地铁微带缝隙天线阵列的设计及其辐射性能研究

李致兴

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，710043，西安∥工程师）

伴随通信业的迅猛发展，公众对于乘坐地铁时进行无线通信的要求日益提高。但地铁隧道对电磁波有吸收、反射和隔断的作用，对电磁信号的传播会有一定的限制和阻碍，特别是在地形复杂的的情况下，增加了无线通信的困难［1］。基于上述问题，本文设计的微带缝隙天线可制成轨旁的辐射漏缆［2］，以满足隧道内电磁覆盖的要求，增加地铁通信信号的传播距离。由于缝隙间隔较大，还可以减少对周围电磁设备的电磁干扰，提高无线通信容量。

1 微带缝隙天线的工作原理

微带缝隙天线［3］是在介质板上开设不同形状的槽，制成漏缆后，将漏缆内传播的电磁场通过槽空向外部空间辐射电磁能量。天线缝隙上加有激励，在终端设置与之相匹配的负载。外壁上的缝隙切断了壁内表面的电流传导，在缝隙处产生辐射电场，使缝隙处受到激励，通过缝隙向外部空间辐射电磁能量［4］。在实际的工程应用中，可以通过改变缝隙的形状、大小、倾斜角度使其在开槽位置获得不同的天线辐射性能。为了适应于地铁不同高频频段的通信信号需求，在漏缆壁上开一系列的缝隙群，构成缝隙阵列天线，天线工作时就可以获得更大的增益，增加电磁场的覆盖范围，并提高功率容量，降低功率损耗。

微带缝隙天线［5-6］阵列已经过多年的发展和完善，该天线具有以下特点：①缝隙天线辐射口径处的电磁场的分布很容易控制，由于波导器件传输功率大、功率损耗小，所以缝隙天线在设计时更容易实现高效率、高增益、高功率、低副瓣的要求；②天线结构呈板状，结构紧凑、轻巧，轮廓侧面较小，具备一体化的辐射系统和馈电系统，本身具有较强的抗风性，能够应用于隧道、地下通道等封闭或半封闭的场合。

2 微带缝隙天线阵列的设计与分析

2.1 单个缝隙天线的建模

本文运用基于有限元法的三维高频结构仿真（High Frequency Structure Simulator，HFSS）软件对天线进行建模，该软件是公认的电磁场设计和分析的行业标准，被广泛应用于天线仿真［7］。

在HFSS软件中建立微带缝隙天线模型，如图1所示。介质板厚度为1.6 mm，介电参数为2.2，介质板表面定义为良导体。馈源是0.8 mm×0.8 mm的正方形，馈入1 W的入射功率。

图1 缝隙天线模型

式中：

f0——天线的中心频率；

C——自由空间光速；

εe——介质板内的相对介电常数；

λ0——自由空间波长。

由于地铁漏缆频段为50～2 400 MHz，设计天线的中心频率为1.1 GHz，代入式（1）解得λe=183

通过式（1）计算天线介质板中的波长λe。mm，在距天线λe/2的位置设置辐射吸收边界，完全吸收所有入射的电磁波，得到最理想的回波损耗和驻波比。

设置迭代精度为0.02，最大迭代次数20次，模型的网格剖分如图2所示。

图2 模型的网格剖分

经过7次迭代计算后，模型的精度达到0.00028412，共剖分网格数7 787个。图2所示的模型网格剖分图中缝隙天线部分的剖分网格最密集，剖分网格数为5 054个，精度最高。

2.2 缝隙的角度对天线性能参数的影响

为了研究不同缝隙角度α对微带缝隙天线的性能影响程度，分别建立如图3所示的模型。

通过模拟计算，得到如表1所示的仿真结果。

由表1可得：α会对天线的辐射性能有影响，当α≤15°时，回波损耗比增加，电压驻波比减小，天线的辐射效率上升，天线旁瓣减少，增益有所提高。当α≥45°时，回波损耗比增大，电压驻波比上升，天线的辐射效率降低，天线旁瓣增多，增益明显下降；当α=30°时，天线的回拨损耗最低为-22.5 dB，电压驻波比最小为0.9，增益最大为5.8 dB。

图3 不同缝隙角度对天线性能参数影响模型

表1 不同缝隙角度对天线性能的影响

2.3 缝隙的排列顺序对天线阵列性能参数的影响

为了研究缝隙排列方式对天线辐射性能的影响，分别对缝隙进行水平排列、垂直排列和八字排列，由4个不同排列顺序的缝隙构成微带缝隙阵列，对每一种排列方式进行模拟仿真。首先建立水平排列的天线模型，如图4所示。

图4 水平排列缝隙天线

仿真结果如图5所示。

回波损耗又称为反射损耗，是天线由于阻抗不匹配所产生的反射，表示天线入射波功率被反射回来的程度。从图5 a）中可得天线的谐振频率为1.1 GHz，与中心频率重合，回波损耗为-19 dB，而在实际工程通信中要求回波损耗小于-15 dB，所以该天线可以正常工作。

天线的反射波与入射波叠加后形成的波称为驻波，驻波的波腹电压与波节电压的幅度之比称为电压驻波比，即电压的峰值和谷值之比。由图5 b）可得天线的谐振频率即为中心频率1.1 GHz，此时天线的电压驻波比为1.81。

天线增益表示天线对输入功率集中辐射的程度，由图5 c）可得，水平排列阵列天线的最大增益是11.992 dB。

建立八字排列分布的缝隙天线模型，如图6所示；建立垂直排列分布的缝隙天线模型，如图7所示。

缝隙排列方式对天线辐射性能的影响如表2所示。

对比水平、八字和垂直3种缝隙排列方式的天线性能参数，由表2可知，缝隙八字排列时，电压驻波比最低为1，说明馈源端口的相互影响最低，天线的定向性最好，获得的增益最高为13.753 dB；缝隙垂直排列时，回拨损耗最小，但中心频率略有偏移，说明馈源端口的相互影响最大，增益最低为9.659 1 dB。

图5 水平排列天线的辐射性能

图6 八字排列顺序缝隙天线模型

图7 垂直排列顺序缝隙天线模型

表2 缝隙排列方式对天线辐射性能的影响

3 结语

本文针对地铁无线通信的需求，设计可制成漏缆铺设的微带缝隙天线阵列。基于经典的缝隙天线模型，通过改变缝隙角度和缝隙排列顺序会对天线的辐射性能产生影响。仿真结果表明，当缝隙角度为30°时，微带缝隙天线的辐射性能最好，以此角度设计八字排列顺序的微带天线阵列，与缝隙水平排列和垂直排列相比，其回波损耗最小、驻波比最低、增益最大，更适用于地铁无线通信。

［1］ 吴招锋，周俊，林必毅.地铁无线通信技术的研究［J］.现代城市轨道交通，2010，（3）：19-23.

［2］ 袁马祥.关于地面无线通信信号覆盖地铁的若干研究［J］.通讯世界，2016（2）：47-48.

［3］ 王哲，邱景辉.8 mm波导缝隙天线的研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，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，高文军，雷宏，等.波导缝隙阵列天线设计［J］.电子与信息学报，2005，27（8）：8-10.

［6］ 李伟明，任武.阵列天线的分析与应用［D］.北京：北京航空航天大学，2011：7-8.

［7］ 李明洋，刘敏.HFSS电磁仿真设计从入门到精通［M］.北京：人民邮电出版社，2016.