基于隧道环境的定向高增益天线研究

摘要

由于隧道环境对电磁波的干扰问题，需要定向高增益的天线来满足复杂的地形特点。本文根据八木天线与印刷偶极子天线的相关理论，设计了可用于铁路无线通信的准微带八木天线，对其带宽、增益等性能参数进行了探讨；并在此设计基础上，设计了增益更高的微带八木天线、双极化定向高增益天线和双频带定向高增益天线。　　为了改善八木天线体积大和微带印刷天线增益比较小的缺点，设计了一款应用于铁路移动通信的定向印刷天线，工作在900MHz频段。该天线是微带天线与八木天线相结合的结构。微带天线是变形的印刷偶极子天线，结构呈T型。两个振子同时分布在基板的上侧，在两个振子中间添加了耦合枝节结构，改善了天线的匹配特性。在印刷偶极子天线的辐射方向上添加引向振子，相反方向添加反射器，以增大天线增益。引向振子采用非均匀八木天线设计，达到了带宽增宽的目的。经过仿真设计，该天线在900MHz(885-935MHz)频段内的平均增益为9.6dBi，相对带宽达到24%，前后比大于20dB，半功率波束宽度控制在53°以内。　　在准微带八木天线的设计基础上，设计了应用于900MHz频段的微带八木天线，并添加了引向振子的数量。该天线通过11个引向振子的非均匀设计以及印刷偶极子天线结构的微调，实现了28.5%的相对带宽，波束宽度在40°以内，平均增益14.59dBi。通过对两副线极化微带八木天线正交放置，双端口分别馈电，封装在同一个天线罩内，实现了天线了双极化高增益辐射特性。为了降低两副天线的信号干扰，采用了合理的错位排列方式，并且对微带结构进行微调。双极化天线的相对带宽为27.6%，波束宽度在43°以内，双端口的隔离度大于26dB，平均增益14.42dBi，前后比大于20dB，有效缓解了隧道内信号的衰落问题。　　在偶极子天线的设计理论上，设计了一款带有微带巴伦结构的印刷偶极子天线。并利用其与八木天线相结合的方式，设计了工作于1800MHz频段的定向高增益天线。该天线拥有25.1%的相对带宽，半功率波束宽度在44°以内，平均增益14.3dBi，前后比大于18dB。在此设计的基础上，联合900MHz频段的微带八木天线，将两副线极化天线正交放置，双端口分别馈电，封装在同一个天线罩内，实现了天线在900MHz与1800MHz频段的双频工作。该双频段天线在低频与高频的相对带宽分别为23.3%与20%，平均增益14.15dBi和13.95dBi，半功率波束宽度小于41°和45°，具有较高的增益和定向能力，可以有效解决隧道内的双频工作问题。

目录

声明

第1 章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 双频以及多频技术的发展现状

1.2.2 双极化技术的发展现状

1.2.3 定向高增益天线技术的发展现状

1.3 论文的主要结构和工作安排

第2 章相关研究理论基础

2.1 半波偶极子天线相关理论

2.1.1 半波偶极子天线电流分布与辐射场

2.1.2 半波偶极子天线的辐射电阻与输入阻抗

2.2八木天线相关理论

2.2.1 八木天线的工作原理

2.2.2 八木天线的设计

2.3 本章小结

第3 章宽带定向印刷天线研究与设计

3.1 900MHz印刷偶极子天线设计

3.2 900MHz定向印刷天线设计

3.2.1 定向印刷天线初始设计

3.2.2 宽带定向印刷天线整体设计

3.3 本章小结

第4 章双极化定向高增益天线设计

4.1 900MHz定向高增益天线设计

4.1.1 定向高增益八木天线设计

4.1.2 定向高增益天线最终设计

4.2 900MHz双极化高增益天线设计

4.2.1 900MHz双极化高增益天线设计

4.2.2 900MHz双极化高增益天线仿真与实物测试对比

4.3 本章小结

第5 章双频带定向高增益天线设计

5.1 1800MHz定向高增益天线设计

5.1.1 1800MHz印刷偶极子天线设计

5.1.2 1800MHz定向高增益天线设计

5.2 双频段高增益天线设计

5.3 本章小结

第6 章总结与展望

6.1 论文的主要研究成果

6.2 存在的不足和后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及科研成果