CN102522628B

CN102522628B - 应用于矿井、巷道的高增益双向端射天线阵

Info

Publication number: CN102522628B
Application number: CN201110409719.7A
Authority: CN
Inventors: 张志军; 刘龙生; 冯正和
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2011-12-09
Filing date: 2011-12-09
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2031-12-09
Also published as: CN102522628A

Abstract

一种应用于矿井、巷道的高增益双向端射天线阵，属于无线通信中的天线设计领域，采用基于弯曲线做偶极子臂的折叠偶极子作为天线单元，使单元结构紧凑；天线单元介质板采用工字型结构，减小了馈电传输线跨越天线单元时所引入的不连续性，减少了反射；使用水平平行双线和垂直平行双线结构相结合的串联馈电形式，实现了相邻单元的反向激励和阻抗匹配，从而获得高增益的双向端射辐射，该天线阵列适用于在矿井、巷道这类典型的空间受限的非自由空间传播信道内实现无线通信，具有天线单元紧凑、迎风面积小、低成本、高增益的优点。

Description

应用于矿井、巷道的高增益双向端射天线阵

技术领域

本发明属于无线通信技术的天线设计领域，涉及一种高增益双向端射天线阵，尤其是涉及一种应用于矿井、巷道的高增益双向端射天线阵。

背景技术

矿井是一个典型的空间受限的非自由空间传播信道，电磁波在其中传播时，由于巷道四壁及矿井内不规则分布的物体引起频繁的反射、绕射、散射，从而产生显著的多径效应，同时，电磁波受矿井内岩石、矿石等的吸收和反射，衰减很快，传输距离大大缩短。

由于有线信道相对于无线信道稳定，成熟的地面有线通信方案可以相对容易地移用到矿井通信，因而，国内外早期比较成熟的矿井通信方案基本上都是采用有线的通信方式，即有线电话线或者泄漏电缆。难而，泄漏电缆存在着诸多缺点：首先，泄漏的铺设成本较高，维护也比较困难，不太适合于矿井作业场地变动频繁、工作人员流动分散的情景；其次，泄漏电缆的传输衰耗大于同轴电缆自身固有的衰耗，当应用于较远距离通信时，衰耗随着通信距离的增大显著增大，因而需要隔断增加中继器来增大通信距离，增加了系统的复杂性和成本开销，系统过于庞大时，过多的中继器使得背景噪声急剧增加，反而会降低通信质量；再者，泄漏电缆通信系统的收发之间需要经过基地站转换，基地站故障将使整个通信系统瘫痪。

当采用无线通信方式时，需要天线具有双向辐射特性以适应矿井特殊的通信环境，两副背靠背的八木天线可以实现双向端射辐射，难而馈源端需要经3dB功分器分成两路等幅反向的信号分别馈电，由12单元组成的八木天线长度为2.2λ₀(λ₀为工作频所对应的自由空间波长)，增益为12.25dB。当背靠背组阵实现双向辐射时，天线阵总尺寸大约为4.4λ0×0.5λ0，而最大增益只有9.25dB。为实现矿井内的双向辐射，国外有大量学者对此做了相关研究，并提出了许多不同的天线结构。日本学者H.Arai，K.Kohzu等提出在地板的上方放置一块两端挖有缺陷的贴片，通过反向的探针激励，实现了双频的双向辐射，较低频率由有缺陷的贴片模式产生，较高频率由馈电探针(类似于倒L天线)产生，但是其增益只有0.83dBi，通过在两端各增加三个起引向器作用的寄生单元后，其增益可以达到5.71dBi，为了降低H面的交叉极化水平，在上述天线的基础上做了修改，形成了摇把型天线，交叉极化水平得到了17.6dB的改善。泰国学者C.Phongcharoenpanich，T.Sroysuwan等提出用探针激励的圆环(或椭圆环)单元可以实现双向辐射，可以根据需求通过不同的组阵方式实现不同的定向性。韩国学者A.Batgerel，S.Y.Eom提出了一种类似背靠背八木阵的结构：采用线极化的微带偶极子激励源和两端各8个引向作用的圆盘单元，增益可以达到10.29dBi。

