基于北斗的窖井井盖全向天线设计

摘要：基于北斗的地下管网及窖井井盖监控是实施城市安全和智慧城市的重要手段，目前存在着监测系统中天线受井盖影响大、安装困难、接收性能差等问题。本文针对上述问题设计了一种应用于北斗B1和GPSL1频段的方形圆极化微带天线，克服目前窖井井盖特殊环境北斗天线安装困难、频带窄、易受干扰等缺点。采用ANSOFT HFSS软件进行天线性能仿真，仿真结果表明，设计的井盖北斗天线有效中心频率为1568MHz，电压驻波比小于1.5，波束宽度GPSL1频段为1575.42±1.023MHz，北斗B1频段为1561.42±2.048MHz，符合地下管网及窖井井盖监测的实际应用要求。

引言

　　城市地下管线深埋于地下，通过窖井井盖进行日常维护。窖井井盖数量多，而且缺乏有效的实时监控及管理手段，会经常出现井盖吃人、巡查繁复等情况，基于北斗的窖井井盖远程监测系统可以实时检测到井盖的状态信息。在监测系统中，天线作为至关重要的环节，其性能的优劣往往是决定整个北斗定位及应用成败的关键。本文针对目前窖井井盖监测中微带天线引起的低仰角增益、频带宽度与天线体积等问题，设计了一种应用于北斗B1和GPSL1频段的方形圆极化微带天线。

1 北斗天线设计方案

1.1 设计要求

　　在基于北斗的地下管网及窖井井盖监测系统中，由于窖井井盖天线受到窖井周围特殊工作环境对天线性能的影响比较大，因此，当对窖井井盖天线的建模越接近于工作的实际环境时，就能更精确地预测其工作特性。受窖井井盖内部空间及井盖材料的限制，北斗天线必须要具有360°全方位覆盖能力来适应载体窖井井盖带来天线指向变化;同时，为保证可靠的通信能力，要求北斗天线必须能够达到一定的增益。

1.2 窖井井盖北斗天线的设计

　　本文根据窖井井盖北斗天线的设计要求，基于微带天线辐射原理，设计的方形圆极化微带天线应用于北B1和GPSL1频段，介质板采用厚度h=1.6mm的Arlon AD450板，相对介电常数=4.5，采用探针对微带贴片进行馈电。北斗接收天线和GPS天线采用右旋圆极化。本设计采用偏心馈电，通过添加径向带线实现简并分离元，另外径向带线可以改善微带天线低仰角的增益。

　　模型如图1所示，主要的参数包括辐射贴片的边长L，介质层的厚度h，介质的相对常数，损耗正切tanδ，介质层的长度B和宽度H以及馈电点参数。

　　矩形贴片的有效长度Le：

L_e=λ_g /2 (1)

　　导波波长λg：

(2)

　　(c:真空中的光速;f₀：天线的工作频率;ΔL：等效辐射缝隙的长度)

　　矩形贴片的宽度W：

(6)

　　对于同轴线馈电微带贴片天线来说，坐标原点位于微带贴片的中心点，以(x_f，y_f)来表示馈电点的坐标，则馈电点的相关计算方式为：

　　将C=3×10⁸m/s，f₀=1.568×10⁹Hz，=4.5代入，可以算出辐射贴片的宽度以及馈电点的位置。

1.3 窖井井盖天线工作指标要求

　　在对基于北斗窖井井盖远程监测系统中天线的功能及设计需要进行分析后，并结合天线的工作环境和安装结构等，得到了窖井井盖北斗天线工作性能要求，如表1所示。

2 井盖状态监测系统

　　井盖状态监测系统包括井盖监测中心和井盖节点中心两个部分组成。其中井盖节点中心由北斗定位模块、位移传感器、无线传输模块、节点控制模块和节点电源模块组成。井盖监测中心由上位机、主站控制模块、主站扩频传输模块、外置天线和主站电源模块组成。系统框图如图2所示。

　　井盖节点中心由北斗定位模块、位移传感器、无线传输模块、节点控制模块和节点电源模块组成。其工作过程为：北斗定位模块固定在井盖底面中心位置，并且在井盖边缘使用具有绝缘层的、向上发射的窖井井盖北斗全向天线接收卫星信号传输NAME语句，通过柔性电缆与无线传输模块相连接，从而对接收的卫星信号进行传递，再通过中继器传输回井盖监测中心。

