用于高速列车内GSM-R频段的宽带微带天线设计与研究.doc

北京交通大学硕士学位论文用于高速列车内GSM-R频段的宽带微带天线设计与研究姓名：冯玉明申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：周克生201012 寸 相 对 较 小 的 宽 频 带微 带天 线 来 实现 。 因 此 ， 本 文首 先 介 绍 了微 带天 线 的 基 本 理论和分 析 方 法， 然 后 通过 软 件仿 真 建 模 ， 根据天 线 理论对 等 效偶 极 子天 线 结构 进 入深 入研 究改 进 ， 并设 计 出 一款 满足 上述 指 标 的 新 型宽 频 带天 线 。 最 后 利 用实验 室的 天 线 测 量 系 统 对 制 作的 天 线 进 行 实际 测 量 ， 发现 天 线 的 方 向 图 与 仿 真 结果 有 一定误差 ， 并对 产 生 误差 的 原 因 进 行 分 析 。最 后 ， 根据传 输 线 理论， 提 出 了一 种 测 量 介 质板 相 对 介 电常数 的 方 法。 在 电 甌卸 胁 如 瑉优 缸 緊 ， 锄 陀 鷇 诵 感谢电磁 兼 容 实 验室的闻 映红 老师， 在论 文的研究过 程 中 给我提 出了 宝 贵 的建议 ， 使 我的论 文能 够顺 利展开， 使 我受益 匪 浅， 在此 表示 衷心感谢。电磁 兼 容 实 验室沙斐 、王国 栋、王风 兰 、朱 云 、崔 勇 、陈 嵩 老师在学 习上 和生活上 都 给予了 我很 大 的关 心和帮 助， 在此 向 各 位老师表示 衷心的谢意。在实 验室学 习及 撰 写 论 文期间， 张 强 、 叶 畅、 李 哲、 杨永亮 、 柳 海明、 王显文、 卢 怡 、霍 宏 艳 、王钱 矾 、李 新坡 等 同 学 对 我论 文中 的研究工作 给予了 热 情帮助， 在此 向 他们 表达 我的感激之 情。 所以在远途的 出差 过 程中不方 便 携 带 。 而 在火 车 厢内 部 测 量 甊信号 时 ，需 要把 对 数 周期 天线 架设在车 厢内 部 ，因此 占 的 空间 比 较 大 ，所 以只 能 在专门 安排的无 乘 客 车 厢中进行 测 试 ，这不能 满足我 们 想随时 随地测 量骚 扰 信号 的 需 求 。 而 对于磁 场 探头 之 类 的 线 天线 ，由于尺 寸比 较 小 ，方 向 性 不高 ，天线 的 灵 敏 度 比 较 差 ，达 不到 测 试 所需 的 精度 。 而 微带 天线 由于体 积小 ，重 量轻 等 优 点 ，正 是 基 于这样的 实用背景 ，本 文 旨在设计 一 款具 有尺 寸小 、灵 敏 度 高 、方 向 性 好，专门 用于测量 甊频段 附近 干扰 信号 的 微带 天线 ，使其满足 甊干扰 信号 的 测 量 中方便 、实用的 要 求 ，图 所 示 为 微带 天线 贴 在列 车 车 窗 位 置测 试 甊信号 示 意图。纠 微 带天 线 由 于 具 有 平面 结构， 易 于 集成 ， 并且体积 小 ， 重 量轻等 优点， 越 来越 受到人们 的 关注， 并且在航 天 、 通 信 、 医 疗 等 领域得到 广泛 应 用 。 但 是 微 带天线 由 于 具 有 频带 窄 、 功率容 量 小 等 缺 点， 如 普 通 微 带 贴片天 线 的 带 宽 仅 有 中 心 频率的 螅 煜 短 煜 呖 梢 源 锏 矸 ， 因此 目前微 带 天 线 技 术 的 研 究 主要 集中 在 宽 频带 技 术 上。 