一种用于隧道覆盖的超宽带单极子天线

(华南理工大学 电子与信息学院，广州 510640)

1 引 言

目前，隧道或地铁工程中经常使用的覆盖方案是泄漏电缆覆盖[1]，虽然具有覆盖均匀、安装尺寸小、故障率低、维护成本小的优点，但是漏缆工程成本较高，每百米均价20 000元左右(含专用漏缆固定卡)，主要使用安德鲁和RFS的13/8漏缆。即使是国产漏缆，价格也在每百米10 000元左右，造价昂贵。因此，设计一款安装简单、造价成本低且具有宽频带良好覆盖特性的双向天线，具有很大的应用潜力。

近年来，片状平面单极子天线的宽频带特性引起了极大的关注。文献[2]提出了宽频带的圆形平面单极子天线，在日本的电视频段90～770 MHz实现了这种宽频带天线。随后，出现了椭圆、矩形、三角形以及梯形平面单极子天线。George F.Tsachtsiris等人提出了一种低剖面并可多频工作的平面单极子天线[3];Gwo-Yun Lee等人研究了一种宽带折叠平面单极子天线，可满足DCS、PCS、UMTS及WLAN等应用[4]。

本文设计了一种双向覆盖的椭圆平面单极子天线，在1.55～10.57 GHz频带内具有良好的阻抗特性，采用壁挂形式，安装方式简单可靠，造价成本较低，适合列车通过的隧道或地铁环境。

2 天线结构与仿真分析

2.1 隧道覆盖方案分析

由于外界环境的差异，隧道覆盖不同于一般的基站覆盖，为了安装的方便和节约成本，隧道覆盖一般采用一个直放站实现直线式的馈电链路[5]，如图1所示。

图1 隧道覆盖天线安装方案Fig.1 Installation of antenna for the mantling of tunnel

由于馈电链路是沿着隧道两侧的直壁安装的，所以图1中的天线单元必须是沿着隧道双向辐射的。因此，本文的目标是设计一种可用于隧道覆盖的单极子天线，不仅辐射指标要满足要求，而且具有超宽带的阻抗特性以及适合隧道安装的结构特性。

2.2 单极子双向天线设计原理

由于椭圆形单极子天线表面轮廓光滑，天线表面电流主要集中在其光滑轮廓附近且反射较小，往往可以在很宽的频带内获得良好的阻抗特性，因此，本文选用椭圆形单极子作为辐射体。

而由平面单极子的辐射特性可知，其水平面方向图是近似全向的，若要实现双向辐射，必须改变其边界条件。本设计在辐射体的两侧各加了一侧板，使此单极子的水平面方向图是沿着隧道双向分布的。天线结构如图2所示。

由理论分析可知，椭圆形单极子天线的表面电流集中分布在其光滑轮廓边缘和辐射体靠近底板的部分，因此在设计天线时将辐射体电流分布较小的圆心部分挖空，形成环形椭圆平面单极子天线，从而实现在不影响天线性能的情况下减小天线重量的目的，方便在隧道安装。

图2 平面单极子双向天线的立体结构Fig.2 Three-dimensional structure of planar monopole bidirectional antenna

如图2所示，辐射体为环形椭圆平面单极子，铜材料制作，厚度为1 mm，外椭圆长轴为31.75 mm，内椭圆长轴为12.7 mm，两椭圆轴比均为1.27。单极子上半部分切了一段高为12.75 mm的弧形块，是由于阻抗匹配的需要。辐射体置于132 mm×50 mm的铝制底板上，厚度也是1 mm。底板左右两侧各有一80 mm×50 mm的侧板，材质与底板相同。正是由于这两个侧板，使得整个天线的辐射特性满足设计需求，即水平面方向图由原来的全向变成了双向。辐射体和底板之间采用同轴馈电，馈电接入点在辐射体的正下方。

