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通信

矿用多频段微带天线设计

发布时间:2022-07-15   |  所属分类:通信:论文发表  |  浏览:  |  加入收藏
摘    要:
 
随着5G技术在煤矿的应用,多系统之间的信号干扰愈发密集,严重影响数据、语音和图像通信的质量,煤矿井下多系统共存问题日益凸显。针对该问题,设计了一种可同时工作于WiMAX/WiFi/4G/5G NR频段的矿用多频段微带天线。该天线在平面单极子天线的基础上,通过加载2个L形枝节及在地板上加载倒L形枝节的方式,使天线能够在多频段工作。仿真结果表明:该天线的中间、右侧和左侧枝节分别产生了2.4,3.5,4.8 GHz的谐振点,而在地板加载的倒L形枝节则提供了1.9 GHz的谐振点,天线可工作在3个频段,分别为1.88~2.73,3.26~3.79,4.7~5.9 GHz,能够有效覆盖WiMAX/WiFi/4G/5G NR煤矿井下全部的工作频段;由天线的峰值增益和归一化方向图可知,该天线在需要的工作频段内增益性能和整体辐射性能良好。
 
关键词:煤矿通信;微带天线;多频段;平面单极子天线; 5G;
 
Design of mine multi- band microstrip antenna
ZHANG Zhiwen XU Yanhong ZHOU Mengli WANG Anyi
College of Communication and Information Engineering, Xi'an University of Science and
Technology
 
Abstract:
With the application of 5G technology in the coal mine, the signal interference between multiple systems becomes more and more intensive. This seriously affects the quality of data, voice and image communication. The coexistence of multiple systems in coal mine becomes increasingly prominent. To solve this problem, a multi-band microstrip antenna for mine is designed, which can work in WiMAX/WiFi/4G/5G NR band at the same time. Based on a planar monopole antenna, the antenna can work in multiple frequency bands in the mode of loading two L-shaped branches and loading an inverted L-shaped branch on the floor. The simulation results show that the antenna's middle, right and left branches produce 2.4, 3.5 and 4.8 GHz resonance points respectively. The inverted L-shaped branch loaded on the floor provides 1.9 GHz resonance point. The antenna can work in three frequency bands, which are 1.88 - 2.73, 3.26 - 3.79 and 4.7 - 5.9 GHz respectively. The antenna can effectively cover all the operating frequency bands of WiMAX/WiFi/4G/5G NR in coal mines. According to the antenna's peak gain and normalized pattern, the antenna has good gain performance and overall radiation performance in the required operating frequency band.
 
Keyword:
coal mine communication; microstrip antenna; multi-band; planar monopole antenna; 5G;
 
0 引言
第五代移动通信技术(5G)具有可靠性高、传输速率高、时延小、容量大等优点,促进了煤矿智能化的快速发展[1,2]。然而,随着5G技术在煤矿的应用,多系统之间的信号干扰愈发密集[3],严重影响数据、语音和图像通信的质量,煤矿井下多系统共存问题日益突显。多频段工作微带天线可以较好地解决多系统之间的干扰问题,因此,得到了国内外众多研究人员的广泛关注。
 
实现微带天线多频段工作的方法主要有以下几种:① 陷波技术。超宽带(Ultra Wide Band,UWB)技术覆盖了所有需要的工作频点[4],但无法避免多个通信系统及各工作频点之间的干扰,文献[5-6]针对UWB天线采用陷波技术,实现了多个通信系统和各工作频点之间的有效隔离。② 贴片开槽或加载缺陷地技术。文献[7]通过在微带天线的辐射贴片上开U形槽,达到天线在多个频点工作的目的;文献[8]在接地板上蚀刻L形缺陷地结构,使天线具有双频工作特性。③ 多层堆叠贴片技术。通过堆叠多个大小不同的贴片产生多个工作频段[9,10]。④ 加载超材料结构。在天线上加载谐振环或互补谐振环[11,12,13],使天线具有多频工作特性。⑤ 在平面单极子天线上加载不同形状的枝节。通过将2个枝节弯曲成半环形倒L[14]、加载弧形和L形枝节[15]、采用三叉戟式天线[16]、弯延天线枝节[17]等方式,满足天线多频段工作需求。
 
平面单极子天线具有制作简单、成本低、质量轻、结构灵活且易于集成等优势。因此,本文在平面单极子天线的基础上,设计了一种可同时工作于WiMAX/WiFi/ 4G/5G NR频段的矿用多频段微带天线。该天线在单极子天线的基础上加载2个L形枝节,使天线能够在三频段工作,即天线能兼容煤矿井下商用5G NR频谱(2.51~2.67,3.40~3.60,4.80~4.90 GHz),WiFi频段(2.40~2.48 GHz),微波存取全球互通WiMAX频段(2.50~2.69 GHz);在金属地板加载倒L形枝节,增加1个低频谐振点,展宽低频处的带宽,使天线能够满足中国移动/联通/电信4G全频段(1.88~2.66 GHz)通信的要求。
 
1 矿用多频段微带天线设计
矿用多频段微带天线由辐射枝节、金属地板、介质基板、微带馈线组成,如图1所示,其中L1—L10为各段天线的长度,W1为微带线的宽度,W2为枝节的宽度,Ws为地板枝节的宽度。天线印制在FR4(相对介电常数εr为 4.4,损耗正切角为0.02⁰)介质基板上,介质板大小为G×G×H。介质基板的下表面印制有金属地板,宽度为G1。天线使用50 Ω微带线馈电。
 