微 带 天 线 结 构和 分 类槽 线 煜 撸 微 带 振 子 天 线 胁 煜 撸 微 带 缝 隙 天 线 册 豐 绷 彻 罪 騪 铮琫 ； 仃 微 带 天 线 优 缺 点 与 应用与 普 通微 波 天 线 相 比 ，微 带 天 线 具 有 如下 优 点 ： 天 线 在自 由空间 中 场的 辐 射 可 以 看作自 由空间 中 电 流源 和磁 流源 的 辐 射 。所氏 颤 伊 ， 七 ， 雜 雜 矽。微 带 天 线 的 辐 射 原 理 可 以 通 过 矩 形 微 带 贴 片 天 线 来理 解 。如图 所 示， 贴 片 咖 餸 騪式 中 乏 渲 蟹 獄方 向 单位 矢量； ； 是 缝 隙 表面 淇 诰 的 外 法电 磁 耦 合馈电 。 所 示 。自 上世 纪 年代以 来 ， 出现 了 多 种 电 磁耦 合型 馈电 方式。 在馈电 结构 上它 们的 共同特 点 是贴近 藿 哟 馈电 ， 可 利 用 馈线本身 ， 也 可 通 过 一个 缝 隙 诰来 形成 馈线与 天线间 的 电 磁耦 合。 因 此它 们 也 可 统 称 为 贴近式馈电 。 这对 于 解决多 层 阵 中的 层 间 连接 问题 ， 是一种 非 常有 效 的 方法 ， 并 且大多 还 能 够获 得宽 频 带的 驻波 比特 性 。 设探针长 度 为 反 ，则 ! 陁 眦 有 耗材 料 。 但 是 此 方 法 由 于 损 耗大 ，天 线 效 率 比 较低。 介 质 板图 有 寄 生元的 微 带 贴片 天 线图 间 接耦 合 微 带 贴 片 天 线 宽 ， 图 疚 6允 芷 谂 技 煜 羽 。 小 矧 鷗 故 馞 徒 拥 匕 蹇 闯梢欢 挝 湎撸 渥 糡 波 ， 波 的传 输 方传 输 方 向呈 现驻波 分 布， 而 在 其 垂 直 方 向 械 目 矶确较 是 常 数。图 传 输 线 法物 理 模 型 半 空 间 辐射。缝上等 效 磁 流 密 度 为可 以 按照自 由空 间 计 算上半 空 间 辐射场。卜 卜 !唬 琠 一 卜 ： 由于缝宽度 厅 远 远 小 于波 长 允， 故 秒， 缈 同 理 可得我 们 根据图 所 示 等效 电 路很 容易求 得 天线 的 输 入 阻 抗。 讫击 生 兰 笋 塑 觚 謕当 微带 天线 谐 振 时，候磍 旦丝 燮 塑螋 残偷线蜊稚礗 下 面将 详细介 绍 单 模 理论 和 多 模 理论 。根 据 基本假 设 近 ， ，式 改 写 为 一，瓮 籲警 紋式中 职，甩是 不 全 为 零的 任意 整 数，并 且 脚；车惫 器 状 ， 所 以 只 有 在微 带 贴 片为适当 形 状 时 才 能 得 到解 析 函 数 ， 这 是 应用 腔模 理论 的一 个 限 制 。下 面 仅 通 过 矩 形 贴 片天 线 为例 分 析 多 模 理论 。 由于 可 以 将 微 带天 线 的内场 近 似 看 作 二 维 问 题， 因此 用 有限元 法 解 微 带天 线的内场 比解 外 部 场 简单 。 下 面 首 先 介绍有限元 法 的基 本概念 。与里 兹 变分法 不 同 的是 ， 有限元 法 把 整 个 求解 区 域划分为 若 干个 单 元 ， 在每个 单 元 内规定 一个 基 函数 ， 这些 基 函数 在各 自 的单 元 内是 解 析 的， 但 是 在其他 区域为 零 ， 这就 是 用 分片 解 析 函数 代 替了 全域解 析 函数 。 对于 二 维 问 题， 单 元 可 以取作 三 角 形、 矩 形等， 并 且 以 三 角 形适 应性最 广 ， 对于 三 维 问 题， 单 元 可 取作 四面 体、 六 面 体等， 每个 单 元 的形 状 都 可 视 具 体问 题灵活 规定 。 五 ， ， ， 儿 欤 表 示 。 即余类 推。 齅 称 为 对应 结 点的基 函数 。下 面 仅以 微 带贴片 天 线 为 例介 绍有限元 法 的求解 过 程 。 