地鐵微帶縫隙天線陣列的設計及其輻射性能研究

李致興

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，710043，西安∥工程師）

伴隨通信業的迅猛發展，公眾對于乘坐地鐵時進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，特別是在地形復雜的的情況下，增加了無線通信的困難［1］。基于上述問題，本文設計的微帶縫隙天線可制成軌旁的輻射漏纜［2］，以滿足隧道內電磁覆蓋的要求，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］是在介質板上開設不同形狀的槽，制成漏纜后，將漏纜內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，在終端設置與之相匹配的負載。外壁上的縫隙切斷了壁內表面的電流傳導，在縫隙處產生輻射電場，使縫隙處受到激勵，通過縫隙向外部空間輻射電磁能量［4］。在實際的工程應用中，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，構成縫隙陣列天線，天線工作時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］陣列已經過多年的發展和完善，該天線具有以下特點：①縫隙天線輻射口徑處的電磁場的分布很容易控制，由于波導器件傳輸功率大、功率損耗小，所以縫隙天線在設計時更容易實現高效率、高增益、高功率、低副瓣的要求；②天線結構呈板狀，結構緊湊、輕巧，輪廓側面較小，具備一體化的輻射系統和饋電系統，本身具有較強的抗風性，能夠應用于隧道、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計與分析

2.1 單個縫隙天線的建模

本文運用基于有限元法的三維高頻結構仿真（High Frequency Structure Simulator，HFSS）軟件對天線進行建模，該軟件是公認的電磁場設計和分析的行業標準，被廣泛應用于天線仿真［7］。

在HFSS軟件中建立微帶縫隙天線模型，如圖1所示。介質板厚度為1.6 mm，介電參數為2.2，介質板表面定義為良導體。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——介質板內的相對介電常數；

λ0——自由空間波長。

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

通過式（1）計算天線介質板中的波長λe。mm，在距天線λe/2的位置設置輻射吸收邊界，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。

設置迭代精度為0.02，最大迭代次數20次，模型的網格剖分如圖2所示。

圖2 模型的網格剖分

經過7次迭代計算后，模型的精度達到0.00028412，共剖分網格數7 787個。圖2所示的模型網格剖分圖中縫隙天線部分的剖分網格最密集，剖分網格數為5 054個，精度最高。

2.2 縫隙的角度對天線性能參數的影響

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。

通過模擬計算，得到如表1所示的仿真結果。

由表1可得：α會對天線的輻射性能有影響，當α≤15°時，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α≥45°時，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α=30°時，天線的回撥損耗最低為-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 縫隙的排列順序對天線陣列性能參數的影響

為了研究縫隙排列方式對天線輻射性能的影響，分別對縫隙進行水平排列、垂直排列和八字排列，由4個不同排列順序的縫隙構成微帶縫隙陣列，對每一種排列方式進行模擬仿真。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，由表2可知，縫隙八字排列時，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，回撥損耗最小，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 結語

本文針對地鐵無線通信的需求，設計可制成漏纜鋪設的微帶縫隙天線陣列。基于經典的縫隙天線模型，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生影響。仿真結果表明，當縫隙角度為30°時，微帶縫隙天線的輻射性能最好，以此角度設計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。

［1］ 吳招鋒，周俊，林必毅.地鐵無線通信技術的研究［J］.現代城市軌道交通，2010，（3）：19-23.

［2］ 袁馬祥.關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.

［3］ 王哲，邱景輝.8 mm波導縫隙天線的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2012：7-8.

［4］ FABIEN T.Spectral element computation of high-frequency leaky modes in three-dimensional solid waveguides［J］.Journal of Computational Physics，2016，314（1）：341-354.

［5］ 盛月月，高文軍，雷宏，等.波導縫隙陣列天線設計［J］.電子與信息學報，2005，27（8）：8-10.

［6］ 李偉明，任武.陣列天線的分析與應用［D］.北京：北京航空航天大學，2011：7-8.

［7］ 李明洋，劉敏.HFSS電磁仿真設計從入門到精通［M］.北京：人民郵電出版社，2016.