2.3 仿真分析

本设计用电磁仿真软件Ansoft HFSS建模仿真，经过优化后各部分的尺寸如图3所示，仿真结果的电压驻波比如图4所示。

(a)主视图

(b)俯视图

图3 平面单极子双向天线主视图和俯视图(单位：mm)

Fig.3 Main view and top view of planar monopole bidirectional antenna(Unit: mm)

由于天线是沿着隧道方向壁挂形式安装的，所以主要考察仿真的水平面方向图。图5和图6分别是f1=2 GHz和f2=3 GHz处的水平面方向图，其中，0°与-180°方向为沿着隧道方向。其它频率点的仿真结果汇总在表1中，可见，沿隧道方面(0°和-180°方向)天线的增益在5.132 1 dBi以上。

图4 天线电压驻波比仿真结果Fig.4 Simulated results of VSWR of antenna

图5 f1=2 GHz水平面方向图仿真结果Fig.5 Simulated results of horizontal patterns in f1=2 GHz

图6 f2=3 GHz水平面方向图仿真结果Fig.6 Simulated results of horizontal patterns in f2=3 GHz

频率/GHz增益/dBi频率/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

观察仿真结果的电压驻波比曲线可知，在1.79～5.58 GHz频段内，此单极子天线的电压驻波比小于1.5，相对带宽超过100%。若以电压驻波比小于2.0来算，其相对带宽接近150%。

3 实物测试

图7是该超宽带平面单极子天线加上天线罩后实物图。

图7 超宽带单极子双向天线实物图Fig.7 Photo of ultra wideband monopole bidirectional antenna

实测的电路参数如图8所示。由于测试仪器的限制，只能测量到4.5 GHz。与仿真结果相比，其阻抗带宽向低频偏移的同时，带宽变宽了，在1.430 GHz处电压驻波比小于1.5，增加了低频处带宽。这是由于软件建模和仿真设计存在一定的理想化处理，加上实际的天线加工、制作、装配也带来公差，从而造成结果的差异，但是两者的变化趋势是一致的。

图8 超宽带单极子双向天线电压驻波比实测结果Fig.8 Measured results of VSWR of ultra wideband monopole bidirectional antenna

对天线辐射特性的评估最终由天线方向图测量来完成，本文的测量是在一个专门用于天线方向图测量的微波吸波暗室中进行的。由于暗室能够有效消除多径反射以及屏蔽外界干扰信号，而且采用先进的多功能多轴转台、高精度测试仪表以及全自动化测试系统，其测试精度和效率都很高。图9和图10分别是f1=2 GHz和f2=3 GHz处的水平面方向图测试结果，其中，0°和180°方向为沿着隧道方向，其它频率点的水平面方向图测试结果汇总在表2中。

图9 f1=2 GHz水平面方向图实测结果Fig 9 Measured results of horizontal patterns in f1=2 GHz

图10 f2=3 GHz水平面方向图实测结果Fig 10 Measured results of horizontal patterns in f2=3GHz

频率/GHz增益/dBi频率/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

将实际测试结果和仿真数据进行比较可以看到，两者吻合得很好，沿隧道方向(0°和180°方向)天线的增益都大于5 dBi。总的来说，此超宽带平面单极子天线的实际测试结果和仿真结果还是相吻合的，电路参数和辐射参数均满足设计指标要求和功能需求。

4 结 论

本文设计了一款安装简单、造价成本低且具有良好覆盖的壁挂单极子双向天线，其相对带宽超过100%。进而，以软件仿真数据为基础，对样机进行了实际测量和调试，测试结果均符合设计指标要求和功能需求，为移动通信隧道覆盖提供了一种新的解决方案。

参考文献：

[1] 苏华鸿, 孙孺石, 薛锋章. 蜂窝移动通信射频工程[M].2版. 北京: 人民邮电出版社, 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] 刘翔. 高速公路、铁路隧道无线覆盖技术探讨[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)