吸顶全向天线电磁特性的研究

摘 要： 采用数值仿真技术CST，研究了一款全向吸顶天线的电磁特性，包括方向图和驻波比等。优化后的天线能够在双频带806～960 MHz和1 710～2 500 MHz上有效工作，回波损耗小于-10 dB，最大增益为3.5 dB。制作了吸顶天线的实验模型，利用网络矢量分析仪等设备对天线进行测量，其与仿真结果对比具有很好的一致性，并针对不同几何参数对吸顶天线物理性能的影响进行了多方面的分析。

关键词： 吸顶天线； 宽波束； CST仿真技术； 全向辐射

中图分类号： TN82⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2015）03⁃0079⁃03

Research on electromagnetic characteristics of ceiling⁃mounted omni⁃directional antenna

DAI Ling⁃liang， WANG Qi， FANG Liu⁃jun

（College of Communication Engineering， Nanjing Institute of Technology， Nanjing 211167， China）

Abstract： The electromagnetic properties （including radiation patterns and VSWR） of an omni⁃directional ceiling⁃mounted antenna are studied by means of the numerical simulation techniques CST. The optimized antenna can be effectively worked in dual band 806～960 MHz and 1 710～2 500 MHz. The antenna′s return loss is less than -10 dB and the maximum gain is about 3.5 dB. The experimental model of the ceiling⁃mounted antenna was constructed and measured with the network vector analyzer. The measured result is consist with the simulation result. The influence of different geometric parameters on physical properties of the ceiling⁃mounted antenna is also analyzed in this paper.

Keywords： ceiling⁃mounted antenna； wide beam； CST simulation technology； omni⁃directional radiation

0 引 言

随着城市楼宇规模的增加以及地下空间利用的扩大，使得移动通信信号传播受到很大影响，会形成移动通信的盲区。为提高移动通信质量，就必须建立室内无线覆盖系统，天线在这个系统中具有举足轻重地位，而吸顶天线由于其特有的电磁分布特性，往往是首选的结构形式[1]。

关于吸顶天线的研究与应用，近年来的文献中有一定的分析与讨论。文献[1]分析了传统天线的缺陷，研究了新型天线高低频辐射强度均匀性问题；文献[2]研究了一种小型化高隔离双极化吸顶天线，用以提高通信系统频谱利用率，改善室内无线链路性能；文献[3]分析了传统天线辐射在E面和H面方向上的不足，提出了2G/3G网络协同设计，提高了覆盖效率；文献[4]仿真研究了一种三极化吸顶天线，以提高天线增益，实现辐射方向的控制。

本文借助CST电磁仿真技术，对一种简单结构的吸顶天线进行定量计算研究，着重于分析天线辐射特性和匹配特性随几何结构与尺寸变化的关系，并通过制作实验模型进行测试验证，为天线在工程上的应用提供了依据。

1 吸顶天线设计与研究

本文所研究的吸顶天线要求工作在双频段806～960 MHz和1 710～2 500 MHz范围内，具有宽波束辐射，增益在2～3.5 dBi之间，在与天线轴线之间35°～85°范围内增益大于3，激励信号的输入阻抗为50 Ω，垂直极化方式。

天线的剖面图如图1所示，其三维结构是平面图绕z轴旋转体，各部分尺寸用字母标示在图中，仿真计算中各几何参数的初始值见表1。

本文着重研究了几何参数[r3，][r4]和[r5]的改变对天线驻波比和增益的影响，结果如图2～图4所示。

由图中可以看出，随着圆台地面和辐射喇叭上下半径的变化，天线驻波比在工作频段内有较大的变化，由于天线的总高度不变，这种影响主要体现在高频端，因此可通过调整这些参数来实现天线高频端的工作范围。不同几何尺寸对各个频段最大增益以及方向图也有不小影响，限于篇幅，图中只绘出了最大增益的变化曲线。要平衡这些几个参数使驻波比和方向图都能达到设计目标。综合上面的分析，并进行优化计算，得到合适于设计要求的最优参数如表2所示。

3 结 论

通过仿真计算和实际测试，本文所构建的室内全向吸顶天线可以在806～960 MHz和1 710～2 500 MHz的双频范围内有效工作，其驻波比小于2甚至小于1.5，并且达到了宽频带、全向辐射的要求，也和预期的能在35°～85°的高角度间增益大于3的目标一致，该天线能广泛应用于家庭、公司中，实现信号的宽角度覆盖。

参考文献

[1] 田元兵，张峰，李广彬.室分新型全向吸顶天线应用分析[J].邮电设计技术，2011（8）：72⁃77.

[2] 黄聪，薛锋章.一种小型化高隔离MIMO吸顶天线[J].电讯技术，2011，51（11）：103⁃106.

[3] 樊悦顺，张巾莹，李凤花.新型天线在室内覆盖中的应用[J].移动通信，2012（12）：7⁃12.

[4] 王天石，李晓明，卢凤晖.适用于LTE室内分布的三极化天线结构研究[J].电信技术，2014（7）：66⁃70.

[5] 刘建国.短波宽带全向天线应用研究[J].现代电子技术，2013，36（1）：74⁃76.

[6] 贾登权，史志纬.一种新型超宽带微带天线[J].现代电子技术，2009，32（1）：41⁃42.