煤礦井下高性能微波功率分配器與圓極化微帶天線的研究.pdf

1、煤礦井下巷道與工作面屬于狹長異質受限通信空間，無線信號在傳播過程中多徑衰落明顯，通信質量較差?，F(xiàn)今，煤礦井下無線通信系統(tǒng)多標準、多頻段、多種通信方式共存。射頻前端微波功率分配器和天線是煤礦井下無線通信系統(tǒng)中不可或缺的組成部分，對整個通信系統(tǒng)的質量起到至關重要的作用。因此研究滿足多種通信需求、多種頻段、多種通信標準的射頻前端微波功率分配器和天線，具有很高的理論價值和現(xiàn)實意義。本課題針對煤礦井下通信需求，為提高井下無線通信系統(tǒng)質量，對無源微

2、波功率分配器的大頻率比、大功率、阻抗匹配和多頻帶等方面進行了深入研究。天線處于無線通信系統(tǒng)的終端，起著信號發(fā)射和接收的重要作用，因此研究適合井下無線通信系統(tǒng)的圓極化微帶天線也作為本課題的一個重要研究方向。
　　本課題由國家科技支撐項目“礦井動目標監(jiān)測技術及在用設備智能管控技術平臺與裝備（基于物聯(lián)網安全管控技術）”（項目編號：2013BAK06B05）資助，主要研究工作如下：
　　（1）為了適應井下無線通信系統(tǒng)對功分器大頻率比

3、的需求，采用耦合線級聯(lián)和輸出端口前置到級聯(lián)耦合線之間的方法，基于位于輸入端口的開路枝節(jié)、輸入端口延伸和兩個隔離電阻的電路結構，提出了三種雙頻帶大頻率比的Wilkinson功分器。通過理論分析和仿真表明這三種雙頻Wilkinson功分器的頻率比范圍分別為2.7-6.8、1.5-6.1以及3.1-6.2。
　　（2）為了適應井下無線通信系統(tǒng)對信號發(fā)射功率的要求，采用三對耦合線與四對耦合線分別加載開路枝節(jié)的方法，提出了兩種適合大功率情況

4、下使用的具有阻抗變換功能的雙頻帶Gysel功分器。其中，第二種功分器多了一對級聯(lián)的耦合線，增加了設計的自由度，具有更加靈活的阻抗匹配功能和大的頻率比范圍。兩種功分器可實現(xiàn)的頻率比范圍分別為1.5-2.9和1.8-4.9。
　?。?）為了適應井下無線通信系統(tǒng)對多頻帶和多路輸出的需求，采用基于 U型耦合線以及三對級聯(lián)的耦合線替代改進型 Bagley功分器中輸入和輸出端口之間微帶線的方法，分別提出了一種小型化的雙頻帶 Bagley多路功

5、分器和一種三頻帶Bagley多路功分器，最后給出了仿真與實測結果。
　　（4）為了提高井下無線通信系統(tǒng)中天線信號的收發(fā)效率，結合功分器研究基礎，提出了適用于井下RFID系統(tǒng)的基于耦合線功分器饋電網絡、耦合貼片和旋轉短路輻射貼片以及基于T型功分器和16個方形切角輻射單元的兩種圓極化微帶天線。仿真和實驗結果表明：第一種天線具有較寬的半功率波束和頻帶范圍，適用于煤礦井下巷道內寬角度范圍信號收發(fā)；第二種天線具有較高的前后比，適用于井下遠距