（通信与信息系统专业论文）对地无关天线的研究与探索.pdf

8 上0 il 苏州大学学位论文使用授权声明 本人完全了解苏州大学关于收集 保存和使用学位论文的规定 即 学位论文著作权归属苏州大学 本学位论文电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致 苏州大学有权向国家图书馆 中国社科院文献 信息情报中心 中国科学技术信息研究所 含万方数据电子出版社 中国学术期刊 光盘版 电子杂志社送交本学位论文的复印件和电子 文档 允许论文被查阅和借阅 可以采用影印 缩印或其他复制手段 保存和汇编学位论文 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索 涉密论文口 本学位论文属 在 年一月解密后适用本规定 非涉密论文口 论文作者签名 塑登 日期 导师签名 l 一 中文摘要 研究与探索 中文摘要 伴随着高速火车在交通运输业中重要性的增加 火车上的无线通信也同益受到重 视 天线作为火车上无线通信设备的重要组成部分 它的性能对通信质量的好坏有很 大影响 由于天线存在对地依赖性 当它被安装在不同火车的车厢顶部工作时 由于 车厢尺寸以及安装位置的不同 会使天线发生工作频率的偏移 这给批量生产和安装 带来不必要的麻烦 为了便于安装调试 保障通信质量 研究如何在不影响天线工作 性能的条件下 减小其对地依赖性也就成为了迫切需要解决的问题之一 众所周知 使用光子晶体结构能够提高天线的工作特性 本文在研究由光子晶体 结构组成的高阻电磁表面特性的基础上 设计了一款单频对地无关天线 详细给出了 设计过程以及制作测试结果 利用高阻电磁表面减小了单频天线的对地依赖性 为铁 路通信天线的设计与安装提供了新的思路 针对铁路通信的多频段共用的发展趋势 本文进一步研究了实现双频高阻电磁表 面的可能性 提出用两个单频高阻电磁表面进行级联以产生双频效果的思路 在此基 础上详细研究了各种组合结构的性能 最后得到了一款双频高阻电磁表面 并制作了 相应的样品 进行了测试 实测结果基本与理论分析相符合 为实现减少多频段通信 天线对地的依赖性奠定了基础 论文共分为五个部分 首先 讨论了本文的研究背景 现状 并指出了研究意义 为后续研究奠定了基 础 其次 介绍了天线设计中比较重要的一些参数 包括天线的输入阻抗 方向图 方向系数 增益 效率以及描述天线的频带特性 极化特性的电参数等 然后通过仿 真 设计 制作 测试 得到了一款工作在2 4 g h z 的直立单极子天线 这一部分工 作主要是为了设计对地无关天线做准备 接着 本文指出天线的对地依赖性 研究了当金属接地面大小变化时 单极子天 线的工作频率的变化规律 随后详细介绍了高阻电磁表面的相关概念以及作用 运用 软件仿真详细分析了重要结构参数对高阻电磁表面谐振频率的影响 经优化得到谐振 i i i a b s t r a c t e n d e n t w i t ht h eg r o w i n gi m p o r t a n c eo fh i g hs p e e dt r a i ni nt r a n s p o r t a t i o n p e o p l ep a y i n c r e a s i n ga t t e n t i o nt ot h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o no nt h et r a i n a sa ni m p o r t a n tp a r to f w i r e l e s ss y s t e m t h ep e r f o r m a n c eo fa n t e n n ah a sag r e a ti n f l u e n c eo nt h eq u a l i t yo f c o m m u n i c a t i o n w h e na p p l y i n gt h ea n t e n n at oat r a i nw h i c hh a v ed i f f e r e n ts i z eo f c a r r i a g e so re v e nd i f f e r e n tt r a i n s t h ew o r kf r e q u e n c yo fa n t e n n aw i l ls h i f t b e c a u s eo ft h e g r o u n d r e l i a n c e t h i ss i t u a t i o nb r i n g st r o u b l et oi n s t a l l a t i o na n dp r o d u c t i o n i no r d e rt o a v o i dt h i sp r o b l e m i ti sn e c e s s a r yt os t u d yh o wt or e d u c et h eg r o u n d r e l i a n c eo fa n t e n n a a sw ea l lk n o w t h ep h o t o n i cb a n d g a ps t r u c t u r ec