煤矿井下高性能微波功率分配器与圆极化微带天线的研究
发布时间：2020-08-14 06:58
【摘要】：煤矿井下巷道与工作面属于狭长异质受限通信空间,无线信号在传播过程中多径衰落明显,通信质量较差。现今,煤矿井下无线通信系统多标准、多频段、多种通信方式共存。射频前端微波功率分配器和天线是煤矿井下无线通信系统中不可或缺的组成部分,对整个通信系统的质量起到至关重要的作用。因此研究满足多种通信需求、多种频段、多种通信标准的射频前端微波功率分配器和天线,具有很高的理论价值和现实意义。本课题针对煤矿井下通信需求,为提高井下无线通信系统质量,对无源微波功率分配器的大频率比、大功率、阻抗匹配和多频带等方面进行了深入研究。天线处于无线通信系统的终端,起着信号发射和接收的重要作用,因此研究适合井下无线通信系统的圆极化微带天线也作为本课题的一个重要研究方向。本课题由国家科技支撑项目“矿井动目标监测技术及在用设备智能管控技术平台与装备(基于物联网安全管控技术)”(项目编号:2013BAK06B05)资助,主要研究工作如下:(1)为了适应井下无线通信系统对功分器大频率比的需求,采用耦合线级联和输出端口前置到级联耦合线之间的方法,基于位于输入端口的开路枝节、输入端口延伸和两个隔离电阻的电路结构,提出了三种双频带大频率比的Wilkinson功分器。通过理论分析和仿真表明这三种双频Wilkinson功分器的频率比范围分别为2.7-6.8、1.5-6.1以及3.1-6.2。(2)为了适应井下无线通信系统对信号发射功率的要求,采用三对耦合线与四对耦合线分别加载开路枝节的方法,提出了两种适合大功率情况下使用的具有阻抗变换功能的双频带Gysel功分器。其中,第二种功分器多了一对级联的耦合线,增加了设计的自由度,具有更加灵活的阻抗匹配功能和大的频率比范围。两种功分器可实现的频率比范围分别为1.5-2.9和1.8-4.9。(3)为了适应井下无线通信系统对多频带和多路输出的需求,采用基于U型耦合线以及三对级联的耦合线替代改进型Bagley功分器中输入和输出端口之间微带线的方法,分别提出了一种小型化的双频带Bagley多路功分器和一种三频带Bagley多路功分器,最后给出了仿真与实测结果。(4)为了提高井下无线通信系统中天线信号的收发效率,结合功分器研究基础,提出了适用于井下RFID系统的基于耦合线功分器馈电网络、耦合贴片和旋转短路辐射贴片以及基于T型功分器和16个方形切角辐射单元的两种圆极化微带天线。仿真和实验结果表明:第一种天线具有较宽的半功率波束和频带范围,适用于煤矿井下巷道内宽角度范围信号收发;第二种天线具有较高的前后比,适用于井下远距离高定向性信号收发。本课题的研究成果不仅解决了井下无线通信系统中对大频率比、大功率、阻抗匹配和多频带功能功分器的应用需求,而且大大扩展了功分器在井下RFID系统天线馈电网络中的应用。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD65;TN822;TN626
【图文】：
(b) 奇模等效电路图 2-2 原始 Wilkinson 功分器的偶模和奇模等效电路Figure 2-2 Even-mode and odd-mode equivalent circuits of original Wilkinson power divider从图 2-2(a)中可以看出，由于微带线 Z1的电长度 θ1=90o，要想满足端口 1 的匹配，根据四分之一波长匹配线原理必须满足：1 0Z 2Z(2.1)奇模条件下，由于微带线 Z1的电长度为 90o，经过四分之一波长变换后可以视为开路，则此时要想满足端口 2 的匹配，则必须满足：0 0R 2Z(2.2)至此完成了原始 Wilkinson 功分器的理论分析，从公式(2.1)-(2.2)中可以求出微带线 Z1和隔离电阻 R0的大小。2.1.2 电路参考指标对于 Wilkinson 功分器来说，衡量的指标主要是输入端口的回波损耗(|S11|)、
(b) 奇模等效电路图 2-2 原始 Wilkinson 功分器的偶模和奇模等效电路Figure 2-2 Even-mode and odd-mode equivalent circuits of original Wilkinson power divider从图 2-2(a)中可以看出，由于微带线 Z1的电长度 θ1=90o，要想满足端口 1 的匹配，根据四分之一波长匹配线原理必须满足：1 0Z 2Z(2.1)奇模条件下，由于微带线 Z1的电长度为 90o，经过四分之一波长变换后可以视为开路，则此时要想满足端口 2 的匹配，则必须满足：0 0R 2Z(2.2)至此完成了原始 Wilkinson 功分器的理论分析，从公式(2.1)-(2.2)中可以求出微带线 Z1和隔离电阻 R0的大小。2.1.2 电路参考指标对于 Wilkinson 功分器来说，衡量的指标主要是输入端口的回波损耗(|S11|)、
