论文总字数：27879字

摘 要

在室内通讯中，全向天线发挥着极其重要的作用。全向天线具有水平面360度范围内较好的全向辐射性，可以扩大天线扇形的覆盖范围，从而可以有效提升室内通信质量，改善用户体验。本文提出了一种基于5G频段的水平极化室内全向天线模型，主要研究工作如下：

首先阐述了天线设计基本原理。介绍了半波振子的参数指标，还介绍了设计中采用的L形微带巴伦的工作原理，阐述了各种阻抗匹配网络的特性并着重介绍了λ/4阻抗变换器的重要作用。接着对天线单元进行设计与分析。从基本半波振子出发，分析不同结构对天线性能的影响，并根据设计需要，对振子模型加以改进，最终设计出一种弧形半波振子。通过对振子宽度、缝隙尺寸、微带巴伦位置及尺寸等主要参数的扫描分析，使得天线单元的性能参数符合设计要求。最后对天线阵列进行仿真设计。分析了阵元数目N与阵元间距d对天线阵因子的影响，设计出一种由4个弧形半波振子组为圆阵的天线阵列模型。将该天线阵列与同轴馈电网络进行整体仿真优化后，得到完整的天线模型。其在5.15~5.825GHz频段的带内驻波低于-17.5dB，E面方向图不圆度控制在2.5dB以内，满足设计指标要求。

关键词：水平极化 全向天线 微带天线

The Horizontally Polarized，Indoor Omnidirectional

Antenna based on 5G Frequency Band

04012424 Li Chenfeng

Supervised by Cao Zhenxin

Abstract

Omnidirectional antenna plays an important role in the indoor communication. It has great omnidirectional radiation among horizontal plane in 360 degrees. Omnidirectional antenna can expand the coverage of the sector antenna, which could effectively improve the quality of indoor communication and the user experience. This paper presents an interior horizontally polarized antenna model based on 5G band. The major works of the paper are summarized as follows.

Firstly, the basic principles of antenna design are elaborated in this paper. Introduce the parameter index of half wave oscillator, also describe the working principle of L-shaped design of microstrip balun. Elaborate various characteristics of the impedance matching network, especially the important role of λ∕4 impedance converter. Secondly, the design and analysis of the antenna unit are introduced. From the basic half-wave dipole on, we analyze the influence of different structures on antenna performance. According to the needs of design, we improved the oscillator model, and ultimately design a curved half-wave dipole. By scan analysis of key parameters such as width of the transducer, the gap size, location and size of the microstrip balun, we make the performance parameters of antenna units meet the design requirements. Finally, the simulation design of antenna array is introduced. Analyze the influence of the array element number N and the distance d between two elements on antenna array factor. And design an antenna array model which consists of four curved half-wave dipoles. By simulation and optimization of the antenna array and the coaxial feed network, we could obtain the integrated antenna model with its standing wave below -17.5dB and E-plane radiation pattern below 2.5dB in 5.15~5.825GHz, which could meet the design requirements.

Keywords: Horizontally Polarization，Omnidirectional Antenna，Microstrip Antenna

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1研究背景与意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3设计方案论证 3

1.4论文内容安排 4

第二章 天线设计基本原理 4

2.1电偶极子辐射原理 4

2.2半波振子原理 7

2.3微带巴伦原理 10

2.4阻抗匹配原理 11

2.4.1集总元件匹配 12

2.4.2单支节匹配 12

2.4.3双支节线匹配 13

2.4. λ/4阻抗变换器 14

2.5本章小结 17

第三章 天线单元设计与分析 17

3.1天线单元仿真设计 17

3.2天线单元参数分析 21

3.2.1弧形振子宽度 21

3.2.2缝隙尺寸 22

3.2.3微带巴伦位置 23

3.2.4微带巴伦尺寸 24

3.3天线单元仿真结果 25

3.4本章小结 26

第四章 天线阵列的仿真设计 27

4.1天线阵列基本原理 27

4.1.1线阵 27

4.1.2圆阵 30

4.2天线阵列仿真分析 32

4.3馈电网络设计 36

4.4天线阵列总体性能分析 37

4.5本章小结 38

第五章 结论 39

致谢 40

参考文献 41

第一章 绪论

1.1研究背景与意义

随着社会经济和信息化的高速发展，城市中高层建筑越来越密集，人们对无线通信质量的要求越来越高，无线话务量也越来越大。而当前移动通信的服务基站数量有限，再考虑到室内环境往往较为复杂，比如在地下停车库、地下室、建筑物高层和电梯等环境中，由于建筑物存在屏蔽作用以及通信信号的盲区问题等，室内通信用户经常会出现通话切换率低、容易掉音、甚至通话噪音过大导致无法通话等情况。单凭室外基站的建设已无法完全解决上述问题。因此，人们迫切需要更加灵活有效的室内覆盖方式。随着4G时代到来，数据业务量急剧膨胀，据估计，约80%的数据业务主要发生在室内，从而室内分布天线的研究尤为重要^[1~3]。

在室内通讯中，全向天线发挥着重要的作用^[4]。全向天线具有水平面360度范围内较好的全向辐射性，应用于室内环境下，可以有效提升室内通信质量，改善用户体验。全向天线发展至今，产生了多种结构形式，从单极子、偶极子、双锥天线到微带天线、智能天线等^[5]。对一些性能良好但结构上很难实现全向辐射的单元天线，可将其组成天线阵列加以弥补。

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