a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f a n t e n n a o nt h eb a s i so fs t u d y i n gt h eh i 曲 i m p e d a n c eg r o u n dp l a n e t h i st h e s i sd e s i g n sa g r o u n d i n d e p e n d e n ta n t e n n a t h ed e s i g nd e t a i l sa n dt e s tr e s u l t sa r eg i v e n t h e r e s u l t ss h o w t h a tt h eg r o u n d r e l i a n c eo fa n t e n n ai sr e d u c e db yu s i n gt h eh i g h i m p e d a n c eg r o u n dp l a n e t h i sd e s i g np r o v i d e san e wi d e ao fa n t e n n af o rr a i l w a yc o m m u n i c a t i o n a c c o r d i n gt o t h et r e n do fm u l t i b a n d s h a r i n g i n r a i l w a yc o m m u n i c a t i o n t h e p o s s i b i l i t ya b o u tr e a l i z i n gad u a l f r e q u e n c yh i 曲一i m p e d a n c eg r o u n dp l a n ei ss t u d i e d b y c o m b i n i n gt w oh i 曲一i m p e d a n c eg r o u n dp l a n e sw h i c hh a v ed i f f e r e n tp e r i o d t h i st h e s i sf i n d aw a yt og e tad u a l f r e q u e n c yh i g h i m p e d a n c eg r o u n dp l a n e t h ep e r f o r m a n c eo fv a r i o u s s t r u c t u r ec o m b i n a t i o n si sr e s e a r c h e d t h ep h y s i c a ls a m p l e sa l em a d ea n dt e s t e d t h e m e a s u r e dr e s u l t sa r eb a s i c a l l yc o n s i s t e n t 析t l lt h e o r e t i c a la n a l y s i s t h i sd e s i g ng i v e sa f o u n d a t i o nf o rr e d u c i n gt h eg r o u n d r e l i a n c eo fm u l t i b a n da n t e n n a t h i sp a p e ri sd i v i d e di n t of i v ep a r t s f i r s t l y t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n da n dp r e s e n ts i t u a t i o no ft h er e s e a r c h a n d p o i n t so u tt h es i g n i f i c a n c eo f t h er e s e a r c h t h ef o u n d a t i o no ff u r t h e rd i s c u s si sl a i di nt h i s s e c o n d l y s o m ei m p o r t a n tp a r a m e t e r si nt h ed e s i g no f a na n t e n n aa r ei n t r o d u c e d t h e n i i i av e r t i c a lm o n o p o l ea n t e n n aw h o s ew o r kf r e q u e n c yi s2 4 g h zi sr e a l i z e d t h ed e s i g ni n t h i sp a r ti sm a i n l yp r e p a r e df o rt h ef u r t h e rs t u d yo fg r o u n d i n d e p e n d e n ta n t e n n a t h i r d l y t h eg r o u n d r e l i a n c eo fa n t e n n ai sd i s c u s s e d i ti sn o t i c e dt h a