由于 微 带贴片 天 线 的如图 所示 微带贴片 天 线 ， 规定 边界 导 纳条件 为 】 ， 渲 蠩 为 边界上 切 向磁场 。 如 图 【 七 】【 菲 【 日 】【 是无源问 题，则 【 丁 】，可 通过 上式 求出谐 振 频 率 和 谐 振 模 。腔 模 理论尤其 是多模 理论是 对 传输 线 法 的发展 。它 能应 用 于 范 围 更广 泛的微带天 线 ，并 且 由 于 计 及 了高次模 ，因此 算得的阻 抗 曲 线 校 准 ，而 且 计 算量 不 算大，比 较适合 工程 设 计 的需 要，但 基 本 上限 于 天 线 厚度 远 小于 波 长 的情 况。与传 输 线 法 和 腔 模 理论相 比 较，有限 元法 作为 一 种数 值 方 法 ，其 最大 优 点 是不 受 天 线 形状 的限制 。 一 般 微 带天线 由 于 具 有 频 带窄的 缺点 ， 因 此 展宽天线 的 频 带是 我 们 设计工 作的 重中 之重。 目 前常用 的 展宽频 带的 基本 方 法 有 增 大介 质 板的 厚 度 厅 、 降 低 介 质板的 介 电 常数 、 采 用 有 耗介 质 、 附 加 阻 抗 匹配网络 和 采 用 新型 天线 结 构 或者天线 阵 等方 法。 前三种方 法的 效果 比较 小， 且 第三种方 法以 天线 增 益 的 降 低 为代 价 ，第四种方 法需要 设计宽带匹配电 路， 电 路结构 复 杂 ， 制 作 难 度 大。 为了 设计一 款性能良好 的 宽带微 带天线 ， 一 般 综 合考 虑 以 上各 种方 法， 来 达 到展宽宽带的 目 的 。本 章 根 据 上面 的 天线 设计 指标 和 天线 的 实 际 应 用 情况， 采 用 等效 偶 极 子 天线结 构 和 天线 基本 理论 ， 设计 了 一 款 覆 盖 的 宽频 带天线 ， 在 满 足设计 单方 向 测 量 的 要 求。 本 章 将 详 细 介 绍 等效 偶 极 子 天线的 设计 流 程。 图 籰 矩形微 带贴 片 天线 结 构 示 意 图 诧 騪 鷗 觓根 据 矩形微 带贴 片 天线 设计理论 叫， 我 们 得 到，辐 射 贴 片 的 宽度形 掣 ，一一对 于 矗 ， 有 效介 电 常数 钆 乏 儿 ， 乙 ，同理可得 ， 叩目 矶龋 朋 脚 ， 长 度 甇 脚 历根 据 以 上微 带天线 的 参 数 ， 在 软件 中 建 模 ， 在建 模 过 程中 ， 为了 保证 仿图 矩形微 带贴 片 天线 仿 真 模 型、 、，一 ，一繇 髋 鷇 为 了 扩展 天 线 的 带 宽 ， 我 们除 了 采 用 低 相对介 电 常数的 介 质 板， 还 可 以 通过图 等 效 偶极 子天 线 示葸图根 据 第节， 图 所 示天 线 的 尺 寸 几 何参 数如 下 ：缸 配畂 所朋， ， 朋聊， 畂 朋囟探拥匕 濉 雞： 、 。 段 小 于谛痴 衿 德剩 处 驻波比陋帜 ， 相对带 宽 达 到 。碧 煜叩 脑 冻 鲆 娣 较蛲渲 泻焐硎綡 术 面 从 图 我 们 可以 看 到，厂 的 目 标。等 效 偶极 子 天 线 的 优 化改进宽 范 围 不 至 于影 响 我 们 测量 要 求 的 基 础 上 ，我 们 改进的 目 标有 两 个 ：一 是增 加 天等 效 偶极 子 天 线 的 改进一 接地 板 挖 掉矩 形区域 对 接地板 挖掉 区域 进 行添 加 矩 形 贴片 处理图 所 示天 线 结构的 天 线 ，其 辐 射 方 向性 还是 上下两 个 方 向，我 们 本小 节 就是采 取 一定 的 改 进 措 施 ，减小 其 另一个 方 向上 的 辐 射 ，使 其 向另一个 方 向辐 射 。