天线设计过程如图2所示,对应的阻抗匹配曲线(S11曲线)如图3所示。通常情况下,尺寸约为λ/4(λ为波长)的单极子天线具有较好的辐射特性,且其输入阻抗接近50 Ω,易于馈线匹配。因此,一般设计单极子天线的尺寸为λ/4。波长计算公式为
 
λ=c/ fr (1)
 
式中:c为真空中的光速;fr为天线工作频率。
 
当 fr=2.5 GHz时,λ/4=30 mm。因为波的传输既要经过自由空间,也要经过介质,所以天线实际波长应介于介质的导波长和自由空间中的波长之间。介质的导波长为
 
λg=λ/εr−−√(2)
 
当fr=2.5 GHz时,λg/4≈14.3 mm。因此,L1的取值范围为14.3~30 mm,本文取L1=20 mm,此时天线在2.5 GHz阻抗匹配较好。
 
同理,天线2在原枝节的右侧加载1个新的谐振枝节,引入了1个新的3.5 GHz谐振点,该谐振点对应辐射枝节长度为L2+L3+L4。与天线1设计同理可得,L2+L3+L4的取值范围为10.2~21.4 mm。本文取L2+L3+L4=17.7 mm,此时天线在3.5 GHz阻抗匹配较好。此外,为了避免新加载的枝节对原枝节产生过强的耦合作用,可适当利用枝节的空间分布,使其耦合作用减小。当L3=3.5 mm时,由图3可以看出,新加载的枝节对原枝节耦合作用很小。为避免对原有的频点造成太大干扰,于是在天线的左侧增加1个谐振枝节,形成天线3。从图3可以看出,天线3在天线2的基础上增加了1个4.8 GHz谐振点,谐振点对应辐射枝节长度为L5+L6+L7,其取值范围为7.4~15.6 mm,本文取L5+L6+L7=14 mm,此时天线在4.8 GHz阻抗匹配较好。经仿真分析,当L6=2.5 mm时,由图3可见,天线间的各枝节之间的耦合作用可以忽略。在天线3的基础上,天线4在金属地板上增加倒L形枝节,枝节长度为L9+L10,在低频处产生1个新的1.9 GHz谐振点,从而展宽天线在低频处的工作带宽,使得天线能兼容商用4G全频段。同理可知,L9+L10取值范围为18.8~39.4 mm,本文取L9+L10=27 mm,此时天线在1.9 GHz阻抗匹配较好。
 
矿用多频段微带天线各参数见表1。
 
2 仿真与分析
借助Ansoft HFSS电磁仿真软件对所设计的天线进行性能分析,天线4的S11曲线如图4所示。可以看出:天线的中间、右侧和左侧枝节分别产生了2.4,3.5,4.8 GHz的谐振点,而在地板加载的倒L形枝节则提供了1.9 GHz的谐振点,从而展宽了天线在低频段处的带宽。最终,该天线可工作在3个频段,分别为1.88~2.73,3.26~3.79,4.7~5.9 GHz,能够有效覆盖WiMAX/WiFi/4G/5G NR煤矿井下全部的工作频段。
 
天线的峰值增益如图5所示。当天线工作在1.88~2.69 GHz频段时,天线的峰值增益为3.12~4.46 dB;工作在3.4~3.6 GHz和4.8~4.9 GHz时,天线的增益分别为3.6~3.9 dB和4.22~4.7 dB。可见,该天线在需要的工作频段内增益性能良好。
 
天线各个谐振点处的电流分布情况如图6所示。当谐振点为1.9 GHz时,中间枝节与左右两侧枝节的电流几乎相同,倒L形枝节的电流幅度较大,说明在谐振点为1.9 GHz时,倒L形枝节起主导作用。当谐振点为2.4 GHz时,中间枝节的电流大于左右两侧枝节电流,此时中间枝节起主要作用。当谐振点为3.5 GHz时,右侧枝节的电流明显大于中间枝节和左侧枝节的电流,说明在该频段右侧枝节影响最大。同理,在谐振点为4.8 GHz时,左侧枝节的电流较大,说明左侧枝节在高频点处的影响最大。
 
天线的归一化方向图如图7所示。由于加载了倒L枝节,天线的方向图在低频段出现了些许偏移。随着频率的增加,天线阻抗和馈线阻抗匹配不完全,介质基板损耗严重,方向图发生了轻微的变化,天线的E面方向图大致呈“8”字形,H面方向图呈“O”形,整体辐射性能良好。
 
3 结语
随着5G技术在煤矿逐渐普及,多系统共存问题日益突出。本文设计了一种具有低频宽带特性的三频段微带天线。在谐振点为2.4 GHz的单枝节单极子天线的基础上,在其左右两侧分别加载1个L形枝节,增加了3.5 GHz和4.8 GHz两个谐振点,从而使天线能在3个频段下工作;在金属地板上加载1个倒L形枝节,在低频段增加1个1.9 GHz谐振点,从而展宽低频段的带宽,使得天线的工作频带为1.88~2.73,3.26 ~3.79,4.70~5.90 GHz,能够有效覆盖煤矿井下WiMAX/WiFi/4G/5G NR工作频段。该天线不仅能覆盖常见的商业频段,而且具有结构简单、成本低、易加工的优势,因此在无线通信系统中具有良好的应用前景。
 
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