tw h e n t h ea r e ao f t h em e t a lg r o u n dp l a n ec h a n g e s t h ew o r kf r e q u e n c yo fa n t e n n ai sa l s oc h a n g e d t h e n t h e c o n c e p ta n dt h eu s a g eo fh i g h i m p e d a n c eg r o u n dp l a n ea r ei n t r o d u c e d t h ei m p o r t a n t s t r u c t u r ep a r a m e t e r sw h i c hi n f l u e n c et h er e s o n a n tf r e q u e n c yo ft h eh i g h i m p e d a n c eg r o u n d p l a n ea r ea n a l y z e d a f t e ro p t i m i z a t i o n t h ep a r a m e t e r so fh i g h i m p e d a n c eg r o u n dp l a n ea r e g a i n e d t h es i m u l a t i o na n dm e a s u r e m e n tr e s u l t ss h o wt h a th i g h i m p e d a n c eg r o u n dp l a n e c a nr e d u c et h eg r o u n d r e l i a n c eo fa n t e n n ae f f e c t i v e l y f o u r t h l y an e wt y p eo fd u a l f r e q u e n c yh i g h i m p e d a n c eg r o u n dp l a n ei sp r o p o s e d t h ee f f e c to fd u a l f r e q u e n c yi so b t a i n e db yc o m b i n i n gt w od i f f e r e n ts i n g l e f r e q u e n c y h i g h i m p e d a n c eg r o u n dp l a n e s t h ep a r a m e t e r s w h i c ha f f e c tt h eslla n dr e s o n a n t f r e q u e n c ya r es t u d i e dt h o r o u g h l y a n dt h eb a s i cl a w sa r es u m m a r i z e d t h ep h y s i c a ls a m p l e o fd u a l f r e q u e n c yh i g h i m p e d a n c eg r o u n dp l a n ei sm a d e t h ef e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g ni s v e r i f i e db ym e a s u r e m e n t f i n a l l y t h ep a p e r s u m m a r i z e st h ew h o l ew o r k t h er e s u l t ss h o w st h a tt h e h i g h i m p e d a n c eg r o u n dp l a n ec a nr e d u c et h eg r o u n d r e l i a n c eo fa n t e n n a e s p e c i a l l y t h e r a t i o n a ld i s t r i b u t i o no fd u a l f r e q u e n c yh i g h i m p e d a n c eg r o u n dp l a n ec a nr e d u c et h e g r o u n d r e l i a n c eo fd u a l f r e q u e n c ya n t e n n a t h i sr e s e a r c hg i v e sa r e f e r e n c ef o rt h ed e s i g n o fr a i l w a yw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m k e y w o r d s m o n o p o l ea n t e n n a h i g h i m p e d a n c eg r o u n dp l a n e g r o u n d r e l i a n c e d u a l f r e q u e n c y w r i t t e nb y k a n gc h u n h u a s u p e r