吸頂全向天線電磁特性的研究

摘 要： 采用數值仿真技術CST，研究了一款全向吸頂天線的電磁特性，包括方向圖和駐波比等。優化后的天線能夠在雙頻帶806～960 MHz和1 710～2 500 MHz上有效工作，回波損耗小于-10 dB，最大增益為3.5 dB。制作了吸頂天線的實驗模型，利用網絡矢量分析儀等設備對天線進行測量，其與仿真結果對比具有很好的一致性，并針對不同幾何參數對吸頂天線物理性能的影響進行了多方面的分析。

關鍵詞： 吸頂天線； 寬波束； CST仿真技術； 全向輻射

中圖分類號： TN82?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）03?0079?03

Research on electromagnetic characteristics of ceiling?mounted omni?directional antenna

DAI Ling?liang， WANG Qi， FANG Liu?jun

（College of Communication Engineering， Nanjing Institute of Technology， Nanjing 211167， China）

Abstract： The electromagnetic properties （including radiation patterns and VSWR） of an omni?directional ceiling?mounted antenna are studied by means of the numerical simulation techniques CST. The optimized antenna can be effectively worked in dual band 806～960 MHz and 1 710～2 500 MHz. The antenna′s return loss is less than -10 dB and the maximum gain is about 3.5 dB. The experimental model of the ceiling?mounted antenna was constructed and measured with the network vector analyzer. The measured result is consist with the simulation result. The influence of different geometric parameters on physical properties of the ceiling?mounted antenna is also analyzed in this paper.

Keywords： ceiling?mounted antenna； wide beam； CST simulation technology； omni?directional radiation

0 引 言

隨著城市樓宇規模的增加以及地下空間利用的擴大，使得移動通信信號傳播受到很大影響，會形成移動通信的盲區。為提高移動通信質量，就必須建立室內無線覆蓋系統，天線在這個系統中具有舉足輕重地位，而吸頂天線由于其特有的電磁分布特性，往往是首選的結構形式[1]。

關于吸頂天線的研究與應用，近年來的文獻中有一定的分析與討論。文獻[1]分析了傳統天線的缺陷，研究了新型天線高低頻輻射強度均勻性問題；文獻[2]研究了一種小型化高隔離雙極化吸頂天線，用以提高通信系統頻譜利用率，改善室內無線鏈路性能；文獻[3]分析了傳統天線輻射在E面和H面方向上的不足，提出了2G/3G網絡協同設計，提高了覆蓋效率；文獻[4]仿真研究了一種三極化吸頂天線，以提高天線增益，實現輻射方向的控制。

本文借助CST電磁仿真技術，對一種簡單結構的吸頂天線進行定量計算研究，著重于分析天線輻射特性和匹配特性隨幾何結構與尺寸變化的關系，并通過制作實驗模型進行測試驗證，為天線在工程上的應用提供了依據。

1 吸頂天線設計與研究

本文所研究的吸頂天線要求工作在雙頻段806～960 MHz和1 710～2 500 MHz范圍內，具有寬波束輻射，增益在2～3.5 dBi之間，在與天線軸線之間35°～85°范圍內增益大于3，激勵信號的輸入阻抗為50 Ω，垂直極化方式。

天線的剖面圖如圖1所示，其三維結構是平面圖繞z軸旋轉體，各部分尺寸用字母標示在圖中，仿真計算中各幾何參數的初始值見表1。

本文著重研究了幾何參數[r3，][r4]和[r5]的改變對天線駐波比和增益的影響，結果如圖2～圖4所示。

由圖中可以看出，隨著圓臺地面和輻射喇叭上下半徑的變化，天線駐波比在工作頻段內有較大的變化，由于天線的總高度不變，這種影響主要體現在高頻端，因此可通過調整這些參數來實現天線高頻端的工作范圍。不同幾何尺寸對各個頻段最大增益以及方向圖也有不小影響，限于篇幅，圖中只繪出了最大增益的變化曲線。要平衡這些幾個參數使駐波比和方向圖都能達到設計目標。綜合上面的分析，并進行優化計算，得到合適于設計要求的最優參數如表2所示。

3 結 論

通過仿真計算和實際測試，本文所構建的室內全向吸頂天線可以在806～960 MHz和1 710～2 500 MHz的雙頻范圍內有效工作，其駐波比小于2甚至小于1.5，并且達到了寬頻帶、全向輻射的要求，也和預期的能在35°～85°的高角度間增益大于3的目標一致，該天線能廣泛應用于家庭、公司中，實現信號的寬角度覆蓋。

參考文獻

[1] 田元兵，張峰，李廣彬.室分新型全向吸頂天線應用分析[J].郵電設計技術，2011（8）：72?77.

[2] 黃聰，薛鋒章.一種小型化高隔離MIMO吸頂天線[J].電訊技術，2011，51（11）：103?106.

[3] 樊悅順，張巾瑩，李鳳花.新型天線在室內覆蓋中的應用[J].移動通信，2012（12）：7?12.

[4] 王天石，李曉明，盧鳳暉.適用于LTE室內分布的三極化天線結構研究[J].電信技術，2014（7）：66?70.

[5] 劉建國.短波寬帶全向天線應用研究[J].現代電子技術，2013，36（1）：74?76.

[6] 賈登權，史志緯.一種新型超寬帶微帶天線[J].現代電子技術，2009，32（1）：41?42.