一種用于隧道覆蓋的超寬帶單極子天線

(華南理工大學(xué) 電子與信息學(xué)院，廣州 510640)

1 引 言

目前，隧道或地鐵工程中經(jīng)常使用的覆蓋方案是泄漏電纜覆蓋[1]，雖然具有覆蓋均勻、安裝尺寸小、故障率低、維護(hù)成本小的優(yōu)點(diǎn)，但是漏纜工程成本較高，每百米均價(jià)20 000元左右(含專(zhuān)用漏纜固定卡)，主要使用安德魯和RFS的13/8漏纜。即使是國(guó)產(chǎn)漏纜，價(jià)格也在每百米10 000元左右，造價(jià)昂貴。因此，設(shè)計(jì)一款安裝簡(jiǎn)單、造價(jià)成本低且具有寬頻帶良好覆蓋特性的雙向天線，具有很大的應(yīng)用潛力。

近年來(lái)，片狀平面單極子天線的寬頻帶特性引起了極大的關(guān)注。文獻(xiàn)[2]提出了寬頻帶的圓形平面單極子天線，在日本的電視頻段90～770 MHz實(shí)現(xiàn)了這種寬頻帶天線。隨后，出現(xiàn)了橢圓、矩形、三角形以及梯形平面單極子天線。George F.Tsachtsiris等人提出了一種低剖面并可多頻工作的平面單極子天線[3];Gwo-Yun Lee等人研究了一種寬帶折疊平面單極子天線，可滿足DCS、PCS、UMTS及WLAN等應(yīng)用[4]。

本文設(shè)計(jì)了一種雙向覆蓋的橢圓平面單極子天線，在1.55～10.57 GHz頻帶內(nèi)具有良好的阻抗特性，采用壁掛形式，安裝方式簡(jiǎn)單可靠，造價(jià)成本較低，適合列車(chē)通過(guò)的隧道或地鐵環(huán)境。

2 天線結(jié)構(gòu)與仿真分析

2.1 隧道覆蓋方案分析

由于外界環(huán)境的差異，隧道覆蓋不同于一般的基站覆蓋，為了安裝的方便和節(jié)約成本，隧道覆蓋一般采用一個(gè)直放站實(shí)現(xiàn)直線式的饋電鏈路[5]，如圖1所示。

圖1 隧道覆蓋天線安裝方案Fig.1 Installation of antenna for the mantling of tunnel

由于饋電鏈路是沿著隧道兩側(cè)的直壁安裝的，所以圖1中的天線單元必須是沿著隧道雙向輻射的。因此，本文的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一種可用于隧道覆蓋的單極子天線，不僅輻射指標(biāo)要滿足要求，而且具有超寬帶的阻抗特性以及適合隧道安裝的結(jié)構(gòu)特性。

2.2 單極子雙向天線設(shè)計(jì)原理

由于橢圓形單極子天線表面輪廓光滑，天線表面電流主要集中在其光滑輪廓附近且反射較小，往往可以在很寬的頻帶內(nèi)獲得良好的阻抗特性，因此，本文選用橢圓形單極子作為輻射體。

而由平面單極子的輻射特性可知，其水平面方向圖是近似全向的，若要實(shí)現(xiàn)雙向輻射，必須改變其邊界條件。本設(shè)計(jì)在輻射體的兩側(cè)各加了一側(cè)板，使此單極子的水平面方向圖是沿著隧道雙向分布的。天線結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由理論分析可知，橢圓形單極子天線的表面電流集中分布在其光滑輪廓邊緣和輻射體靠近底板的部分，因此在設(shè)計(jì)天線時(shí)將輻射體電流分布較小的圓心部分挖空，形成環(huán)形橢圓平面單極子天線，從而實(shí)現(xiàn)在不影響天線性能的情況下減小天線重量的目的，方便在隧道安裝。

圖2 平面單極子雙向天線的立體結(jié)構(gòu)Fig.2 Three-dimensional structure of planar monopole bidirectional antenna

如圖2所示，輻射體為環(huán)形橢圓平面單極子，銅材料制作，厚度為1 mm，外橢圓長(zhǎng)軸為31.75 mm，內(nèi)橢圓長(zhǎng)軸為12.7 mm，兩橢圓軸比均為1.27。單極子上半部分切了一段高為12.75 mm的弧形塊，是由于阻抗匹配的需要。輻射體置于132 mm×50 mm的鋁制底板上，厚度也是1 mm。底板左右兩側(cè)各有一80 mm×50 mm的側(cè)板，材質(zhì)與底板相同。正是由于這兩個(gè)側(cè)板，使得整個(gè)天線的輻射特性滿足設(shè)計(jì)需求，即水平面方向圖由原來(lái)的全向變成了雙向。輻射體和底板之間采用同軸饋電，饋電接入點(diǎn)在輻射體的正下方。