v i s e db y l i ux u e g u a n 目录 第一章绪论 1 1 1 课题的研究背景及意义 1 1 2 天线对地无关技术国外研究动态 2 1 3光子晶体结构国内外研究动态 3 1 4 本文的主要工作和基本结构 4 第二章天线基本原理及单极子天线的设计 6 2 1 天线的基本电参数 6 2 1 1输入阻抗 6 2 1 2 方向图 6 2 1 3 方向系数 7 2 1 4 天线的增益和效率 7 2 1 5 频带宽度 7 2 1 6 天线的极化形式 7 2 2 单极子天线的设计 7 第三章高阻电磁表面的介绍及对地无关天线的设计 1 2 3 1高阻电磁表面及其等效介质模型 1 2 3 2 对地无关天线的设计 1 3 3 2 1接地面大小的变化对单极子天线的影响 1 4 3 2 2 高阻电磁表面的设计与研究 1 6 3 2 3 对地无关天线的设计与研究 2 6 3 3 本章小结 3 0 第四章双频高阻电磁表面的分析与设计 3 1 4 1 单频结构的设计 3 1 4 1 1谐振频率为2 4 g h z 的高阻电磁表面的重新设计 3 1 4 1 2 谐振频率为4 5 0 m h z 的高阻电磁表面的设计 3 3 4 2 双频结构的设计 3 4 4 2 1两个高阻电磁表面的简单叠加 3 4 4 2 2 两个高阻电磁表面的非对称叠加 3 7 4 2 3 外部高阻电磁表面对频率的影响 3 9 4 2 4 内部高阻电磁表面对频率的影响 4 6 4 2 5 公共参数对频率的影响 5 3 4 2 6 仿真及实测结果 5 6 4 3 本章小结 5 7 第五章结论与展望 5 8 5 1 本论文主要工作 5 8 5 2 对后期工作的展望 5 9 参考文献 6 0 攻读学位期间公开发表的论文 6 4 致谢 6 5 不同火车的车厢项部工作时 由于车厢尺寸以及安装位置的不同 它所能获得的接地 面的大小将发生变化 由于天线存在对地依赖性 在不同尺寸的接地面上工作时 它 的工作频率会发生偏移 工作性能会产生变化 因此 当同样的一款天线被应用在接 地面大小不同的位置时 如何使它的性能保持一贯性 就成为了一个值得研究的问题 如果每次都要根据接地面的大小重新对天线参数进行调节 以使它能符合通信要求 将给批量生产和安装带来不必要的麻烦 为了便于安装调试 保障通信质量 研究如 何在不影响天线工作性能的条件下 减小其对地依赖性也就成为天线设计中迫切需要 解决的问题之一 光子带隙 p h o t o n i cb a n dg a p 即p b g 1 又称光子晶体 p h o t o n i cc r y s t a l s 是一种人造周期结构 主要通过在一种介质中周期性地加入另一种介质来获得的 它 能够抑制一定频率范围内的电磁波在其中的传播 近年来 这种结构在天线中得到了 越来越广泛的应用 它能够抑制表面波 提高天线增益 加强前向辐射 抑制背瓣和 旁瓣 获得单向辐射的天线以及人身保护手机天线等 但从天线对地无关性出发来研 究光子带隙结构还未见报道 本文将在研究由光子晶体结构组成的高阻电磁表面特性 的基础上 设计出单频对地无关天线 以满足车载通信的需要 另一方面 铁路通信出现了多频段共用的发展趋势 多频段通信天线同样也存在 对地依赖性问题需要解决 针对这种情况 本文将进一步研究实现双频高阻电磁表面 的可能性 提出用两个单频高阻电磁表面进行级联以产生双频效果的思路 并重点对 高阻电磁表面单元周期 边长 缝隙 过孔半径 两种不同周期的高阻电磁表面之间 的距离 介质板厚度等参数对谐振频率和反射系数s 1 1 造成的影响进行深入研究 总 第一章绪论对地无关天线的研究与探索 结基本规律 随后 按照研究得到的参数 设计出一款双频高阻电磁表面 为实现减 少多频段通信天线对地的依赖性奠定基础 1 2 天线对地无关技术国外研究动态 在国外的研究中 首先就接地面对天线各方面特性的影响进行了分析 随后 为 了减小这种影响 提出了一些新型结构 并将之应用到天线当中 m e l v i nm w e i n e r t l 0 1 提出影响单极子天线工作特性的三个主要参数分别是 单极 子天线的半径和长度 圆形接地面的半径大小 同时还指出 用以进行馈电的同轴结 构也会对天线的输入阻抗产生一定的影响 当接地面面积比较小的时候 这种影响尤 为显著 而一旦确定了天线及同轴的尺寸 影响天线性能的主要因素就是接地面的半 径了 文章中指出相对于无限地 由于接地面的有穷性而引起的边缘效应在最差情况 下将使得天线的输入阻抗改变一倍以上 而且会使得增益方向性变差并减小6 d b 左 右 j a m e sw i c l e a n m a r t al c u v a n o h e i n r i c hf o l t z t l l 指出单极子天线的工作性能与 其接地面的大小密切相关 为了尽可能的减小接地面的面积 并且保证天线的工作特 性 他们提出将原有的普通金属接地面替换为折叠式地结构 这种折叠式地结构由一 个径向波导构成 波导的上表面作为接地面 波导的内侧则相当于一个射频扼流圈 可以防止表面电流流向底部 接地面通过折叠后 虽然厚度有所增加 但是面积仅有 原来的一半 c o l l i n s s t l 2 在微带贴片天线原有的结构中 加入了非平面环结构 并且对这种 环状结构的工作原理进行了详细的分析 他指出 如果没有环状结构的存在 接地面 