劉逢雪，　徐釗，　華鋼

(中國礦業(yè)大學 信息與電氣工程學院， 江蘇 徐州　221008)

礦用多頻切換半模襯底集成空腔天線設計

劉逢雪，徐釗，華鋼

(中國礦業(yè)大學 信息與電氣工程學院， 江蘇 徐州221008)

摘要：根據煤礦井下無線通信和人員實時監(jiān)控對可穿戴式天線的要求，在半模襯底集成空腔天線的基礎上，分析了通過在空腔不同位置添加短接針對諧振頻率的影響，并利用可拆卸式的螺絲代替短接針，設計了一種能夠實現2.45～3.07 GHz多頻切換的礦用可穿戴式天線。由導電布、導電縫紉線和皮革襯底組成的天線實物的測試結果與仿真結果一致，驗證了該天線設計的可行性。

關鍵詞：井下無線通信； 可穿戴式天線； 半模襯底集成空腔天線； 多頻切換天線

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160126.1542.005.html

0引言

為了避免煤礦事故發(fā)生，提高井下作業(yè)的安全系數，需要對井下工作人員所處位置、身體各項指標(如心跳、血壓等)以及周邊環(huán)境參數(如瓦斯等有害氣體含量)進行實時監(jiān)控[1]。隨著物聯(lián)網技術和無線傳感器網絡的迅猛發(fā)展，上述各項數據都可通過各種傳感器獲取[2]。為了方便、實時地將數據傳輸到地面基站加以儲存和監(jiān)控，井下人員可以佩戴天線進行數據的無線傳輸?？纱┐魇教炀€體積小、質量輕、可彎折、可集成在衣服上，并且和人體之間具有良好的電磁隔離，不會對井下工作人員的正常生產活動造成較大影響[3]。同時，可穿戴式天線一般被設計成無源器件，以滿足井下應用的本質安全要求。較為常見的井下無線通信系統(tǒng)是漏泄饋線系統(tǒng)[4]，即在井下按照固定距離安裝固定無線節(jié)點。針對漏泄饋線系統(tǒng)，可穿戴式天線僅需滿足短距離的信號傳輸。但由于佩戴可穿戴式天線的人員在無線節(jié)點覆蓋范圍內可能處于不同位置，所以可穿戴式天線應有較寬的發(fā)射角度。鑒此，本文在半模襯底集成空腔天線的基礎上，通過添加可拆卸的螺絲，設計了一種礦用多頻切換半模襯底集成空腔天線。

1半模襯底集成空腔天線

半模襯底集成空腔天線由半個矩形空腔和1個開口面構成，如圖1所示，其中a，b，h分別為空腔的寬、長、高。由于空腔高度非常小，其內部電場分布可認為僅存在z方向上的分量。

圖1　半模襯底集成空腔天線結構

由于對稱性原則，在矩形空腔的對稱面上不存在切向分量的磁場分布，故該對稱面可等效于一個完美導磁面。而在半模襯底集成空腔天線中，根據經典的空腔模型，開口面可視為完美導磁面，其有著和完整矩形空腔相同的內部電場分布。已知空腔的其他各個壁都為完美電導面，因此得到空腔結構的邊界條件。根據空腔模型，可以解出所有可能存在的模。最低模對應的諧振頻率為

(1)

式中：c為真空光速；εr為襯底材料的相對介電常數。

半模襯底集成空腔天線僅需完整空腔一半的尺寸就擁有和完整空腔相同的諧振頻率和帶寬，而且其結構上比較封閉，受周圍環(huán)境(灰塵、水氣等)的干擾較小，適合作為可穿戴式天線進行應用[5]。

