摘要：依据斗极的地下管网及窖井井盖监控是施行城市安全和才智城市的重要手法，现在存在着监测体系中天线受井盖影响大、装置困难、接纳功能差等问题。本文针对上述问题规划了一种运用于斗极B1和GPSL1频段的方形圆极化微带天线，战胜现在窖井井盖特别环境斗极天线装置困难、频带窄、易受搅扰等缺陷。选用ANSOFT HFSS软件进行天线功能仿真，仿真成果表明，规划的井盖斗极天线有用中心频率为1568MHz，电压驻波比小于1.5，波束宽度GPSL1频段为1575.42±1.023MHz，斗极B1频段为1561.42±2.048MHz，契合地下管网及窖井井盖监测的实践运用要求。
导言
城市地下管线深埋于地下，通过窖井井盖进行日常保护。窖井井盖数量多，并且缺少有用的实时监控及办理手法，会经常呈现井盖吃人、巡查繁复等状况，依据斗极的窖井井盖长途监测体系能够实时检测到井盖的状况信息。在监测体系中，天线作为至关重要的环节，其功能的好坏往往是决议整个斗极定位及运用胜败的要害。本文针对现在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，规划了一种运用于斗极B1和GPSL1频段的方形圆极化微带天线。
1 斗极天线规划方案
1.1 规划要求
在依据斗极的地下管网及窖井井盖监测体系中，因为窖井井盖天线遭到窖井周围特别作业环境对天线功能的影响比较大，因而，当对窖井井盖天线的建模越接近于作业的实践环境时，就能更准确地猜测其作业特性。受窖井井盖内部空间及井盖资料的约束，斗极天线必需求具有360°全方位掩盖才能来习惯载体窖井井盖带来天线指向改变;一起，为确保牢靠的通讯才能，要求斗极天线有必要能够到达必定的增益。
1.2 窖井井盖斗极天线的规划
本文依据窖井井盖斗极天线的规划要求，依据微带天线辐射原理，规划的方形圆极化微带天线运用于北B1和GPSL1频段，介质板选用厚度h=1.6mm的Arlon AD450板，相对介电常数=4.5，选用探针对微带贴片进行馈电。斗极接纳天线和GPS天线选用右旋圆极化。本规划选用偏疼馈电，通过添加径向带线完成简并别离元，别的径向带线能够改进微带天线低仰角的增益。
模型如图1所示，首要的参数包含辐射贴片的边长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。
矩形贴片的有用长度Le：
Le=λg /2 (1)
导波波长λg：
(2)
(c:真空中的光速;f0：天线的作业频率;ΔL：等效辐射缝隙的长度)
矩形贴片的宽度W：
(6)
关于同轴线馈电微带贴片天线来说，坐标原点坐落微带贴片的中心点，以(xf，yf)来表明馈电点的坐标，则馈电点的相关核算办法为：
将C=3×108m/s，f0=1.568×109Hz，
=4.5代入，能够算出辐射贴片的宽度以及馈电点的方位。
1.3 窖井井盖天线作业目标要求
在对依据斗极窖井井盖长途监测体系中天线的功能及规划需求进行剖析后，并结合天线的作业环境和装置结构等，得到了窖井井盖斗极天线作业功能要求，如表1所示。
2 井盖状况监测体系
井盖状况监测体系包含井盖监测中心和井盖节点中心两个部分组成。其间井盖节点中心由斗极定位模块、位移传感器、无线传输模块、节点操控模块和节点电源模块组成。井盖监测中心由上位机、主站操控模块、主站扩频传输模块、外置天线和主站电源模块组成。体系框图如图2所示。
井盖节点中心由斗极定位模块、位移传感器、无线传输模块、节点操控模块和节点电源模块组成。其作业进程为：斗极定位模块固定在井盖底面中心方位，并且在井盖边际运用具有绝缘层的、向上发射的窖井井盖斗极全向天线接纳卫星信号传输NAME句子，通过柔性电缆与无线传输模块相连接，然后对接纳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 天线功能仿真及剖析
在核算窖井井盖斗极天线参数和规划天线模型的基础上，选用HFSS15来进行仿真，Asoft公司的HFSS电磁仿真软件能够准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参数以及电流散布特性等。在仿真规划中通过对参数进行调整，得到仿真成果。
3.1 微带贴片天线仿真
已知Arlon AD450(tm)资料的相对介电常数εr= 4.5，依照式(1)~式(9) 可求出基片尺度。结构变量界说如表 2 所示。
HFSS高频结构仿真器 (high frequency structuresimulator) 是使用有限元办法的三维频域电磁场核算软件，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重量的核算来取得各个微波物理量和特性参数。
使用仿真软件 Ansoft HFSS15 创建了平面微带天线的仿真模型。由仿真成果可知，当对彻底选用理论值规划的微带天线进行仿真时，得到的成果并不抱负。
从回波损耗成果能够看出，谐振频率在1.5GHz邻近，添加的简并别离元-径向带线增大了微带天线的辐射面积，使谐振频率偏低，在后面的调试中需求减小辐射贴片的面积。通过减小辐射贴片的面积，减小简并元的巨细。从Smith圆周成果能够看出，简并别离元过大，圆周曲线会呈现打圈的状况，通过减小简并元的巨细来改进。
天线辐射贴片W为参数扫描变量，变量规模为42～45，扫描步长为0.2mm，终究确定当W=43mm时，谐振频率接近1568MHz，通过W=43mm时的S(1,1)剖析，需求将径向带线L1减小，将L2增大，即L1改为5.4mm，L2改为3.6mm，然后运转仿真。通过调整馈电点方位，使X0=5mm，Y0=7mm，得到最佳匹配。通过许多的建模测验，终究取得比较抱负的仿真成果。
综上，挑选了厚度h = 1.6 mm，相对介电常数εr = 4.5的Arlon AD450( tm) 资料作为规划中运用的基片资料。规划的微带天线尺度为:
W =43mm，L1=5.4mm ，L2=3.6mm,
X0=5mm，Y0=7mm。
3.2 调整后的天线功能
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参数随频率改变的图形，一般状况下，默许S参数只要在低于-10dB时天线才能够正常作业，这时对应的VSRR近似等于2。肯定频带宽度被界说为S参数小于-10dB的频率规模，相对频带宽度界说为肯定带宽与中心频率之比。
从图3能够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
驻波比是衡量天线功能的重要参数，天线正常作业时，一般要求天线的驻波比的值不大于2。从图4中能够看出，天线的驻波比小于2，能够满意天线作业的要求。
3)方向图
天线方向图是衡量天线功能的重要图形，能够从天线方向图中调查天线的许多参数。E面和H面方向图如图5所示。
从图5中能够看出微带贴片天线的对称性较好，在Z轴方向辐射强度到达最大。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能够看出，正前方增益大于4dB， 仰角增益大于0dB，满意规划目标要求。
5)方向图高度成果
从图7中能够看出，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，满意规划目标。检查带宽内其他频点处的不圆度，不圆度均小于±1.0dB，满意规划目标。
综上所述，此微带天线作业的中心频率为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恰当不错，并且结构尺度也恰当，能够满意窖井井盖尺度对贴片天线的要求。
4 结语
现在窖井井盖特别环境中斗极天线装置困难、频带窄易受搅扰、接纳功能差。本文规划的微带GPS L1斗极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，契合地下管网及窖井井盖监测的实践运用要求。并且这种微带天线规划简略便利，通过仿真，也验证了规划的可行性。
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本文来源于我国科技期刊《电子产品世界》2016年第9期第72页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