上的表面电流将会引起一定程度的边缘效应 而这种环状结构能够将表面电流束缚在 自身所在区域之下 减少边缘效应 并且这种结构还能增加天线的方向性 减小背向 辐射 然而 这种非平面环也有一定的缺点 虽然它使天线能够在较小的接地面上仍 有比较好的表现 但是可能使得天线的整体高度有所增加 g e o r g es a s h a k e r d a nb u s u i o c 和s a f i e d d i ns a f a v i n a e i n if 1 3 提出了一种新的人 工磁表面 即a m c 表面 对这种表面的理论依据进行了分析 并且将这种新型表 2 对地无关天线的研究与探索 第一章绪论 面做为偶极子天线的反射面 通过仿真及实测表明 只要合理选择天线的工作频率 使其同该表面的谐振频率一致 就可以产生一个人工磁表面 从而减小天线的对地相 关性 但是这种a m c 表面的工作带宽十分有限 也在某种程度上影响了天线本身的 性能 本文将使用光子晶体结构来设计一款对地无关天线 并对其进行实测验证 1 3 光子晶体结构国内外研究动态1 3 1 从光子晶体的概念提出以来 它在天线领域的应用可以说是日新月异 1 9 9 0 年 y a b l o n o v i t c h t l 4 1 等制作出第一个具有全方位禁带的光子晶体结构 频率 带隙为i o g h z 1 3 g h z 此光子晶体是加工在介质层上的 在一个面上孔洞按三角形 栅格周期排列 每个孔洞都穿透3 次 每次都偏离法向3 5 在水平面内则以1 2 0 三 等分 同年 美国i o w a 州立大学a m e s 实验室的研究人员则第一次从理论上证实了 金刚石结构的光子晶体频率带隙的存在 m a r c 等提出了弯曲的光子晶体结构 与金 属反射器相比 它将产生更高的增益和波束带宽特性 1 9 9 3 年 美国科研部门在空军的支持下研制出了反射率接近1 0 0 的光子晶体平 面微波天线 并于1 9 9 5 年申请了专利 这种采用g a a s 半导体材料的光子晶体用于 平底天线底板时 该光子晶体的带隙设定在天线发射或接收的频率范围内 微波完全 不能在底板一侧传播 因而天线的效率可以大大提高 1 9 9 6 1 9 9 9 年 yq i a n t l 7 1 和r c o c c i o l i t l 8 1 等人提出在微带基片的底板打周期排列 的孔洞 形成光子晶体结构 后来这种结构被用于微带贴片天线的设计 用于抑制天 线的高次谐波 1 9 9 9 年u c l a 报道的m u s h r o o m 结构的微波光子晶体被成功用于微带天线1 1 9 同样可以抑制天线的表面波 改善天线的性能 这种结构除了带隙特性外 其表面对 入射平面波还具有同相反射的特性 这被用来设计具有低轮廓的天线结构 到2 0 0 3 年 这种光子晶体结构已经被成功用于相控阵天线的设计 2 0 2 1 1 以消除扫描盲点 我国对光子晶体开展的研究起步较晚 主要是光子晶体带隙的理论分析和计算 第一章绪论对地无关天线的研究与探索 近年来的研究已开始向实验验证和实际应用的方向发展 但与国外相比还存在一些差 距 7 1 本文将在总结前人工作的基础上 提出一种新的双频光子晶体结构 并对其进行 理论分析和实际验证 1 4 本文的主要工作和基本结构 本文首先分析光子晶体结构的带隙特征 利用这种特性尽可能地减小接地面大小 对天线的阻抗 即反射系数s 1 1 增益 辐射特性这三个参数的影响 并设计出一 款对地无关性较好的天线 以满足车载通信的需要 接着在单频光子晶体结构的基础 上 提出一种新型的双频高阻电磁表面结构 通过将两种不同周期 不同谐振频率的 单频高阻电磁表面组合在同一块介质板上来获得双频的效果 本文重点对高阻电磁表 面单元周期 边长 缝隙 过孔半径 两种不同周期的高阻电磁表面之间的距离 介 质板厚度等参数对谐振频率和反射系数s l l 造成影响进行深入的研究 并总结基本规 律 最后按照研究得到的参数 实际设计 制作一款双频高阻电磁表面 通过实测 验证这种设计的可行性 为实现减少多频段通信天线对地的依赖性奠定基础 全文共分五章 基本结构如下 第一章为绪论 简要介绍了课题的研究背景 阐述了课题的研究意义 在介绍了 天线对地无关技术和光子晶体结构国内外的研究动态后 给出了本文的主要工作和基 本结构 第二章首先介绍了天线设计中比较重要的一些参数 包括天线的输入阻抗 方向 图 方向系数 增益 效率以及描述天线的频带特性 极化特性的电参数等 然后通 过仿真 设计 制作 测试 得到了一款工作在2 4 g h z 的直立单极子天线 为下一 章设计对地无关天线做了准备 第三章详细介绍了高阻电磁表面的相关概念以及作用 运用软件仿真详细分析了 重要结构参数对高阻电磁表面谐振频率的影响 经优化得到高阻电磁表面相应的结构 参数 并且将高阻电磁表面与单极子天线相结合 设计出一款对地无关天线 最后按 照设计得到的结构参数 制作模型 实测结果表明 当以高阻电磁表面作为反射面时 即使接地面的大小发生改变 单极子天线的工作频率仍然能够稳定在2 4 g h z 证明 4 对地无关天线的研究与探索 第一章绪论 了设计的可行性 第四章在第三章对单频高阻电磁表面分析的基础之上 提出一种崭新的双频高阻 电磁表面结构 通过将两种不同周期 不同谐振频率的单频高阻电磁表面组合同一块 介质板上来获得双频的效果 