2材料選擇及參數

現有可穿戴式天線多采用皮革、毛氈、發(fā)泡材料等作為襯底。以皮革和毛氈為襯底材料的可穿戴式天線的天線效率都比較低，基本不超過50%[6]；而在參考文獻[5]中，由PF-4發(fā)泡材料為襯底的半模襯底集成空腔天線的天線效率達到90%以上?？紤]到材料價格及樣品制作難度，本文選擇了一種較常見且價格便宜的皮革材料作為襯底，而在之后的研究中將考慮使用PF-4發(fā)泡材料。經過測量，所選用的皮革材料在2～4 GHz范圍內相對介電常數約為1.3，損耗角正切約為0.02，厚度為2 mm。

本文中，半模襯底集成空腔天線的頂壁和底面由導電布NCS95R-CR組成，其方塊電阻為0.04 Ω。側壁由導電縫紉線Shieldit 117/17 2PLY經過縫紉組成，其方塊電阻約為1 Ω，針腳間距為2 mm，共縫紉3遍以增加密度，減小側壁的損耗。為了保證天線和人體之間的電磁隔離，本文選擇100 mm×100 mm的正方形導電布底面，并將輻射開口放置于其對稱中軸。經過HFSS建模仿真，當空腔尺寸為37.5 mm×75 mm時，阻抗匹配良好，天線處于工作狀態(tài)，諧振頻率為2.45 GHz。

3多頻切換設計

天線工作狀態(tài)由阻抗匹配情況確定，因此在天線阻抗發(fā)生變化時，其對應的工作頻段也會發(fā)生偏移，甚至會發(fā)生阻抗不匹配(失配)的情況。對于貼片天線，在貼片和底面之間增加短接針是常見的通過改變天線阻抗調整工作頻段的方法。半模襯底集成空腔天線同樣擁有平面化的結構，故在空腔內增加短接針同樣有可能起到調節(jié)諧振頻率的作用。因此，對圖1中的天線結構進行調整，在空腔內增加直徑為1 mm，連接空腔頂壁和底面的短接針，如圖2所示，其中x0，y0分別為短接針距空腔中心和空腔開口處的距離。

圖2　添加短接針的半模襯底集成空腔天線結構

當x0=10，20 mm時，駐波比最小值和諧振頻率隨y0變化的曲線如圖3所示。從圖中可看出，當短接針靠近空腔開口或側壁時，天線阻抗匹配最佳。但當短接針靠近側壁時，諧振頻率趨向于未加短接針的情況，不利于調節(jié)頻率。這是因為在側壁附近場強很弱，加短接針幾乎不會對天線阻抗產生影響。因此，在靠近空腔開口處添加短接針既能調節(jié)頻率，又能保證天線阻抗匹配。

當短接針位置坐標限定為y0=2 mm，0≤x0≤37 mm時，諧振頻率和-10 dB相對帶寬隨x0變化的曲線如圖4所示。從圖中可看出，隨著短接針位置從空腔中心(x0=0)向側壁靠近，諧振頻率近似線性下降，相對帶寬保持緩慢下降。通過調整短接針的位置，可以得到2.45～3.07 GHz的諧振頻率調節(jié)范圍。

圖3　駐波比最小值和諧振頻率隨

圖4　當y0=2 mm時諧振頻率和-10 dB相對

4仿真與測試結果

為驗證多頻切換設計的可行性，選擇2.45 GHz(無短接針)、2.66 GHz(短接針位置為x0=21 mm，y0=2 mm)、2.86 GHz(短接針位置為x0=12 mm，y0=2 mm)和3.07 GHz(短接針位置為x0=0，y0=2 mm)4個諧振頻率，在后3個諧振頻率對應的短接針位置打直徑約1 mm的過孔，使用相同直徑的金屬螺絲來代替短接針，并利用螺母實現螺絲的安裝、拆卸，多頻切換半模襯底集成空腔天線結構如圖5所示。

圖5　多頻切換半模襯底集成空腔天線結構

按照設定的各項尺寸，制作了如圖6所示的天線實物。使用標準SMA接頭來形成饋電探針并提供50 Ω的標準阻抗。在饋電探針與空腔頂壁、SMA接頭底座與底面的連接處使用導電樹脂膠以保證導通，這是因為焊接的方式會損壞導電布。