理想的插入损耗为 3.01dB；输出端口 2 和 3 之间隔离度 (dB)=-20log10|S23|，它表示端口 2 和度。理想隔离时为无穷大 dB，表示从端口 2(3)输入的能量不能无隔离时为 0dB，表示从端口 2(3)输入的能量完全从端口 3(2)输典的双频带 Wilkinson 功分器对比本论文第三章主要研究双频带 Wilkinson 功分器，所以这里重点双频带功分器，而且主要针对基于级联结构和开路短路枝节的双 功分器进行分析，它们能够实现的频率比均在 3 以下，即均具率比的缺点。[25]提出了一种基于两节传输线级联的源到负载阻抗变换的双频相比于原始的单频带 Wilkinson 功分器，电路将里面的四分之一节阶梯阻抗的传输线，如图 2-3 所示，从而实现了同时工作在 0z 的双频带 Wilkinson 功分器。这个电路的缺点是没有实现端口 的理想隔离。Z1, θ1Z2, θ2
本文编号：2792677
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD65;TN822;TN626
【图文】：
(b) 奇模等效电路图 2-2 原始 Wilkinson 功分器的偶模和奇模等效电路Figure 2-2 Even-mode and odd-mode equivalent circuits of original Wilkinson power divider从图 2-2(a)中可以看出，由于微带线 Z1的电长度 θ1=90o，要想满足端口 1 的匹配，根据四分之一波长匹配线原理必须满足：1 0Z 2Z(2.1)奇模条件下，由于微带线 Z1的电长度为 90o，经过四分之一波长变换后可以视为开路，则此时要想满足端口 2 的匹配，则必须满足：0 0R 2Z(2.2)至此完成了原始 Wilkinson 功分器的理论分析，从公式(2.1)-(2.2)中可以求出微带线 Z1和隔离电阻 R0的大小。2.1.2 电路参考指标对于 Wilkinson 功分器来说，衡量的指标主要是输入端口的回波损耗(|S11|)、
(b) 奇模等效电路图 2-2 原始 Wilkinson 功分器的偶模和奇模等效电路Figure 2-2 Even-mode and odd-mode equivalent circuits of original Wilkinson power divider从图 2-2(a)中可以看出，由于微带线 Z1的电长度 θ1=90o，要想满足端口 1 的匹配，根据四分之一波长匹配线原理必须满足：1 0Z 2Z(2.1)奇模条件下，由于微带线 Z1的电长度为 90o，经过四分之一波长变换后可以视为开路，则此时要想满足端口 2 的匹配，则必须满足：0 0R 2Z(2.2)至此完成了原始 Wilkinson 功分器的理论分析，从公式(2.1)-(2.2)中可以求出微带线 Z1和隔离电阻 R0的大小。2.1.2 电路参考指标对于 Wilkinson 功分器来说，衡量的指标主要是输入端口的回波损耗(|S11|)、
理想的插入损耗为 3.01dB；输出端口 2 和 3 之间隔离度 (dB)=-20log10|S23|，它表示端口 2 和度。理想隔离时为无穷大 dB，表示从端口 2(3)输入的能量不能无隔离时为 0dB，表示从端口 2(3)输入的能量完全从端口 3(2)输典的双频带 Wilkinson 功分器对比本论文第三章主要研究双频带 Wilkinson 功分器，所以这里重点双频带功分器，而且主要针对基于级联结构和开路短路枝节的双 功分器进行分析，它们能够实现的频率比均在 3 以下，即均具率比的缺点。[25]提出了一种基于两节传输线级联的源到负载阻抗变换的双频相比于原始的单频带 Wilkinson 功分器，电路将里面的四分之一节阶梯阻抗的传输线，如图 2-3 所示，从而实现了同时工作在 0z 的双频带 Wilkinson 功分器。这个电路的缺点是没有实现端口 的理想隔离。Z1, θ1Z2, θ2
本文编号：2792677
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/kuangye/2792677.html
