李致興

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，710043，西安∥工程師）

伴隨通信業(yè)的迅猛發(fā)展，公眾對于乘坐地鐵時(shí)進(jìn)行無線通信的要求日益提高。但地鐵隧道對電磁波有吸收、反射和隔斷的作用，對電磁信號的傳播會有一定的限制和阻礙，特別是在地形復(fù)雜的的情況下，增加了無線通信的困難［1］?；谏鲜鰡栴}，本文設(shè)計(jì)的微帶縫隙天線可制成軌旁的輻射漏纜［2］，以滿足隧道內(nèi)電磁覆蓋的要求，增加地鐵通信信號的傳播距離。由于縫隙間隔較大，還可以減少對周圍電磁設(shè)備的電磁干擾，提高無線通信容量。

1 微帶縫隙天線的工作原理

微帶縫隙天線［3］是在介質(zhì)板上開設(shè)不同形狀的槽，制成漏纜后，將漏纜內(nèi)傳播的電磁場通過槽空向外部空間輻射電磁能量。天線縫隙上加有激勵(lì)，在終端設(shè)置與之相匹配的負(fù)載。外壁上的縫隙切斷了壁內(nèi)表面的電流傳導(dǎo)，在縫隙處產(chǎn)生輻射電場，使縫隙處受到激勵(lì)，通過縫隙向外部空間輻射電磁能量［4］。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，可以通過改變縫隙的形狀、大小、傾斜角度使其在開槽位置獲得不同的天線輻射性能。為了適應(yīng)于地鐵不同高頻頻段的通信信號需求，在漏纜壁上開一系列的縫隙群，構(gòu)成縫隙陣列天線，天線工作時(shí)就可以獲得更大的增益，增加電磁場的覆蓋范圍，并提高功率容量，降低功率損耗。

微帶縫隙天線［5-6］陣列已經(jīng)過多年的發(fā)展和完善，該天線具有以下特點(diǎn)：①縫隙天線輻射口徑處的電磁場的分布很容易控制，由于波導(dǎo)器件傳輸功率大、功率損耗小，所以縫隙天線在設(shè)計(jì)時(shí)更容易實(shí)現(xiàn)高效率、高增益、高功率、低副瓣的要求；②天線結(jié)構(gòu)呈板狀，結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧，輪廓側(cè)面較小，具備一體化的輻射系統(tǒng)和饋電系統(tǒng)，本身具有較強(qiáng)的抗風(fēng)性，能夠應(yīng)用于隧道、地下通道等封閉或半封閉的場合。

2 微帶縫隙天線陣列的設(shè)計(jì)與分析

2.1 單個(gè)縫隙天線的建模

本文運(yùn)用基于有限元法的三維高頻結(jié)構(gòu)仿真（High Frequency Structure Simulator，HFSS）軟件對天線進(jìn)行建模，該軟件是公認(rèn)的電磁場設(shè)計(jì)和分析的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，被廣泛應(yīng)用于天線仿真［7］。

在HFSS軟件中建立微帶縫隙天線模型，如圖1所示。介質(zhì)板厚度為1.6 mm，介電參數(shù)為2.2，介質(zhì)板表面定義為良導(dǎo)體。饋源是0.8 mm×0.8 mm的正方形，饋入1 W的入射功率。

圖1 縫隙天線模型

式中：

f0——天線的中心頻率；

C——自由空間光速；

εe——介質(zhì)板內(nèi)的相對介電常數(shù)；

λ0——自由空間波長。

由于地鐵漏纜頻段為50～2 400 MHz，設(shè)計(jì)天線的中心頻率為1.1 GHz，代入式（1）解得λe=183

通過式（1）計(jì)算天線介質(zhì)板中的波長λe。mm，在距天線λe/2的位置設(shè)置輻射吸收邊界，完全吸收所有入射的電磁波，得到最理想的回波損耗和駐波比。

設(shè)置迭代精度為0.02，最大迭代次數(shù)20次，模型的網(wǎng)格剖分如圖2所示。

圖2 模型的網(wǎng)格剖分

經(jīng)過7次迭代計(jì)算后，模型的精度達(dá)到0.00028412，共剖分網(wǎng)格數(shù)7 787個(gè)。圖2所示的模型網(wǎng)格剖分圖中縫隙天線部分的剖分網(wǎng)格最密集，剖分網(wǎng)格數(shù)為5 054個(gè)，精度最高。

