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用于高速列车内GSM-R频段的宽带微带天线设计与研究

冯玉明  
【摘要】:本文的主要目的是根据在列车上测量GSM-R频段电磁信号的实际需要,设计一款工作在885MHz~935MHz的接收天线,要求在该工作频段内天线的驻波比VSWR≤2(回波损耗S11≤-10dB)、各频点的最高增益都高于3dB、且半功率波瓣宽度大于60°。考虑到在列车上测量电磁信号的便携性,这里采用物理结构尺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HFSS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。 论文的主要工作内容和创新如下: 首先,介绍了微带天线的基本理论,其中包括微带天线的定义、结构类型、优缺点及应用、辐射原理、馈电方法、宽频带技术等。 其次,阐述了微带天线常用的三种分析方法,传输线法、腔模理论、有限元法,为后面的微带天线设计提供理论基础。 第三,根据天线的性能指标,设计了一款工作频带覆盖782MHz~938MHz,相对带宽达到18.82%的新型天线。天线的整个设计流程从最典型的矩形微带贴片天线开始,然后根据天线理论,将微带贴片天线改进为等效偶极子天线,使其具有宽频带特性。并针对等效偶极子天线的方向性向多个方向辐射的问题,根据天线理论中反向器和引向器的理论,对等效偶极子天线的结构优化改进,使微带天线同时具有宽频带和定向测量的良好性能,并最终确定天线的各个尺寸。同时,对天线结构的物理参数对天线性能指标的影响进行了深入的研究讨论。整个设计过程都通过HFSS软件仿真实现。 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。在电波暗室测试环境中,利用天线测量系统对制作出的天线的驻波比、方向图、增益、天线系数进行测量,并将测量结果和仿真结果进行比较,除天线的方向图与仿真结果有一定误差外,其它性能吻合很好,并对产生误差的原因进行分析讨论。


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