并对影响这种双频结构的多个参数进行了细致的分析和 研究 总结了基本的变化规律 通过软件仿真和优化 确定了双频高阻电磁表面的设 计模型 最终按照仿真数据实际制作了实物 并通过实际测试验证了设计的可行性 第五章为结论与展望 对全文的分析研究结果加以总结 综述研究成果及结论 并指出了在研究中仍存在的不足之处 提出了对未来研究的展望 第二章天线基本原理及单极子天线的设计 对地无关天线的研究与探索 第二章天线基本原理及单极子天线的设计 通信 雷达 导航 广播 电视等无线电技术设备 都是通过无线电波来传递信 息的 都需要有无线电波的辐射和接收 在无线电技术设备中 用来辐射和接收无线 电波的装置称为天线 2 3 1 本章首先介绍天线设计中比较重要的一些参数 包括天线 的输入阻抗 方向图 方向系数 增益 效率以及描述天线的频带特性 极化特性的 电参数等 然后通过仿真 设计 制作 测试 得到 款工作频率为2 4 g h z 的直立 单极子天线 为后续研究奠定了基础 2 1 天线的基本电参数 2 5 i t s 1 天线是无线电设备的重要组成部分 天线性能的好坏直接影响无线电设备的性 能 人们用天线的电参数衡量天线性能的好坏 描述天线能量转换和方向特性的电参数有许多个 诸如天线的输入阻抗 方向图 方向系数 增益 效率以及描述天线的频带特性 极化特性的电参数等 2 1 1 输入阻抗 天线的输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入电流的比值 要使天线效率高 就 必须使天线与馈线良好匹配 天线的匹配工作就是消除天线阻抗中的电抗分量 使电 阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗 一般用反射系数 即s 1 1 和驻波比等参数来 衡量匹配的优劣 在工程中 一般要求反射系数s 1 1 小于 1 0 d b 因此 在本文的设 计中 都要求天线在工作频率附近的反射系数小于 1 0 d b 2 1 2 方向图 所谓天线方向图 是指在离天线一定距离处 辐射场的相对场强 归一化模值 随方向变化的曲线图 通常采用通过天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面方向 图来表示 在地面上架设的线天线一般采用两个相互垂直的平面来表示其方向图 在 铁路通信设备中所使用的天线一般是无方向性的 6 天线基本原理及单极子天线的设计 2 1 3 方向系数 天线的方向系数是用一个数字定量地表示辐射电磁能量集束程度以描述方向特 性的一个参数 又叫做方向性系数或方向性增益 2 1 4 天线的增益和效率 天线效率 对发射天线来说 用来衡量天线将高频电流或导波能量转换为无线电 波能量的有效程度 是天线的一个重要参数 天线效率玑是天线所辐射的总功率哇与 天线从馈线得到的净功率只之比 2 1 5 频带宽度 天线的电参数都与频率有关 当工作频率偏离设计频率时 往往要引起天线参数 的变化 例如增益系数降低 输入阻抗和极化特性变坏等 实际上 天线也并非工 瞥 作在点频 而是有一定的频率范围 当工作频率变化时 天线的有关电参数不应超出 规定的范围 这一频率范围称为频带宽度 简称为天线的带宽 2 1 6 天线的极化形式 天线的极化形式是以天线辐射的电磁波在最大辐射方向上电场强度矢量的空间 取向来定义的 分为线极化 圆极化和椭圆极化 线极化又分为水平极化和垂直极化 圆极化又分为左旋圆极化和右旋圆极化 在铁路通信设备中所使用的天线一般是线极 化天线 2 2 单极子天线的设计 一般说偶极子天线是指天线两臂的几何尺寸或结构形式完全对称 即中心馈电的 对称极子 若两臂的结构或尺寸不完全相对应 则称为不对称偶极子天线 若偶极子 天线的一臂长度为零并将馈电直接接地 另一臂垂直于地面架设则构成单极子天线 7 第二章天线基本原理及单极子天线的设计对地无关天线的研究与探索 由于在现有的铁路通信设备中 较多的采用直立单极子天线 因此在本文中也主要针 对单极子天线来进行研究和讨论 本文中要设计和使用的是工作频率f 2 4 g h z 的直立单极子天线 由名 c f c 为真空中的光速 可得 天线的工作波长五为1 2 5 m m 首先以3 1 2 5 m m 即钐 作 r 为天线的长度 进行仿真 结果如图2 1 所示 可以看到 此时天线的工作频率为 2 0 2 0 4 g h z 偏离了预定的工作频率 因此需要对单极子天线进行调整 使其性能满 足工作要求 翁 已 r f r e q u e n c y g h z 图2 1 长度为3 1 2 5 m m 时单极子天线的s 1 1 对单极子天线而言 影响其工作频率的主要参数为 1 天线的长度l 2 天线的半径r 为了能够设计出符合工作要求的直立单极子天线 我们需要深入的研究上述两个 参数对天线反射系数s l l 的影响 1 天线的长度l 保持天线的半径r 1 5 r a m 不变 仅让天线长度发生改变 当l 由长变短时 天 线的工作频率由低频向高频移动 仿真结果如表2 1 图2 2 所示 对地无关天线的研究与探索第二章天线基本原理及单极子天线的设计 表2 1 图2 2 对应的各参数值 天线长度l天线半径r工作频率f 序号 m m m l t i g h z 3 1 2 5 1 52 0 2 0 4 2 4 2 8 1 52 1 8 3 