一種用于隧道覆蓋的超寬帶單極子天線

(華南理工大學 電子與信息學院，廣州 510640)

1 引 言

目前，隧道或地鐵工程中經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、維護成本小的優點，但是漏纜工程成本較高，每百米均價20 000元左右(含專用漏纜固定卡)，主要使用安德魯和RFS的13/8漏纜。即使是國產漏纜，價格也在每百米10 000元左右，造價昂貴。因此，設計一款安裝簡單、造價成本低且具有寬頻帶良好覆蓋特性的雙向天線，具有很大的應用潛力。

近年來，片狀平面單極子天線的寬頻帶特性引起了極大的關注。文獻[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實現了這種寬頻帶天線。隨后，出現了橢圓、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等應用[4]。

本文設計了一種雙向覆蓋的橢圓平面單極子天線，在1.55～10.57 GHz頻帶內具有良好的阻抗特性，采用壁掛形式，安裝方式簡單可靠，造價成本較低，適合列車通過的隧道或地鐵環境。

2 天線結構與仿真分析

2.1 隧道覆蓋方案分析

由于外界環境的差異，隧道覆蓋不同于一般的基站覆蓋，為了安裝的方便和節約成本，隧道覆蓋一般采用一個直放站實現直線式的饋電鏈路[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，本文的目標是設計一種可用于隧道覆蓋的單極子天線，不僅輻射指標要滿足要求，而且具有超寬帶的阻抗特性以及適合隧道安裝的結構特性。

2.2 單極子雙向天線設計原理

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，若要實現雙向輻射，必須改變其邊界條件。本設計在輻射體的兩側各加了一側板，使此單極子的水平面方向圖是沿著隧道雙向分布的。天線結構如圖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，因此在設計天線時將輻射體電流分布較小的圓心部分挖空，形成環形橢圓平面單極子天線，從而實現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構Fig.2 Three-dimensional structure of planar monopole bidirectional antenna

如圖2所示，輻射體為環形橢圓平面單極子，銅材料制作，厚度為1 mm，外橢圓長軸為31.75 mm，內橢圓長軸為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。底板左右兩側各有一80 mm×50 mm的側板，材質與底板相同。正是由于這兩個側板，使得整個天線的輻射特性滿足設計需求，即水平面方向圖由原來的全向變成了雙向。輻射體和底板之間采用同軸饋電，饋電接入點在輻射體的正下方。

2.3 仿真分析

本設計用電磁仿真軟件Ansoft HFSS建模仿真，經過優化后各部分的尺寸如圖3所示，仿真結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°方向為沿著隧道方向。其它頻率點的仿真結果匯總在表1中，可見，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果Fig.4 Simulated results of VSWR of antenna

圖5 f1=2 GHz水平面方向圖仿真結果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

觀察仿真結果的電壓駐波比曲線可知，在1.79～5.58 GHz頻段內，此單極子天線的電壓駐波比小于1.5，相對帶寬超過100%。若以電壓駐波比小于2.0來算，其相對帶寬接近150%。

3 實物測試

圖7是該超寬帶平面單極子天線加上天線罩后實物圖。

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

實測的電路參數如圖8所示。由于測試儀器的限制，只能測量到4.5 GHz。與仿真結果相比，其阻抗帶寬向低頻偏移的同時，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計存在一定的理想化處理，加上實際的天線加工、制作、裝配也帶來公差，從而造成結果的差異，但是兩者的變化趨勢是一致的。

圖8 超寬帶單極子雙向天線電壓駐波比實測結果Fig.8 Measured results of VSWR of ultra wideband monopole bidirectional antenna

對天線輻射特性的評估最終由天線方向圖測量來完成，本文的測量是在一個專門用于天線方向圖測量的微波吸波暗室中進行的。由于暗室能夠有效消除多徑反射以及屏蔽外界干擾信號，而且采用先進的多功能多軸轉臺、高精度測試儀表以及全自動化測試系統，其測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試結果，其中，0°和180°方向為沿著隧道方向，其它頻率點的水平面方向圖測試結果匯總在表2中。

圖9 f1=2 GHz水平面方向圖實測結果Fig 9 Measured results of horizontal patterns in f1=2 GHz

圖10 f2=3 GHz水平面方向圖實測結果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

將實際測試結果和仿真數據進行比較可以看到，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。總的來說，此超寬帶平面單極子天線的實際測試結果和仿真結果還是相吻合的，電路參數和輻射參數均滿足設計指標要求和功能需求。

4 結 論

本文設計了一款安裝簡單、造價成本低且具有良好覆蓋的壁掛單極子雙向天線，其相對帶寬超過100%。進而，以軟件仿真數據為基礎，對樣機進行了實際測量和調試，測試結果均符合設計指標要求和功能需求，為移動通信隧道覆蓋提供了一種新的解決方案。

參考文獻：

[1] 蘇華鴻, 孫孺石, 薛鋒章. 蜂窩移動通信射頻工程[M].2版. 北京: 人民郵電出版社, 2007：18-21.

SU Hua-hong,SUN Ru-shi,XUE Feng-zhang.RF Engineering for Cellular Mobile Communications[M].2nd ed.Beijing:Posts & Telecom Press,2007:18-21.(in Chinese)

[2] Agrawall N P, Kumar G,Ray K P. Wide-band planar monopole antenna[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1998, 46(8): 294-295.

[3] Tsachtsiris G F, Soras C F, Karaboikis M P,et al. Analysis of a Modified Sierpinski Gasket Monopole Antenna Printed on Dual Band Wireless Devices[J]. IEEE Transactions on Antenna and Propagation, 2004, 52(10): 2571-2579.

[4] Lee Gwo-Yun, Yeh Shih-Huang, Wong Kin-Lu. A Broadband Folded Planar Monopole Antena for Mobile Phones[J]. Microwave Optical Technology Letters, 2002, 33(3): 165-167.

[5] 劉翔. 高速公路、鐵路隧道無線覆蓋技術探討[J]. 信息通信, 2009(2): 76-80.

LIU Xiang.Investigation of Technology of Wireless Coverage for Highway, Railway Tunnel[J]. Information and Communications, 2009 (2): 76-80. (in Chinese)