通信井电波传播特性研究及专用天线设计

发布时间：2020-05-13 01:55

【摘要】：随着“互联网+”时代的到来,智慧城市的概念应运而生,其中包括部分城市的市政设施智能监测报警系统。它是利用布设在各种市政井盖下的无线传感节点来感知井盖状态信息和井下感兴趣参数,并通过移动通信网络上传至监测平台。但由于井下特殊的环境和金属井盖的屏蔽作用,导致信息传输质量不佳,这既涉及到井下场景中的电波传播特性的把握,又涉及到相关天线的设计。因此,对电磁波在井下通信场景中的传播特性和相关井下天线的设计具有非常重要的现实意义。另外,由于特征模理论对天线的多频段、宽带化设计具有十分重要的指导意义。因此,本文在研究井下通信场景中电波传播特性的基础上,依据特征模理论,设计了三款不同工作频段的井下监测天线。主要内容如下:首先在介绍微带天线的腔模分析法和特征模式分析法的基础上,分析其特征模式和特征参量,并与腔模理论计算值进行比较,为本文井下天线的设计奠定基础。然后针对自由空间中的场景,利用电磁仿真软件仿真验证电波传播特性仿真方法的正确性。根据建立的井下通信模型,讨论发射天线不同频率和井下不同位置的场强分布情况,总结出井下监测天线设计的基本要求,为本文的天线设计提供参考。接着介绍了天线设计的一般流程,并针对一个工程应用场景设计了一款新型近场UHF-RFID天线。根据天线设计的流程和井下环境的特点,设计了工作在CDMA800频段的井下监测天线,并通过特征模分析法证明了该天线具有宽带特性。最后,针对井下各种应用场景,在特征模理论的指导下,设计了两款分别工作在CDMA800/GSM900双频段和2G/3G/4G多频段的井下监测天线。论文详细给出了天线的设计思路、仿真分析过程以及实物测试结果,分析结果表明,该天线具有良好的井下工程应用前景。
【图文】：

电波传播,仿真模型,文献,电波传播特性

通信井电波传播特性研究及可靠的研究方法，但是这种方法受到科研经费以及测试环境等不同的、复杂的通信场景做实际的电波传播测量是很困难的；磁仿真软件的蓬勃发展，通过在软件中模拟出电波传播特性的的青睐[6][7]。这种方法所需要的设备成本低、运算精度高、不电磁波在复杂环境下的传播特性提供了极大的方便，因此成为主要方法。空间内电波传播特性的研究，国内外很多专家学者都做了很多 Atsuya Ando 团队通过时域有限积分(Finite Integral Time Dom城市检修井下的电波传播特性进行研究[6][8]，仿真模型如图 1.1外不同位置放置不同极化，不同频率的发射天线，讨论了井下情况时的接收功率。发射天线和接收天线均采用偶极子天线，磁波在井下的传输损耗和交叉极化比等传播特性。

方向图,天线结构,文献,井盖

主要讨论了天线不同的安装位置、波束指向、波束宽度和不同的隧道尺寸对电波覆盖的影响，对隧道中的天线布局和优化及无线通信系统中电波覆盖的性能评估具有重要意义[12]。但针对通信井内移动频段的电磁波传播特性研究未见报道在通信井井下天线的设计方面，瑞士的 Nima Jamaly 团队为增强城区的网络覆盖能力，致力于井盖微基站天线的设计[13][14]。其中有一款应用于微基站的超宽带地下多端口天线，天线放置于井盖下方，工作频率为 1.7-3GHz，端口间隔离度超过28dB, 实测结果也表明，该天线平均辐射效率超过 3dB，相比于偶极子天线的数据吞吐量提高了约 10%。2016 年，中北大学的张慧设计了一款基于北斗的窖井井盖全向圆极化天线[15]，结构如图 1.2(a)所示。GPSL1 频段(1575.42±1.023MHz)和北斗 B1频段(1561.42±2.048MHz)内的电压驻波比均小于 1.5，天线最大增益达到了 4dB，仰角不圆度小于±1dB，符合通信井监测系统的要求。2017 年，，韩国的 Yang 提出了一款低剖面圆形贴片加载的单极子天线，结构如图 1.2(b)所示。-10dB 工作带宽为910-928MHz，通过仿真和方向图的实测，天线在嵌入到井盖后仍然具有全向辐射特性，最大增益 2.5dBi[16]。
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN828

【参考文献】