7 2 4 3 2 5 2 6 1 52 3 0 6 1 五 4 5 2 5 2 5 1 52 3 8 7 8 名 4 6 2 5 2 4 1 52 4 6 9 4 名 4 7 2 5 2 3 1 52 5 5 0 8 五 4 8 2 5 2 2 1 52 6 3 2 7 五 4 9 2 5 已 f r 疗 2 天线的半径r f r e q u e n c y g h z 图2 2 当r 不变 l 由长变短时天线的s 1 1 9 第二章天线基本原理及单极子天线的设计对地无关天线的研究与探索 保持天线的长度l 2 4 m m 不变 仅让天线半径发生改变 当r 由细变粗时 天 线的工作频率由高频向低频移动 仿真结果如表2 2 图2 3 所示 表2 2 图2 3 对应的各参数值 天线长度l天线半径r工作频率f 序号 m m m m g h z 2 40 5 2 5 9 1 8 2 412 5 1 0 2 2 41 52 4 6 9 4 2 422 4 2 8 6 2 42 52 3 8 7 8 f r e q u e n c y g h z 图2 3当l 不变 r 由细变粗时天线的反射系数s l l 综上所述 可以得到如下结论 1 当单极子天线长度l 减小时 天线的工作频 率f 由低频向高频移动 2 当单极子天线半径r 上升时 天线的工作频率f 由高频 向低频移动 通过总结规律 并经过仿真调整及优化后 最终确定此单极子天线的结构参数为 l 2 4 m m r 1 5 m m 在大小为5 6 2 5 m m 5 6 2 5 m m 的矩形金属接地面上 它的工 1 0 图2 4 单极子天线的实物模型图2 5 单极子天线仿真与实测的s l l 结果比较 2 3 本章小结 本章介绍了天线的一些重要设计参数 诸如天线的输入阻抗 方向图 方向系数 增益 效率以及描述天线的频带特性 极化特性的电参数等 并对单极子天线进行了 设计 通过仿真 研究了单极子天线的长度及粗细对其工作频率的影响 并制作了一 款单极子天线与仿真结果进行对比验证 第三章p b g 结构的介绍及对地无关天线的设计 对地无关天线的研究与探索 第三章高阻电磁表面的介绍及对地无关天线的设计 本章首先讨论天线的对地依赖性 研究了当金属接地面大小变化时 单极子天线 的工作频率的变化规律 接着详细介绍了高阻电磁表面的相关概念以及作用 运用软 件仿真详细分析了重要结构参数对高阻电磁表面谐振频率的影响 经优化得到谐振频 率为2 4 g h z 时的高阻电磁表面的相应结构参数 随后将高阻电磁表面与单极子天线 相结合 通过仿真 优化 得到了与地无关的一款单频天线 实测结果表明 当以高 阻电磁表面作为反射面时 即使接地面的大小发生改变 单极子天线的工作频率仍然 能够稳定在2 4 g h z 证明了设计的可行性 3 1高阻电磁表面及其等效介质模型 3 0 1 1 3 1 高阻电磁表面 h i g p h i g h i m p e d a n c eg r o u n dp l a n e 是一种重要并且非常典 型的微波光子晶体 它是由一组金属贴片在介质基板上排列而得到的 顶层的周期 排列金属贴片通过每个贴片中心的垂直导电过孔与介质基板下面的金属接地面相 连 就构成了最普通的二层高阻电磁表面结构 如图3 1 所示 口皿 图3 r 高阻电磁表面及其剖面图 暑 如图3 2 a b 所示 高阻电磁表面与电磁波相互作用 在金属贴片之间产生了平 行于表面的电压 它的效应可以用电容c 来表征 而贴片前后两侧的正负电荷由于 要中和 形成电流 它的效应可以用电感l 来表征 所以高阻电磁表面结构就可以简 化为并联的l c 谐振电路 在谐振频率附近 其阻抗非常高 高阻电磁表面像是滤波 器一样在阻止电流在导体面上的流动 抑制表面波的传播 形成表面波的频率带隙 这也是这种谐振型微波光子晶体被称作高阻电磁表面的原因 1 2 的设计 c a b 图3 2高阻电磁表面的等效媒质模型及公式各参数对应 此并联l c 谐振电路的阻抗为 谐振频率为 其中 l c 由下式决定 z 丝生 1 一缈2 l c 1 2 面 c 掣打1 石 2 l s l l l 3 1 3 2 3 3 3 4 对于普通二层高阻电磁表面有q e 0s 2 e r e 其中g 为介质基板的相对介电 常数 占 是指空气的介电常数 z 为介质基板的磁导率 a w g 分别指高阻电磁表 面单元的周期 边长和缝隙 t 为介质板的厚度 等效媒质模型的提出使得对高阻电磁表面的研究提升了一大步 它将结构复杂的 高阻电磁表面等效为具有简单集总参数的媒质 避免了大量的数值计算工作 使得高 阻电磁表面的设计和应用更为容易 但是这种l c 并联等效电路模型比较粗糙 它没 有考虑空气和介质两边几何特性的不同 也没有涉及金属过孔的影响 因此这一模型 有待于进一步改进 3 2 对地无关天线的设计 本文介绍的对地无关天线主要由两部分组成 单极子天线和高阻电磁表面 单极 第三章p b g 结构的介绍及对地无关天线的设计对地无关天线的研究与探索 子天线的工作频率为2 4 g h z 而高阻电磁表面的谐振频率也同样是2 4 g h z 3 2 1接地面大小的变化对单极子天线的影响 由第二章可见 本文中采用的单极子天线的工作频率为 2 4 g h z 它的工作波 长为五 乃 1 2 5 r a m 而经过一系列调整后 天线的长度为2 4 m m 此时 