矿井作为一种特殊的工作场所，CH₄，CO等气体含量大大超过地表面，当矿井内的CH₄达到一定水平时极易引发爆炸事故，高浓度的CO容易使人窒息。为了保证矿井内工作人员的安全，矿井巷道要求风速为2-6m/s，然而，上述天线都是平面结构(圆形，椭圆形，或者正方形等)，迎风面积都比较大，当布置在矿井内，大大影响了巷道通风，而且灰尘等容易积累在天线表面，逐渐降低天线的辐射性能。因此，研究、设计一种小迎风面积、高增益的双向辐射天线具有良好的实用价值。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种应用于矿井、巷道的高增益双向端射天线阵，工作于834-899MHz，单元结构紧凑，迎风面积小。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

应用于矿井、巷道的高增益双向端射天线阵，包括：

天线单元，共有六个，分别为第一天线单元，第二天线单元，第三天线单元，第四天线单元，第五天线单元，第六天线单元，其中，每个天线单元均包括双层印刷电路板，在所述双层印刷电路板的正面印制有正面第一偶极子臂和正面第二偶极子臂，反面印制有反面偶极子臂，双层印刷电路板上有第一短路通孔和第二短路通孔，第一短路通孔连接正面第一偶极子臂与反面偶极子臂，第二短路通孔连接正面第二偶极子臂与反面偶极子臂；第三天线单元和第四天线单元除上述结构外，还包括印制在其双层印刷电路板反面的反面转换短臂，双层印刷电路板上还有第三短路通孔；

串联馈电传输线，共有五组，分别为第一传输线，第二传输线，第三传输线，第四传输线，第五传输线，其中，第一传输线、第二传输线、第四传输线和第五传输线都由水平且平行的第一双线传输线和第二双线传输线组成，第三传输线由竖直且平行的第一双线传输线和第二双线传输线组成；

半钢同轴馈线，其内导体焊接在第三传输线的第一双线传输线中点处，外导体焊接在第三传输线的第二双线传输线中点处，形成上述串联馈电传输线的馈电点；

其中，

第一传输线的第一双线传输线用来连接第一天线单元的正面第一偶极子臂与第二天线单元的正面第一偶极子臂，第一传输线的第二双线传输线用来连接第一天线单元的正面第二偶极子臂与第二天线单元的正面第二偶极子臂；

第二传输线的第一双线传输线用来连接第二天线单元的正面第一偶极子臂与第三天线单元的正面第一偶极子臂，第二传输线的第二双线传输线用来连接第二天线单元的正面第二偶极子臂与第三天线单元的正面第二偶极子臂；

第三传输线的第一双线传输线用来连接第三天线单元的正面第一偶极子臂与第四天线单元的正面第一偶极子臂，第三传输线的第二双线传输线用来连接第三天线单元的反面转换短臂与第四天线单元的反面转换短臂；

第四传输线的第一双线传输线用来连接第四天线单元的正面第一偶极子臂与第五天线单元的正面第一偶极子臂，第四传输线的第二双线传输线用来连接第四天线单元的正面第二偶极子臂与第五天线单元的正面第二偶极子臂；

第五传输线的第一双线传输线用来连接第五天线单元的正面第一偶极子臂与第六天线单元的正面第一偶极子臂，第五传输线的第二双线传输线用来连接第五天线单元的正面第二偶极子臂与第六天线单元的正面第二偶极子臂。

所述的五组串联馈电传输线的长度都为0.5λ₀，实现相邻单元之间的位相反向，其中λ₀为工作频所对应的自由空间波长。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1)本发明采用折叠偶极子作为天线单元，使用弯曲线来减少单元的体积；