3 天线性能仿真及分析

　　在计算窖井井盖北斗天线参数和设计天线模型的基础上，采用HFSS15来进行仿真，Asoft公司的HFSS电磁仿真软件可以精确得出天线的各个参数数值，例如：二维、三维远场和近场辐射方向图、天线的方向性系数、增益、轴比、半功率波瓣宽度、输入阻抗、电压驻波比、S参数以及电流分布特性等。在仿真设计中通过对参数进行调整，得到仿真结果。

3.1 微带贴片天线仿真

　　已知Arlon AD450(tm)材料的相对介电常数εr= 4.5，按照式(1)~式(9) 可求出基片尺寸。结构变量定义如表 2 所示。

　　HFSS高频结构仿真器 (high frequency structuresimulator) 是利用有限元方法的三维频域电磁场计算软件，它对求解的微波问题以四面体为单元进行网格剖分，通过对各个剖分单元电场分量的计算来获得各个微波物理量和特性参数。

　　利用仿真软件 Ansoft HFSS15 创建了平面微带天线的仿真模型。由仿真结果可知，当对完全采用理论值设计的微带天线进行仿真时，得到的结果并不理想。

　　从回波损耗结果可以看出，谐振频率在1.5GHz附近，增加的简并分离元-径向带线增大了微带天线的辐射面积，使谐振频率偏低，在后面的调试中需要减小辐射贴片的面积。通过减小辐射贴片的面积，减小简并元的大小。从Smith圆周结果可以看出，简并分离元过大，圆周曲线会出现打圈的情况，通过减小简并元的大小来改善。

　　天线辐射贴片W为参数扫描变量，变量范围为42～45，扫描步长为0.2mm，最终确定当W=43mm时，谐振频率靠近1568MHz，通过W=43mm时的S(1,1)分析，需要将径向带线L1减小，将L2增大，即L1改为5.4mm，L2改为3.6mm，然后运行仿真。通过调整馈电点位置，使X0=5mm，Y0=7mm，得到最佳匹配。经过大量的建模尝试，最终获得比较理想的仿真结果。

　　综上，选择了厚度h = 1.6 mm，相对介电常数εr = 4.5的Arlon AD450( tm) 材料作为设计中应用的基片材料。设计的微带天线尺寸为:

　　W =43mm，L₁=5.4mm ，L₂=3.6mm,

　　X₀=5mm，Y₀=7mm。

3.2 调整后的天线性能

　　1)S参数图

　　S参数代表了在端口处电磁波的反射功率和入射功率的比值。而S参数图则给出了天线的S参数随频率变化的图形，通常情况下，默认S参数只有在低于-10dB时天线才能够正常工作，这时对应的VSRR近似等于2。绝对频带宽度被定义为S参数小于-10dB的频率范围，相对频带宽度定义为绝对带宽与中心频率之比。

　　从图3可以看出天线的中心频率在1568MHz处。在1561MHz处，S(1,1)为-48dB;在1575MHz处，S(1,1)为-15.8dB。

　　2)VSWR图

　　驻波比是衡量天线性能的重要参数，天线正常工作时，通常要求天线的驻波比的值不大于2。从图4中可以看出，天线的驻波比小于2，可以满足天线工作的要求。

　　3)方向图

　　天线方向图是衡量天线性能的重要图形，可以从天线方向图中观察天线的很多参数。E面和H面方向图如图5所示。

　　从图5中可以看出微带贴片天线的对称性较好，在Z轴方向辐射强度达到最大。E面和H 面的半功率波束宽度为-54°至54°之间，具有较宽的波束宽度。

　　4)天线增益方向图

　　从图6可以看出，正前方增益大于4dB， 仰角增益大于0dB，满足设计指标要求。

　　5)方向图高度结果

　　从图7中可以看出，在中心频率处，最大增益为-2.5dB，最小增益为-2.98dB，不圆度小于±1.0dB，满足设计指标。查看带宽内其他频点处的不圆度，不圆度均小于±1.0dB，满足设计指标。

　　综上所述，此微带天线工作的中心频率为1568MHz，在波束宽度L1：1575.42±1.023MHz， B1:1561.42±2.048MHz，电压驻波比小于1.5，电压驻波比VSWR和天线的相对带宽都相当不错，而且结构尺寸也适当，可以满足窖井井盖尺寸对贴片天线的要求。

4 结语

　　目前窖井井盖特殊环境中北斗天线安装困难、频带窄易受干扰、接收性能差。本文设计的微带GPS L1北斗B1双模天线，在频带内S(1,1)小于-15dB，仰角极化增益大于0dB，轴比小于3dB，仰角不圆度小于±1dB，符合地下管网及窖井井盖监测的实际应用要求。而且这种微带天线设计简单方便，经过仿真，也验证了设计的可行性。

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本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第9期第72页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。