根 据 天 线 阵 理 论 心 引，若使 其 从 两 个 方 向辐 射 变 为 一个 方 向辐 射 ，我 们 可 以 采 用 添加 一个 寄 牛 振 子，来充 当辐 射 振 子的 反向器 或 者 引向器 来改 变天 线 的 辐 射 特 性 。上 一步 的 改 进 留 下的 挖空 的 矩 形 部分 ，给我 们 预留 了 改 进 的 空 间 ，我 们 可 以 在 挖 一 ，： 疘：，“、，产、。、聱： 、 一 一二 ； 。 夕彩方 向图 其 嬖冻 鲆 娣 较蛲荚 冢 “嵌 确段 诖 笥贠 萋一 在 厂 档 悖 珽面 方 向图 天 线 最 大 辐 射 方 向在 ，最 大 增 益 为 线 如 图 从 图 颐 强梢 钥 吹 剑煜咦 扰 髋 晰 。一。 最 大 辐 射 方 向旁瓣 最 大 增 益显 看 到 旁瓣 增 益 逐渐增 大 。从 表 中 天 线 各 频点 嬖冻 鲆 娣 较蛲荚 谄 档 愠、 、 ， 配 畂 朋 聊 ， 邯 蠼 牛 瑆 朋 小 ， 畂 螅 拥 匕 錑 的 宽 坍 朋 ， 缝间 距 甇 朋 聊 ， 缝离馈 电端 的 距 离屯 ， 甇 肌朋 ， 蛔 甇 小 聊 ，各 种 天 线 参 数 对 天 线 性 能 的 影 响前面 三节详细 的 介绍 了 用 于 猂频 段信号测 量的 微带天 线 的 设 计 仿真优 化过 程 ， 我 们 知 道 微带天 线 的 尺寸 稍 微改 动 就 会 对 仿真的 结 果 造 成 很大误 差 ， 本节 保 持 其 他尺 寸 不变 ， 当 切 缝 蛃 的 宽 度 搿 琈 图 中所 示、保 持 其 他尺 寸 不变 ， 当 切 缝 蛃 的 间 距 直 鹞 所 朋 ， 甇 册 朋 ，、薹萋卜 一一舶 奉 怕 的 位置 的 变动 将 改变其 与 接 地板 周 围 缝 隙 的 宽度 的 变化 ， 因此 也 会影响 天 线 的 驻 烬 阡 彼 蚫 婵 陀 皿 黩 、 、，蒺缀岛 时， 天 线 驻 波比 和 方 向 图分 别如 图 屯 所 示 ： 哭、扛 眦 篍 彳懑。： 当 甇 背涞狈聪蚱 鞯 淖饔茫 畲 蠓 浞 较 蛭 左右 。 诳 涨 騜 的 影响时 ， 天 线 驻 波 比和 方向 图分 别 如 图 屯 所 示：图 枞 变 化时 ， 驻 波 比变 化曲线 鳌 蜶 鹡 傩 瞭心 彩麓腻 变化 时 ， 各 频 点远 场 增 益 方 向图本 章从 矩形 微带贴片天 线的设 计 开 始 ， 详 细 介 绍 了 等 效偶 极 子天线的优 化 改屯 诘 羟 騜 的位 置 、长 度 、 目前 的微 带 天线 技 术 采 用 了 大 量 的新概 念 和 新设计，同 时 对 原有 天线 的结构作 了 各式 各样 的改进 ，使得 微 带 天线 结构 复 杂 ，激 励 的模 式多 样 ，理 论 上 分析 会遇到 很 大 困 难，这 时 需 要通过 实 验测 量 方 法来 研究 验证 。 另 外，在若 干 条 件下 进行的理 论 计算 ，最后都需 要通过 对 天线 参 数 进 行实 际测 量 ，以 验证 是否 跟 理 论 计算 结果吻 合 ，是否 满 足 设计要求 。 因 此天线 参 数 的测 试是天线 设计过 程中 必 不 可少的一 部分。数 的测 量 ，并 与仿 真 结果进 行比 较 ，分析 与理 论 仿 真 结果产生 误 差的 原因 。介 质 板 相 对 介 电 常 数 的测 量式 中 ，占 ，为 介 质 相 对 介 电 常 数 ， 寮 渚 嗬耄琒 为 极板 面 积 ， 测 量 数 据 与 分 析甧的 开路 传 输线 的 反射系 数 的 相位 ， 并 经 过 处 理 得 到不 同 频 率 下 介 质 板 的 相对 介 电 常 数 如