摘 要

随着短距离无线通信技术的日益成熟，无线局域网中作为代表性的2.4 GHz的频段使用日益频繁,目前在地铁隧道车-地无线通信中采用的是该频段，本文研究目标是设计一付地铁车-地通信环境使用的2.4 GHz天线。

微带天线具有低剖面，易于载体共形，体积小等特点，八木天线具有增益高，定向性强的优点，本文采用二者结合的微带准八木天线的设计方案，使用基于有限元法的HFSS 电磁仿真软件通过文献仿真验证，并在准八木天线的基础上采用菱形振子和引向器的设计，采用巴伦结构来提高天线的带宽，使用开槽技术优化天线的阻抗匹配情况。最终天线实现在中心频率2.47 GHz，-10 dB带宽220 MHz的要求，并且满足地铁车-地通信要求定向性的需求，具有4.76 dB的增益，电压驻波比为1.01，具有行波传输特性，并且天线结构紧凑，易于其他载体集成，较好的完成了最初的设计要求。

关键词：微带准八木天线，菱形振子，巴伦结构

Abstract

With the increasing maturity of short-range wireless communications technology, wireless local area network (WLAN) as a representative of the 2.4 GHz frequency band is used more and more frequently. At present, the train-to-wayside wireless communication is using this band. The aim of this paper is to design a 2.4 GHz train-to-wayside communication antenna.

Microstrip antenna has a low profile, easy to conformal, small size and so on, Yagi antenna has the advantages of high gain, directional. The design adopts the combination of microstrip antenna and Yagi antenna using Quasi-Yagi antenna. The paper use HFSS , which is based on the finite element method to validate literature simulation. On the basis of the Quasi-Yagi antenna, the design adopts rhombic vibrator and director . the antenna uses balun to improve the bandwidth,and slotted technology to optimize antenna impedance matching. Finally, the design antenna achieve the center frequency in 2.47 GHz,-10dB band width is 220 MHz, and meet the orientation demand in the train-to-wayside communications requirements, the gain in the direction of maximum radiation is 4.76dB, voltage standing wave ratio (VSWR) is 1.01,which has the characteristic of traveling wave transmission, and the antenna has the advantages of compact structure, easy to integrate other carriers, which show that the design can meet the initial design requirements

Key Words ：Quasi-Yagi antenna, rhombic vibrator, balun

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 国内外研究现状分析 2

1.3 本文研究内容 4

第2章 微带天线理论及设计方法 5

2.1 微带天线基本结构组成 5

2.2 微带天线分类 5

2.3 微带天线辐射机理 5

2.4 微带准八木天线工作原理 6

2.4.1 八木天线介绍 6

2.4.2 八木天线工作原理 7

2.4.3 八木天线设计方法 9

2.4.4 准八木天线介绍 10

第3章 仿真验证及对比分析 12

3.1 纸介质喷墨印刷天线的验证 12

3.2 验证计算 13

3.3 本章小结 18

第4章 一种新型菱形振子微带准八木天线的设计 19

4.1 设计思路 19

4.2 菱形振子天线参数与设计 20

4.3 结构参数优化设计 24

4.4 本章小结 28

第5章 总结与展望 29

5.1 总结 29

5.2 展望 29

参考文献 30

致谢 32

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

进入二十一世纪以来，短距离无线通信技术由于巨大的社会需求而得到快速发展，作为代表性2.4 GHz频段的无线设备也得到广泛应用。在城市地铁交通运输系统中，通信设备的高集成度，宽带性的发展趋势引起了越来越多的人们关注。而广泛的应用于城市轨道交通的CBTC（Communication Based Train Control）系统，即基于通信的列车控制系统，使用的就是2.4 GHz这一工作频段，该系统采用的是无线双向通信来实现列车和地面设备通信功能，进而实现控制列车运行。CBTC系统的广泛运用也得益于其突出优点：传输信息容量大且速率高，可以较好的实现列车运行的移动自动闭塞；由于采用无线通信，在地铁运行区间可以减小敷设电缆，减少前期运行投资及日常维护工作；区间内的列车通过能力得到提高，列车双向运行和单向连续发车实现较为容易，很好的对不同车速、运量、类型牵引的列车进行控制管理。

相对与国外的CBTC系统，国内对于CBTC系统研究起步较晚，最早的研究在北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室，并在此成功攻克了系统运行的关键核心技术，并联合北京多家轨道交通以及比利时的系统工程有限公司在2010年末完成了对北京地铁亦庄线、昌平线的建设。至此，在法国、德国、加拿大后中国成为第四个通过自主研发并成功掌握该项核心技术，并且具备实际地铁线路安装运营能力的国家。

近年来，作为日常使用越来越广的无线局域网（Wireless Local Area Networks, WLAN）引起人们的关注，关于其信道使用，天线设计技术等也日趋成熟，根据IEEE802.11的ISM（Industry Science Medicine）标准WLAN的三个频段分别为：2.4~2.484 GHz，5.15~5.35 GHz，5.725~5.825 GHz。而2.4 GHz对于全球免费通用性，并且在各种无线产品均可使用，同时具有抗干扰性强、能够双向传输且距离远的优势，越来越多的无线设备应用到社会生活中。