2)本发明天线单元介质板采用工字型结构，减小了馈电传输线跨越天线单元时所引入的不连续性，减少了反射；

3)本发明使用传输线进行串联馈电组阵，不需要功分器等复杂馈电网络，从而减少了因馈电网络等引入的功率损耗；

4)本发明的传输线馈电结构同时采用了水平平行双线和垂直平行双线结构，很好地实现了阻抗匹配；

5)本发明的传输线采用空气/泡沫做介质，降低了介质损耗，提高了天线增益；

6)本发明天线阵的迎风面积只有100mm×1mm，对矿井巷道通风的影响大大减小；

7)本发明的天线单元采用普通的FR4印刷电路板(PCB，printed circuitboard)，降低了设计和制造成本。

附图说明

图1为本发明提供的高增益双向端射天线阵俯视图。

图2为图1的第一(第六)天线单元11(16)的实施尺寸图，单位均为毫米(mm)，图2(a)为其在图1所示坐标系的xy平面视图，图2(b)为其在图1所示坐标系的xz平面视图。

图3为图1的第二(第五)天线单元12(15)的实施尺寸图，单位均为毫米(mm)，图3(a)为其在图1所示坐标系的xy平面视图，图3(b)为其在图1所示坐标系的xz平面视图。

图4为图1的第三(第四)天线单元13(14)的实施尺寸图，单位均为毫米(mm)，图4(a)为其在图1所示坐标系的xy平面视图，图4(b)为其在图1所示坐标系的xz平面视图。

图5为图1的第一传输线21(25)的实施尺寸图，单位均为毫米(mm)。

图6为图1的第二传输线22(24)的实施尺寸图，单位均为毫米(mm)。

图7为图1的第三传输线23的实施尺寸图，单位均为毫米(mm)。

图8为图1-图7实施例的双向端射天线阵的回波损耗测量图(S11)：-▲-。

图9为图1-图7的实施例的双向端射天线阵的增益测量图：-▲-。

图10为图1-图7的实施例的双向端射天线阵工作于860MHz时的功率增益方向图：(-■-：θ分量功率增益方向图；-▲-：

分量功率增益方向图)：(a)：X-Y平面功率增益方向图；(b)：Y-Z平面功率增益方向图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的高增益双向端射天线阵，包括：

天线单元1，共有六个，分别为第一天线单元11，第二天线单元12，第三天线单元13，第四天线单元14，第五天线单元15，第六天线单元16；

串联馈电传输线2，共有五组，分别为第一传输线21，第二传输线22，第三传输线23，第四传输线24，第五传输线25，其中，第一传输线21、第二传输线22、第四传输线24和第五传输线25都由水平且平行的第一双线传输线和第二双线传输线组成，第三传输线23由竖直且平行的第一双线传输线231和第二双线传输线232组成；

半钢同轴馈线3，其内导体31焊接在第三传输线23的第一双线传输线231中点处，外导体32焊接在第三传输线23的第二双线传输线232中点处，形成上述串联馈电传输线的馈电点。此时，第三传输线23实质是两段1/4波长阻抗变换器，通过调整其第一双线传输线231和第二双线传输线232的线宽和间距，可以将天线阵列的阻抗调整到50欧姆，从而实现整个天线阵和半钢同轴馈线3的匹配。

其中，

第一天线单元11由印制在双层印刷电路板111正面的正面第一偶极子臂112、正面第二偶极子臂113分别通过第一短路通孔115、第二短路通孔116与反面的反面偶极子臂114连接形成折叠偶极子天线单元，正面第一偶极子臂112与正面第二偶极子臂113之间的间距即为第一传输线21的第一双线传输线211与第二双线传输线212之间的间距，同第一双线传输线211和第二双线传输线212的线宽共同决定第一传输线21的特征阻抗，使得特征阻抗等于第一天线单元11的输入阻抗，从而在第一天线单元11处实现无反射传输；

第二天线单元12由印制在双层印刷电路板121正面的正面第一偶极子臂122、正面第二偶极子臂123分别通过第一短路通孔125、第二短路通孔126与反面的反面偶极子臂124连接形成折叠偶极子天线单元，正面第一偶极子臂122与正面第二偶极子臂123之间的间距即为第二传输线22的第一双线传输线221与第二双线传输线222之间的间距，同第一双线传输线221和第二双线传输线222的线宽共同决定第二传输线22的特征阻抗，使得特征阻抗等于第一天线单元11与第二天线单元12并联后的输入阻抗，从而在第二天线单元12处实现无反射传输；