2.3 仿真分析

本設(shè)計(jì)用電磁仿真軟件Ansoft HFSS建模仿真，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后各部分的尺寸如圖3所示，仿真結(jié)果的電壓駐波比如圖4所示。

(a)主視圖

(b)俯視圖

圖3 平面單極子雙向天線主視圖和俯視圖(單位：mm)

Fig.3 Main view and top view of planar monopole bidirectional antenna(Unit: mm)

由于天線是沿著隧道方向壁掛形式安裝的，所以主要考察仿真的水平面方向圖。圖5和圖6分別是f1=2 GHz和f2=3 GHz處的水平面方向圖，其中，0°與-180°方向?yàn)檠刂淼婪较?。其它頻率點(diǎn)的仿真結(jié)果匯總在表1中，可見(jiàn)，沿隧道方面(0°和-180°方向)天線的增益在5.132 1 dBi以上。

圖4 天線電壓駐波比仿真結(jié)果Fig.4 Simulated results of VSWR of antenna

圖5 f1=2 GHz水平面方向圖仿真結(jié)果Fig.5 Simulated results of horizontal patterns in f1=2 GHz

圖6 f2=3 GHz水平面方向圖仿真結(jié)果Fig.6 Simulated results of horizontal patterns in f2=3 GHz

頻率/GHz增益/dBi頻率/GHz增益/dBi1.7105.132 12.4276.415 41.8535.387 62.5706.521 92.0005.455 02.7136.572 22.1405.899 52.8576.610 72.2836.216 23.0006.682 3

觀察仿真結(jié)果的電壓駐波比曲線可知，在1.79～5.58 GHz頻段內(nèi)，此單極子天線的電壓駐波比小于1.5，相對(duì)帶寬超過(guò)100%。若以電壓駐波比小于2.0來(lái)算，其相對(duì)帶寬接近150%。

3 實(shí)物測(cè)試

圖7是該超寬帶平面單極子天線加上天線罩后實(shí)物圖。

圖7 超寬帶單極子雙向天線實(shí)物圖Fig.7 Photo of ultra wideband monopole bidirectional antenna

實(shí)測(cè)的電路參數(shù)如圖8所示。由于測(cè)試儀器的限制，只能測(cè)量到4.5 GHz。與仿真結(jié)果相比，其阻抗帶寬向低頻偏移的同時(shí)，帶寬變寬了，在1.430 GHz處電壓駐波比小于1.5，增加了低頻處帶寬。這是由于軟件建模和仿真設(shè)計(jì)存在一定的理想化處理，加上實(shí)際的天線加工、制作、裝配也帶來(lái)公差，從而造成結(jié)果的差異，但是兩者的變化趨勢(shì)是一致的。

圖8 超寬帶單極子雙向天線電壓駐波比實(shí)測(cè)結(jié)果Fig.8 Measured results of VSWR of ultra wideband monopole bidirectional antenna

對(duì)天線輻射特性的評(píng)估最終由天線方向圖測(cè)量來(lái)完成，本文的測(cè)量是在一個(gè)專(zhuān)門(mén)用于天線方向圖測(cè)量的微波吸波暗室中進(jìn)行的。由于暗室能夠有效消除多徑反射以及屏蔽外界干擾信號(hào)，而且采用先進(jìn)的多功能多軸轉(zhuǎn)臺(tái)、高精度測(cè)試儀表以及全自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)，其測(cè)試精度和效率都很高。圖9和圖10分別是f1=2 GHz和f2=3 GHz處的水平面方向圖測(cè)試結(jié)果，其中，0°和180°方向?yàn)檠刂淼婪较?，其它頻率點(diǎn)的水平面方向圖測(cè)試結(jié)果匯總在表2中。

圖9 f1=2 GHz水平面方向圖實(shí)測(cè)結(jié)果Fig 9 Measured results of horizontal patterns in f1=2 GHz

圖10 f2=3 GHz水平面方向圖實(shí)測(cè)結(jié)果Fig 10 Measured results of horizontal patterns in f2=3GHz

頻率/GHz增益/dBi頻率/GHz增益/dBi1.7105.401 12.4276.568 41.8535.697 22.5706.475 82.0005.945 62.7136.598 82.1406.001 42.8576.712 52.2836.354 53.0006.754 2

將實(shí)際測(cè)試結(jié)果和仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行比較可以看到，兩者吻合得很好，沿隧道方向(0°和180°方向)天線的增益都大于5 dBi。總的來(lái)說(shuō)，此超寬帶平面單極子天線的實(shí)際測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果還是相吻合的，電路參數(shù)和輻射參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求和功能需求。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一款安裝簡(jiǎn)單、造價(jià)成本低且具有良好覆蓋的壁掛單極子雙向天線，其相對(duì)帶寬超過(guò)100%。進(jìn)而，以軟件仿真數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量和調(diào)試，測(cè)試結(jié)果均符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求和功能需求，為移動(dòng)通信隧道覆蓋提供了一種新的解決方案。

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