图1 半模衬底集成空腔天线结构
刘逢雪， 徐钊， 华钢
(中国矿业大学 信息与电气工程学院， 江苏 徐州 221008)
摘要：根据煤矿井下无线通信和人员实时监控对可穿戴式天线的要求，在半模衬底集成空腔天线的基础上，分析了通过在空腔不同位置添加短接针对谐振频率的影响，并利用可拆卸式的螺丝代替短接针，设计了一种能够实现2.45～3.07 GHz多频切换的矿用可穿戴式天线。由导电布、导电缝纫线和皮革衬底组成的天线实物的测试结果与仿真结果一致，验证了该天线设计的可行性。
关键词：井下无线通信； 可穿戴式天线； 半模衬底集成空腔天线； 多频切换天线
网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160126.1542.005.html
为了避免煤矿事故发生，提高井下作业的安全系数，需要对井下工作人员所处位置、身体各项指标(如心跳、血压等)以及周边环境参数(如瓦斯等有害气体含量)进行实时监控[1]。随着物联网技术和无线传感器网络的迅猛发展，上述各项数据都可通过各种传感器获取[2]。为了方便、实时地将数据传输到地面基站加以储存和监控，井下人员可以佩戴天线进行数据的无线传输。可穿戴式天线体积小、质量轻、可弯折、可集成在衣服上，并且和人体之间具有良好的电磁隔离，不会对井下工作人员的正常生产活动造成较大影响[3]。同时，可穿戴式天线一般被设计成无源器件，以满足井下应用的本质安全要求。较为常见的井下无线通信系统是漏泄馈线系统[4]，即在井下按照固定距离安装固定无线节点。针对漏泄馈线系统，可穿戴式天线仅需满足短距离的信号传输。但由于佩戴可穿戴式天线的人员在无线节点覆盖范围内可能处于不同位置，所以可穿戴式天线应有较宽的发射角度。鉴此，本文在半模衬底集成空腔天线的基础上，通过添加可拆卸的螺丝，设计了一种矿用多频切换半模衬底集成空腔天线。
半模衬底集成空腔天线由半个矩形空腔和1个开口面构成，如图1所示，其中a，b，h分别为空腔的宽、长、高。由于空腔高度非常小，其内部电场分布可认为仅存在z方向上的分量。
图1 半模衬底集成空腔天线结构
由于对称性原则，在矩形空腔的对称面上不存在切向分量的磁场分布，故该对称面可等效于一个完美导磁面。而在半模衬底集成空腔天线中，根据经典的空腔模型，开口面可视为完美导磁面，其有着和完整矩形空腔相同的内部电场分布。已知空腔的其他各个壁都为完美电导面，因此得到空腔结构的边界条件。根据空腔模型，可以解出所有可能存在的模。最低模对应的谐振频率为
(1)
式中：c为真空光速；εr为衬底材料的相对介电常数。
半模衬底集成空腔天线仅需完整空腔一半的尺寸就拥有和完整空腔相同的谐振频率和带宽，而且其结构上比较封闭，受周围环境(灰尘、水气等)的干扰较小，适合作为可穿戴式天线进行应用[5]。
现有可穿戴式天线多采用皮革、毛毡、发泡材料等作为衬底。以皮革和毛毡为衬底材料的可穿戴式天线的天线效率都比较低，基本不超过50%[6]；而在参考文献[5]中，由PF-4发泡材料为衬底的半模衬底集成空腔天线的天线效率达到90%以上。考虑到材料价格及样品制作难度，本文选择了一种较常见且价格便宜的皮革材料作为衬底，而在之后的研究中将考虑使用PF-4发泡材料。经过测量，所选用的皮革材料在2～4 GHz范围内相对介电常数约为1.3，损耗角正切约为0.02，厚度为2 mm。
本文中，半模衬底集成空腔天线的顶壁和底面由导电布NCS95R-CR组成，其方块电阻为0.04 Ω。侧壁由导电缝纫线Shieldit 117/17 2PLY经过缝纫组成，其方块电阻约为1 Ω，针脚间距为2 mm，共缝纫3遍以增加密度，减小侧壁的损耗。为了保证天线和人体之间的电磁隔离，本文选择100 mm×100 mm的正方形导电布底面，并将辐射开口放置于其对称中轴。经过HFSS建模仿真，当空腔尺寸为37.5 mm×75 mm时，阻抗匹配良好，天线处于工作状态，谐振频率为2.45 GHz。
天线工作状态由阻抗匹配情况确定，因此在天线阻抗发生变化时，其对应的工作频段也会发生偏移，甚至会发生阻抗不匹配(失配)的情况。对于贴片天线，在贴片和底面之间增加短接针是常见的通过改变天线阻抗调整工作频段的方法。半模衬底集成空腔天线同样拥有平面化的结构，故在空腔内增加短接针同样有可能起到调节谐振频率的作用。因此，对图1中的天线结构进行调整，在空腔内增加直径为1 mm，连接空腔顶壁和底面的短接针，如图2所示，其中x0，y0分别为短接针距空腔中心和空腔开口处的距离。
图2 添加短接针的半模衬底集成空腔天线结构