通過HFSS仿真和實物測試，得到回波損耗曲線如圖7所示。仿真所得各諧振頻率和預期結果基本吻合，誤差約為0.01 GHz，表明未進行短接的過孔不會在目標頻段影響天線諧振，這是因為過孔的直徑相對目標頻率的波長(大于100 mm)很小。實測所得回波損耗曲線與仿真結果吻合，證實了設計的可行性。此外，實測的-10 dB相對帶寬相比仿真結果較大，這是因為在仿真中忽略了導電樹脂膠造成的損耗。

圖6　天線實物

圖7　回波損耗的仿真和測試結果

天線輻射方向仿真結果如圖8所示，可看出仿真結果符合有限大小地面上水平磁偶極子的輻射方向特點。在各諧振頻率上，天線輻射方向都有很寬的主瓣，滿足發(fā)射角度覆蓋廣的設計要求；同時沒有過多的背向輻射，從而保證了天線與人體之間的電磁隔離。此外，2.45，2.67，2.87，3.08 GHz諧振頻率對應的最大增益分別為3.5，2.7，2.4，2.2 dB，其對應的輻射效率分別為42.5%，36.1%，35.2%，29%。

5結語

提出了一種礦用多頻切換半模襯底集成空腔天線的設計方案。在半模襯底集成空腔天線的結構基礎上，通過在不同位置安裝可拆卸式的螺絲達到了多頻切換的功能。由導電布、導電縫紉線和皮革襯底組成的天線實物的測試結果與仿真結果一致，驗證了設計方案的可行性。

作為對井下可穿戴式天線研究的初步探索，本文設計的天線考慮了人員佩戴時天線朝向多變的實際情況，同時避免了背向輻射過大對人體造成影響的問題。今后將具體結合井巷中無線信道方向受限以及多徑干擾的問題對該天線進行研究。

(a) 無短接，2.45 GHz

(b) x0=21 mm,2.67 GHz

(c) x0=12 mm,2.87 GHz

(d) x0=0,3.08 GHz

圖8天線輻射方向仿真結果

參考文獻：

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Design of mine-used frequency-switchable half-mode substrate-integrated cavity antenna

LIU Fengxue,XU Zhao,HUA Gang

(School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology,

Xuzhou 221008, China)

Abstract:Based on half-mode substrate-integrated cavity antenna, a mine-used frequency-switchable half-mode substrate-integrated cavity antenna was designed considering requirements for underground wireless communication and personnel real-time monitoring. Effect on resonance frequency by adding shorting pin in different positions inside cavity was analyzed. Based on the analysis, capacity of frequency-switching in band of 2.45-3.07 GHz was realized by installing removable screw through several pre-designed holes on the antenna. A prototype of the proposed antenna was fabricated with conductive fabric, conductive threads and leather substrate. The design of the proposed antenna was finally validated by agreement between the simulation and test results.

Key words:underground wireless communication; wearable antenna; half-mode substrate-integrated cavity antenna; frequency-switchable antenna

作者簡介：劉逢雪(1986-)，男，江蘇徐州人，博士研究生，主要研究方向為煤礦井下信道建模和可穿戴式天線，E-mail:737254098@qq.com。 孔愨(1990-)，男，貴州畢節(jié)人，碩士研究生，研究方向為礦業(yè)系統(tǒng)工程，E-mail:645313914@qq.com。

基金項目：國家自然科學基金面上項目(51574232)。 “十二五”國家科技支撐計劃資助項目(2012BAK04B07)。

收稿日期：2015-11-19；修回日期：2016-01-10；責任編輯：盛男。 2015-11-07；修回日期：2016-01-18；責任編輯：盛男。

中圖分類號：TD655.3

文獻標志碼：A網絡出版時間：2016-01-26 15:42

文章編號：1671-251X(2016)02-0019-04

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.02.005

劉逢雪，徐釗，華鋼.礦用多頻切換半模襯底集成空腔天線設計[J].工礦自動化，2016,42(2)：19-22.