminal antenna
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图 5 天线II和III工作时表面电流分布
Figure 5. Surface current distribution of antennas II and III in operation
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图 10 反射系数仿真与实测对比
Figure 10. Comparison between simulated and measured reflection coefficient
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图 11 2D远场辐射方向图仿真与实测对比
Figure 11. Comparison between simulated and measured 2D far-field radiation pattern
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图 12 峰值增益−频率仿真与实测结果对比
Figure 12. Comparison between simulated and measured peak gain over frequency
表 1 天线尺寸参数
Table 1 Antenna dimension parameters
mm 参数 尺寸 参数 尺寸 参数 尺寸 H1 0.45 Wf1 0.36 Ws1 0.5 H2 0.2 Wf2 0.6 Ws2 1.88 S1 11.5 Wf3 0.36 Wa1 1.48 S2 5 Ls1 5.5 Wa2 0.7 S3 8.6 Ls2 5.75 Wa3 1.2 S4 4.75 La1 5.5 Wa4 2.7 G1 25 La2 5.7 g 0.4 G2 25 La3 3.05 
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