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对地无关天线的研究与探索

康春华  
【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日益受到重视。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2.4GHz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,经优化得到谐振频率为2.4GHz时的高阻电磁表面的相应结构参数。并且将高阻电磁表面与单极子天线相结合,通过仿真、优化,得到了与地关联小的一款单频天线,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2.4GHz,证明了设计的可行性。 然后,本文在DGS级联的启发下,提出了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S11造成影响进行了深入的研究,并总结基本规律。最后按照研究得到的参数,实际制作了一款双频高阻电磁表面,通过实测,验证了这种设计的可行性。 最后,本文总结了全部的工作,研究结果表明,采用高阻表面可以抑制天线的对地相关性,特别是合理布局双频高阻表面结构可以实现双频天线的对地无关,为车载无线通信系统的设计提供了参考。


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