当x0=10，20 mm时，驻波比最小值和谐振频率随y0变化的曲线如图3所示。从图中可看出，当短接针靠近空腔开口或侧壁时，天线阻抗匹配最佳。但当短接针靠近侧壁时，谐振频率趋向于未加短接针的情况，不利于调节频率。这是因为在侧壁附近场强很弱，加短接针几乎不会对天线阻抗产生影响。因此，在靠近空腔开口处添加短接针既能调节频率，又能保证天线阻抗匹配。
当短接针位置坐标限定为y0=2 mm，0≤x0≤37 mm时，谐振频率和-10 dB相对带宽随x0变化的曲线如图4所示。从图中可看出，随着短接针位置从空腔中心(x0=0)向侧壁靠近，谐振频率近似线性下降，相对带宽保持缓慢下降。通过调整短接针的位置，可以得到2.45～3.07 GHz的谐振频率调节范围。
图3 驻波比最小值和谐振频率随
短接针距空腔开口处距离变化的曲线
图4 当y0=2 mm时谐振频率和-10 dB相对
带宽随短接针距空腔中心处距离变化的曲线
为验证多频切换设计的可行性，选择2.45 GHz(无短接针)、2.66 GHz(短接针位置为x0=21 mm，y0=2 mm)、2.86 GHz(短接针位置为x0=12 mm，y0=2 mm)和3.07 GHz(短接针位置为x0=0，y0=2 mm)4个谐振频率，在后3个谐振频率对应的短接针位置打直径约1 mm的过孔，使用相同直径的金属螺丝来代替短接针，并利用螺母实现螺丝的安装、拆卸，多频切换半模衬底集成空腔天线结构如图5所示。
图5 多频切换半模衬底集成空腔天线结构
按照设定的各项尺寸，制作了如图6所示的天线实物。使用标准SMA接头来形成馈电探针并提供50 Ω的标准阻抗。在馈电探针与空腔顶壁、SMA接头底座与底面的连接处使用导电树脂胶以保证导通，这是因为焊接的方式会损坏导电布。
通过HFSS仿真和实物测试，得到回波损耗曲线如图7所示。仿真所得各谐振频率和预期结果基本吻合，误差约为0.01 GHz，表明未进行短接的过孔不会在目标频段影响天线谐振，这是因为过孔的直径相对目标频率的波长(大于100 mm)很小。实测所得回波损耗曲线与仿真结果吻合，证实了设计的可行性。此外，实测的-10 dB相对带宽相比仿真结果较大，这是因为在仿真中忽略了导电树脂胶造成的损耗。
图6 天线实物
图7 回波损耗的仿真和测试结果
天线辐射方向仿真结果如图8所示，可看出仿真结果符合有限大小地面上水平磁偶极子的辐射方向特点。在各谐振频率上，天线辐射方向都有很宽的主瓣，满足发射角度覆盖广的设计要求；同时没有过多的背向辐射，从而保证了天线与人体之间的电磁隔离。此外，2.45，2.67，2.87，3.08 GHz谐振频率对应的最大增益分别为3.5，2.7，2.4，2.2 dB，其对应的辐射效率分别为42.5%，36.1%，35.2%，29%。
提出了一种矿用多频切换半模衬底集成空腔天线的设计方案。在半模衬底集成空腔天线的结构基础上，通过在不同位置安装可拆卸式的螺丝达到了多频切换的功能。由导电布、导电缝纫线和皮革衬底组成的天线实物的测试结果与仿真结果一致，验证了设计方案的可行性。
作为对井下可穿戴式天线研究的初步探索，本文设计的天线考虑了人员佩戴时天线朝向多变的实际情况，同时避免了背向辐射过大对人体造成影响的问题。今后将具体结合井巷中无线信道方向受限以及多径干扰的问题对该天线进行研究。
(a) 无短接，2.45 GHz
(b) x0=21 mm,2.67 GHz
(c) x0=12 mm,2.87 GHz
(d) x0=0,3.08 GHz
图8 天线辐射方向仿真结果
参考文献：
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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
作者简介：刘逢雪(1986-)，男，江苏徐州人，博士研究生，主要研究方向为煤矿井下信道建模和可穿戴式天线，E-mail:737254098@qq.com。 孔愨(1990-)，男，贵州毕节人，硕士研究生，研究方向为矿业系统工程，E-mail:645313914@qq.com。
基金项目：国家自然科学基金面上项目(51574232)。 “十二五”国家科技支撑计划资助项目(2012BAK04B07)。
收稿日期：2015-11-19；修回日期：2016-01-10；责任编辑：盛男。 2015-11-07；修回日期：2016-01-18；责任编辑：盛男。
中图分类号：TD655.3
文献标志码：A 网络出版时间：2016-01-26 15:42
文章编号：1671-251X(2016)02-0019-04
DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.02.005
刘逢雪，徐钊，华钢.矿用多频切换半模衬底集成空腔天线设计[J].工矿自动化，2016,42(2)：19-22.