天线的 j 长度可以同它的工作波长相比拟 因此 接地面的大小对天线性能的影响成为了不可 忽略的问题 经过仿真 可以得到接地面的大小对天线反射系数s 1 l 的影响 如图3 3 表3 1 所示 接地面的形状采用矩形 矩形的长为啊 宽为办 表3 1 图3 3 中对应各参数值 工作频率f 序号 啊 m m h 2 m m g h z 5 6 2 55 6 2 5 2 4 6 9 4 o 4 5 旯 0 4 5 五 5 6 2 57 5 2 3 4 6 9 0 4 5 五 0 6 旯 7 57 5 2 3 4 6 9 0 6 兄 o 6 旯 7 51 2 5 2 3 4 6 9 0 6 兄 五 1 2 51 2 5 2 3 4 8 5 允 名 1 4 及对地无关天线的设计 f r e q u e n c y g h z 图3 3 接地面大小对天线s 1 1 的影响 可以看到 随着接地面由小变大 天线的反射系数s 1 1 向低频移动 并且阻抗匹 配程度降低 之所以会产生这样的变化 是因为当天线在工作的时候 入射波会在接 地面的外边缘产生衍射 这种衍射是全方向的 并且会对接地面上的表面波产生影响 外边缘衍射越强 表面波的值也就越大 而随着天线接地面的变化 外边缘衍射的强 度也会不同 接地面越小 外边缘衍射也就越强 反之 接地面越大 外边缘衍射就 越小 这种特性也被称为天线的对地依赖性 在表3 1 中 随着接地面尺寸按照 一 d 专 d 一 d 的顺序由小变大时 外边缘衍射由强到弱 对表面波的影响越来 越小 天线的对地依赖性越来越低 从而使得天线的反射系数s i 也趋于稳定 减小天线对地依赖性的最简单直观的方法就是增加天线工作时接地面的大小 但 是 在实际应用中 很难随心所欲的决定天线的工作环境 同一款单极子天线可能基 于不同的要求 要在不同大小的接地面上进行工作 如果每次都要根据环境来对天线 进行调谐 也将是一项十分繁琐的工作 因此 需要设计出一款对地依赖性较小的天 线 也就是本节要讨论的对地无关天线 使其能在不同大小的接地面上工作时 尽量 保持一致的辐射特性 第三章p b g 结构的介绍及对地无关天线的设计对地无关天线的研究与探索 3 2 2 高阻电磁表面的设计与研究 由于本文中单极子天线的工作频率为2 4 g h z 因此高阻电磁表面的谐振频率也 需要是2 4 g h z 才能配合天线发挥其应有的作用 本章中采用的介质板为f r 4 厚 度t 3 r a m 介电常数s 4 4 由图3 1 可以看到 介质板的上层为空气 因此 s 岛 8 8 5 x1 0 1 2 s 2 占 4 4x8 8 5x1 0 1 2 代入公式 3 1 3 4 计算可得 当周期口 7 2 r a m 边 长w 6 8 m m 缝隙g a w 0 4 m m 时 高阻电磁表面的谐振频率在2 4 g h z 附近 满足设计要求 计算结果如图3 4 3 5 所示 髟 蔫基电磁袭蕾的晨射桴控期搴由堍 乏 一x 3 4 高阻电磁的反射相位 频率曲线 3 5 高阻电磁表面的表面阻抗 频率曲线 由图3 4 和3 5 观察可得 在高阻电磁表面的谐振频率附近 阻抗趋向于无穷大 低 于谐振频率时 高阻电磁表面的表面阻抗为正 呈现电感性电抗 高于谐振频率时 高阻电磁表面的表面阻抗为负 呈现电容性电抗 在低频时 高阻电磁表面的反射 相位接近1 8 0 随着频率的上升 反射相位开始减小 在谐振频率上变为0 在 高频阶段 反射相位继续下降 直到接近 1 8 0 反射相位的零点对应其谐振频率 o 上高阻电磁表面呈现出同相反射的特点 其附近 9 0 的范围属于同相反射区域 采用以上参数建立模型 并仿真后结果如图3 6 所示 1 6 无关天线的设计 f r e q u e n c y g h z 图3 6 采用公式计算得到的数值作为仿真模型时的仿真结果s 1 1 由图3 6 可得 此时的谐振频率在1 7 8 g h z 理论结果和仿真结果之间存在着一 定的出入 这可能是由于按照公式 3 1 h 3 4 进行理论计算时 简化了高阻电磁表面 的工作环境 没有考虑到它同天线之间的耦合情况 并且公式中也没有对高阻电磁表 面的排列情况进行说明 这些因素导致了理论与仿真值之间出现了误差 因此由公式 计算得到的参数只能作为参考数据 需要在仿真过程中结合模型对参数进行调整 最 终使得高阻电磁表面的谐振频率能够和天线的工作频率相符合 发挥其应有的作用 抑制天线的对地依赖性 观察公式 3 1 h 3 4 并结合具体模型观察可以发现 高阻电磁表面的谐振频率主 要受到以下几个参数的影响 1 高阻电磁表面单元的分布周期a 2 高阻电磁表面单元的边长w 缝隙g 3 高阻电磁表面单元的过孔半径r 4 高阻电磁表面单元与天线间的距离d 5 高阻电磁表面单元的排列组数 6 介质板的厚度t 7 介质板的相对介电常数占 8 介质板的磁导率 1 7 第三章p b g 结构的介绍及对地无关天线的设计 对地无关天线的 各参数与模型对应情况如图3 7 a b 所示 g f 曲正视图 金属贴片 单援子天线 厂过孔 一介质扳 t ll l llll ill l l b 侧视图 图3 7 高阻电磁表面仿真模型及各参数对应情况 由于介质基板的制作材料已经确定 因此参数7 8 已经确定 在本章 重研究的为参数1 2 3 4 5 6 对各参数影响的分析如下 1 高阻电磁表面单元的分布周期a 保持高阻表面单