第三天线单元13由印制在双层印刷电路板131正面的正面第一偶极子臂132、正面第二偶极子臂133分别通过第一短路通孔135、第二短路通孔136与反面的反面偶极子臂134连接形成折叠偶极子天线单元，为了实现水平平行双线传输线和垂直平行双线传输线之间的过渡，由第三短路通孔137将正面第二偶极子臂133向背面引出反面转换短臂138；

第四天线单元14由印制在双层印刷电路板141正面的正面第一偶极子臂142、正面第二偶极子臂143分别通过第一短路通孔145、第二短路通孔146与反面的反面偶极子臂144连接形成折叠偶极子天线单元，为了实现水平平行双线传输线和垂直平行双线传输线之间的过渡，由第三短路通孔147将正面第二偶极子臂143向背面引出反面转换短臂148；

第五天线单元15由印制在双层印刷电路板151正面的正面第一偶极子臂152、正面第二偶极子臂153分别通过第一短路通孔155、第二短路通孔156与反面的反面偶极子臂154连接形成折叠偶极子天线单元，正面第一偶极子臂152与正面第二偶极子臂153之间的间距即为第四传输线24的第一双线传输线241与第二双线传输线242之间的间距，同第一双线传输线241和第二双线传输线242的线宽共同决定第四传输线24的特征阻抗，使得特征阻抗等于第六天线单元16与第五天线单元15并联后的输入阻抗，从而在第五天线单元15处实现无反射传输；

第六天线单元16由印制在双层印刷电路板161正面的正面第一偶极子臂162、正面第二偶极子臂163分别通过第一短路通孔165、第二短路通孔166与反面的反面偶极子臂164连接形成折叠偶极子天线单元，正面第一偶极子臂162与正面第二偶极子臂163之间的间距即为第五传输线25的第一双线传输线251与第二双线传输线252之间的间距，同第一双线传输线251和第二双线传输线252的线宽共同决定第五传输线25的特征阻抗，使得特征阻抗等于第六天线单元16的输入阻抗，从而在第六天线单元16处实现无反射传输；

五对传输线的长度都大约为0.5λ₀，λ₀为工作频所对应的自由空间波长，实现相邻单元之间的馈电位相反向，此时相邻单元间的空间相位差也恰好为反向，从而获得双向端射辐射方向图。

第一传输线21的第一双线传输线211用来连接第一天线单元11的正面第一偶极子臂112与第二天线单元12的正面第一偶极子臂122，第一传输线21的第二双线传输线212用来连接第一天线单元11的正面第二偶极子臂113与第二天线单元12的正面第二偶极子臂123，通过调整第一双线传输线211和第二双线传输线212的线宽和间距，使得在第一天线单元11处实现无反射传输；

第二传输线22的第一双线传输线221用来连接第二天线单元12的正面第一偶极子臂122与第三天线单元13的正面第一偶极子臂132，第二传输线22的第二双线传输线222用来连接第二天线单元12的正面第二偶极子臂123与第三天线单元13的正面第二偶极子臂133，通过调整第一双线传输线221和第二双线传输线222的线宽和间距，使得在第二天线单元12处实现无反射传输；

第三传输线23的第一双线传输线231用来连接第三天线单元13的正面第一偶极子臂132与第四天线单元14的正面第一偶极子臂142，第三传输线23的第二双线传输线232用来连接第三天线单元13的反面转换短臂138与第四天线单元14的反面转换短臂148；

第四传输线24的第一双线传输线241用来连接第四天线单元14的正面第一偶极子臂142与第五天线单元15的正面第一偶极子臂152，第四传输线24的第二双线传输线242用来连接第四天线单元14的正面第二偶极子臂143与第五天线单元15的正面第二偶极子臂153，通过调整第一双线传输线241和第二双线传输线242的线宽和间距，使得在第五天线单元15处实现无反射传输；

第五传输线25的第一双线传输线251用来连接第五天线单元15的正面第一偶极子臂152与第六天线单元16的正面第一偶极子臂162，第五传输线25的第二双线传输线252用来连接第五天线单元15的正面第二偶极子臂153与第六天线单元16的正面第二偶极子臂163，通过调整第一双线传输线251和第二双线传输线252的线宽和间距，使得在第六天线单元16处实现无反射传输。