2.2 縫隙的角度對天線性能參數(shù)的影響

為了研究不同縫隙角度α對微帶縫隙天線的性能影響程度，分別建立如圖3所示的模型。

通過模擬計(jì)算，得到如表1所示的仿真結(jié)果。

由表1可得：α?xí)μ炀€的輻射性能有影響，當(dāng)α≤15°時(shí)，回波損耗比增加，電壓駐波比減小，天線的輻射效率上升，天線旁瓣減少，增益有所提高。當(dāng)α≥45°時(shí)，回波損耗比增大，電壓駐波比上升，天線的輻射效率降低，天線旁瓣增多，增益明顯下降；當(dāng)α=30°時(shí)，天線的回?fù)軗p耗最低為-22.5 dB，電壓駐波比最小為0.9，增益最大為5.8 dB。

圖3 不同縫隙角度對天線性能參數(shù)影響模型

表1 不同縫隙角度對天線性能的影響

2.3 縫隙的排列順序?qū)μ炀€陣列性能參數(shù)的影響

為了研究縫隙排列方式對天線輻射性能的影響，分別對縫隙進(jìn)行水平排列、垂直排列和八字排列，由4個(gè)不同排列順序的縫隙構(gòu)成微帶縫隙陣列，對每一種排列方式進(jìn)行模擬仿真。首先建立水平排列的天線模型，如圖4所示。

圖4 水平排列縫隙天線

仿真結(jié)果如圖5所示。

回波損耗又稱為反射損耗，是天線由于阻抗不匹配所產(chǎn)生的反射，表示天線入射波功率被反射回來的程度。從圖5 a）中可得天線的諧振頻率為1.1 GHz，與中心頻率重合，回波損耗為-19 dB，而在實(shí)際工程通信中要求回波損耗小于-15 dB，所以該天線可以正常工作。

天線的反射波與入射波疊加后形成的波稱為駐波，駐波的波腹電壓與波節(jié)電壓的幅度之比稱為電壓駐波比，即電壓的峰值和谷值之比。由圖5 b）可得天線的諧振頻率即為中心頻率1.1 GHz，此時(shí)天線的電壓駐波比為1.81。

天線增益表示天線對輸入功率集中輻射的程度，由圖5 c）可得，水平排列陣列天線的最大增益是11.992 dB。

建立八字排列分布的縫隙天線模型，如圖6所示；建立垂直排列分布的縫隙天線模型，如圖7所示。

縫隙排列方式對天線輻射性能的影響如表2所示。

對比水平、八字和垂直3種縫隙排列方式的天線性能參數(shù)，由表2可知，縫隙八字排列時(shí)，電壓駐波比最低為1，說明饋源端口的相互影響最低，天線的定向性最好，獲得的增益最高為13.753 dB；縫隙垂直排列時(shí)，回?fù)軗p耗最小，但中心頻率略有偏移，說明饋源端口的相互影響最大，增益最低為9.659 1 dB。

圖5 水平排列天線的輻射性能

圖6 八字排列順序縫隙天線模型

圖7 垂直排列順序縫隙天線模型

表2 縫隙排列方式對天線輻射性能的影響

3 結(jié)語

本文針對地鐵無線通信的需求，設(shè)計(jì)可制成漏纜鋪設(shè)的微帶縫隙天線陣列?；诮?jīng)典的縫隙天線模型，通過改變縫隙角度和縫隙排列順序會對天線的輻射性能產(chǎn)生影響。仿真結(jié)果表明，當(dāng)縫隙角度為30°時(shí)，微帶縫隙天線的輻射性能最好，以此角度設(shè)計(jì)八字排列順序的微帶天線陣列，與縫隙水平排列和垂直排列相比，其回波損耗最小、駐波比最低、增益最大，更適用于地鐵無線通信。

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［2］ 袁馬祥.關(guān)于地面無線通信信號覆蓋地鐵的若干研究［J］.通訊世界，2016（2）：47-48.

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