图1 双臂平面螺旋天线结构
王婷婷， 徐钊
(中国矿业大学 信息与电气工程学院, 江苏 徐州 221008)
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 dB半功率波瓣宽度大于60°，增益大于4 dB；10圈双臂平面螺旋天线的3 dB半功率波瓣宽度为120°，增益大于6 dB。
关键词：双臂平面螺旋天线； 圆极化； 有向辐射； 抗多径
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[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[3]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[5]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喇叭天线、反射面天线、螺旋天线等，其中工作频率为2.4 GHz的喇叭天线体积较大，反射面天线和普通螺旋天线均为单向辐射天线，辐射效率较低。
研究表明，圆极化天线收发数据时可有效减弱多径效应影响，且提高无线通信系统的信道容量[6]。双臂平面螺旋天线同时具有圆极化特性和定向辐射特性，并可实现双向窄波束辐射，符合巷道类受限空间对定向天线的应用需求，因此，本文设计了一款双臂平面螺旋天线作为矿井无线通信系统基站的收发天线，以减少因巷道壁和颗粒反射造成的多径效应干扰，改善井下无线通信质量，并可对不同波束进行频分复用，提高信道容量。
双臂平面螺旋天线结构如图1所示。该天线包括2个螺悬臂，每个螺悬臂由2条起始角相差δ的等角螺旋线构成。ρ为内圈半径，rw为外圈半径。
图1 双臂平面螺旋天线结构
在XOY平面上，螺旋线方程为
(1)
式中：r，φ分别为极坐标的矢径与幅角；
为螺旋率；δ为螺旋线角宽度。
式(1)符合拉姆斯提出的非频变天线的一般形状方程。选取δ=90°的双臂自互补型结构,每个螺旋臂为5圈，线宽为0.1 cm，线间距为0.1 cm,内圈半径ρ=0.5 cm，外圈半径rw=2.5 cm。螺旋臂末端采用平滑过渡，基板选择常用的FR4，其相对介电常数为4.4。
当中心频率为2.4 GHz时，双臂平面螺旋天线辐射归一化方向如图2所示。由于该天线为平面且双臂结构对称，所以其在XOZ和YOZ平面辐射出的辐射波瓣均为对称双向波束，且最大辐射方向均在天线两侧的法线方向上，上下波束的半功率波瓣宽度(Half Power Beam Width，HPBW)均大于60°，增益大于4 dB。
图2 双臂平面螺旋天线辐射归一化方向
图3为HFSS软件仿真的双臂平面螺旋天线辐射方向3D效果。可见该天线辐射的2个波瓣分别在天线平面(XOY平面)的两侧。已知具有圆极化特性的双臂平面螺旋天线具有旋向正交性，即发射天线和接收天线之间满足互易定理：天线若辐射左旋圆极化波，则只接收左旋圆极化波；天线若辐射右旋圆极化波，则只接收右旋圆极化波。由图3可知，本文设计的双臂平面螺旋天线同时辐射左旋圆极化波和右旋圆极化波波束，因此该天线具有旋向正交性，可工作于同一频段而互不干扰，从而实现频率复用，提高信道容量。
(a) 右旋圆极化分量
(b) 左旋圆极化分量
图3 双臂平面螺旋天线辐射方向3D效果
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1.5～10 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 GHz时，回波损耗为-28 dB；中心频率为5.8 GHz时，回波损耗为-18.4 dB，均满足小于-10 dB的设计要求。天线相对带宽达60%，属于超宽带天线范畴。
图4 双臂平面螺旋天线的电压驻波比
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10圈双臂平面螺旋天线辐射归一化方向，外圈半径为45 mm，3 dB波瓣宽度为120°，增益大于6 dB，优于参考文献[7]中小型单极子超宽带天线增益(5.2 dB)。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。
图6 10圈双臂平面螺旋天线辐射归一化方向
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，HPBW大于60°，满足矿用天线最大扫描角大于30°的要求。5圈双臂平面螺旋天线的增益大于4 dB，10圈双臂平面螺旋天线增益大于6 dB，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。
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WANG Tingting, XU Zhao
(School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology,
Xuzhou 221008, China)
Abstract：A two-arms planar spiral antenna was designed for long-narrow confined space like tunnels. The antenna is composed of two symmetrical arms which are structured by four equiangular helix lines. Compared with traditional omni-directional antenna, the antenna has greater potential for reducing reflection loss of radio waves by tunnel walls. Because of circular polarization characteristics, the antenna has potential for weakening influence of multi-path effect, and bidirectional radiation characteristic can make the antenna to improve radiation efficiency. The simulation results show that when the antenna with five cores works at 2.4 GHz, half power beam width in 3 dB is more than 60 degree and gain is more than 4 dB while the antenna with ten cores is 120 degree and 6 dB seperately.
Key words:two-arms planar spiral antenna; circular polarization; directional beam; anti-multipath
作者简介：王婷婷(1986-)，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-mail：tracy_cumt@163.com。
基金项目：江苏省自然科学基金面上资助项目(BK20130199,BK20131124)。
收稿日期：2015-11-05；修回日期：2015-12-30；责任编辑：李明。
中图分类号：TD655
文献标志码：A 网络出版时间：2016-01-26 15:47
文章编号：1671-251X(2016)02-0055-03
DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.02.014
王婷婷，徐钊.一种矿用定向天线设计[J].工矿自动化，2016,42(2)：55-57.