本发明的技术方案是这样实现的：采用折叠偶极子作为天线单元，并将偶极子臂弯曲化以减少单元的体积使得单元的结构紧凑；天线单元介质板采用两端阔中间窄的工字型结构，减小了馈电传输线跨越天线单元时所引入的不连续性，减少了反射；相距为半波长的六个天线单元通过位于阵列中心的半钢同轴馈线3经串联馈电传输线21-25进行串联馈电；五对传输线如果都采用水平平行传输线(或者垂直平行传输线)，可以使得天线单元结构更加一致，但是仿真结果显示，在一定尺寸范围内(受制作工艺水平影响)，水平平行传输线(相对较大的特征阻抗)、垂直平行传输线(相对较小的特征阻抗)都只能提供一定范围的特征阻抗，单纯采用水平平行传输线(或者垂直平行传输线)都不能很好地实现天线阵列的匹配，因此选用了水平平行传输线结合垂直平行传输线的串联馈电方式。

该结构具体说明如下：

首先根据要求实现工作频率的要求，设计天线单元，如果采用正常的折叠偶极子，天线单元的尺寸很大，为了使单元结构紧凑，采用基于弯曲线的偶极子臂，固定线宽为1mm，通过调整弯曲线的高度、间距等相关参数，使得天线单元谐振在所需频率附近，并得到天线的输入阻抗；其次，通过仿真得到水平平行传输线、垂直平行传输线的特征阻抗与线宽和间距之间的关系；第三，通过调整水平平行传输线、垂直平行传输线的线宽和间距，实现天线阵列和半钢同轴馈线3的匹配。本发明的天线单元可以采用普通的数字电路PCB制作工艺制作。

如图2-图7所示，工字型的双层印刷电路板111、121、131、141、151、161采用1mm厚的FR4介质基片，相对介电常数为4.4，外围尺寸均为100mm×29mm，外边缘离天线单元偶极子臂的距离均为0.5mm，所有偶极子臂112、122、132、142、152、162、113、123、133、143、153、163、114、124、134、144、154、164、138、148的线宽统一为1mm；所有偶极子臂(除反面转换短臂外)112、122、132、142、152、162、113、123、133、143、153、163、114、124、134、144、154、164的折叠宽度为5mm，折叠深度为10mm；所有通孔115、125、135、145、155、165、116、126、136、146、156、166、137、147的外径为1mm，内径为0.4mm，第一传输线21、第五传输线25的宽度为1.2mm，水平间距为2mm，第二传输线22、第四传输线24的宽度为2.2mm，间距为1mm，第三传输线23的宽度为2.2mm，垂直间距为1mm，第三传输线23在对角线上切掉1.1mm×1.1mm的等腰直角三角形切角，具体尺寸参数和结构配置见图2-7所示。

以图2-图7所示尺寸制作的高增益双向端射天线阵的S11测试结果如图8所示，该天线的谐振频率为864MHz，回波损耗S11＜-10dB的带宽为834-899MHz。

以图2-图7所示尺寸制作的高增益双向端射天线阵的功率增益测试结果如图9所示，在834-899MHz的阻抗带宽范围内，天线增益为8.05-9.05dB。

以图2-图7所示尺寸制作的高增益双向端射天线阵工作于860MHz时的功率增益方向图10所示。E面(Y-Z平面)类似于倒8型，主瓣3dB波束宽度大约为60°，主瓣旁瓣比优于20dB；H面(X-Y平面)类似于倒8型，主瓣3dB波束宽度大约为60°，主瓣旁瓣比优于10dB；在3dB波束带宽内交叉均优于20dB；可知，所述天线实现了双向端射辐射，垂直面和水平面内主瓣波束都较宽，垂直面内的旁瓣小；同时所述天线单元结构紧凑，整个天线阵列的迎风面积只有100mm×1mm，对巷道内的通风影响非常小，本发明为矿井、巷道的无线通信提供解决方案。

本发明的高增益双向端射天线阵可以相应根据业务工作频率调整所述天线的尺寸。本发明适用于实现矿井、巷道内的无线通信。

Claims

1.应用于矿井、巷道的高增益双向端射天线阵，其特征在于，包括：

天线单元，共有六个，分别为第一天线单元，第二天线单元，第三天线单元，第四天线单元，第五天线单元，第六天线单元，其中，每个天线单元均包括双层印刷电路板，在所述双层印刷电路板的正面印制有均具有两个端部的正面第一偶极子臂和正面第二偶极子臂，反面印制有具有两个端部的反面偶极子臂，双层印刷电路板上有第一短路通孔和第二短路通孔，第一短路通孔连接每个天线单元正面第一偶极子臂的一端与该天线单元反面偶极子臂的一端，第二短路通孔连接每个天线单元正面第二偶极子臂的一端与反面偶极子臂的另一端；第三天线单元和第四天线单元除上述结构外，还包括印制在其双层印刷电路板反面的具有两个端部的反面转换短臂，双层印刷电路板上还有第三短路通孔，第三短路通孔连接第三天线单元和第四天线单元正面第二偶极子臂的另一端和相应天线单元的反面转换短臂的一端；

串联馈电传输线，共有五组，分别为第一传输线，第二传输线，第三传输线，第四传输线，第五传输线，其中，第一传输线、第二传输线、第四传输线和第五传输线都由水平且平行的第一双线传输线和第二双线传输线组成，第三传输线由竖直且平行的第一双线传输线和第二双线传输线组成，其中第三传输线的第一双线传输线和第二双线传输线位于与第一传输线、第二传输线、第四传输线、第五传输线构成的水平面相垂直的垂直面上；第一传输线、第二传输线、第三传输线、第四传输线、第五传输线的第一双线传输线分别连接第一天线单元的正面第一偶极子臂的另一端与第二天线单元的正面第一偶极子臂的另一端、第二天线单元的正面第一偶极子臂的另一端与第三天线单元的正面第一偶极子臂的另一端、第三天线单元的正面第一偶极子臂的另一端与第四天线单元的正面第一偶极子臂的另一端、第四天线单元的正面第一偶极子臂的另一端与第五天线单元的正面第一偶极子臂的另一端、第五天线单元的正面第一偶极子臂的另一端与第六天线单元的正面第一偶极子臂的另一端；第一传输线、第二传输线、第三传输线、第四传输线、第五传输线的第二双线传输线分别连接第一天线单元的正面第二偶极子臂的另一端与第二天线单元的正面第二偶极子臂的另一端、第二天线单元的正面第二偶极子臂的另一端与第三天线单元的正面第二偶极子臂的另一端、第三天线单元的反面转换短臂的另一端与第四天线单元的反面转换短臂的另一端、第四天线单元的正面第二偶极子臂的另一端与第五天线单元的正面第二偶极子臂的另一端、第五天线单元的正面第二偶极子臂的另一端与第六天线单元的正面第二偶极子臂的另一端；并且，第一天线单元，第二天线单元，第五天线单元，第六天线单元的正面第一偶极子臂和正面第二偶极子臂之间的间距与其对应的第一双线传输线与第二双线传输线之间的间距相同；

半钢同轴馈线，其内导体焊接在第三传输线的第一双线传输线中点处，外导体焊接在第三传输线的第二双线传输线中点处，形成上述串联馈电传输线的馈电点。

2.根据权利要求1所述双向端射天线阵，其特征在于，所述的双层印刷电路板为两端阔中间窄的工字型结构。

3.根据权利要求1所述双向端射天线阵，其特征在于，所述的每个天线单元都采用折叠偶极子，偶极子臂以标准方波的曲线形式折叠弯曲。

4.根据权利要求1所述双向端射天线阵，其特征在于，所述的串联馈电传输线采用空气或者泡沫做介质。

5.根据权利要求1所述双向端射天线阵，其特征在于，所述的五组串联馈电传输线的长度都为0.5λ₀，实现相邻单元之间的位相反向，其中λ₀为工作频率所对应的自由空间波长。