【摘要】：煤礦井下巷道與工作面屬于狹長(zhǎng)異質(zhì)受限通信空間,無線信號(hào)在傳播過程中多徑衰落明顯,通信質(zhì)量較差。現(xiàn)今,煤礦井下無線通信系統(tǒng)多標(biāo)準(zhǔn)、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(duì)整個(gè)通信系統(tǒng)的質(zhì)量起到至關(guān)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(biāo)準(zhǔn)的射頻前端微波功率分配器和天線,具有很高的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。本課題針對(duì)煤礦井下通信需求,為提高井下無線通信系統(tǒng)質(zhì)量,對(duì)無源微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(jìn)行了深入研究。天線處于無線通信系統(tǒng)的終端,起著信號(hào)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(gè)重要研究方向。本課題由國家科技支撐項(xiàng)目“礦井動(dòng)目標(biāo)監(jiān)測(cè)技術(shù)及在用設(shè)備智能管控技術(shù)平臺(tái)與裝備(基于物聯(lián)網(wǎng)安全管控技術(shù))”(項(xiàng)目編號(hào):2013BAK06B05)資助,主要研究工作如下:(1)為了適應(yīng)井下無線通信系統(tǒng)對(duì)功分器大頻率比的需求,采用耦合線級(jí)聯(lián)和輸出端口前置到級(jí)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(gè)隔離電阻的電路結(jié)構(gòu),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(yīng)井下無線通信系統(tǒng)對(duì)信號(hào)發(fā)射功率的要求,采用三對(duì)耦合線與四對(duì)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(duì)級(jí)聯(lián)的耦合線,增加了設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)的頻率比范圍分別為1.5-2.9和1.8-4.9。(3)為了適應(yīng)井下無線通信系統(tǒng)對(duì)多頻帶和多路輸出的需求,采用基于U型耦合線以及三對(duì)級(jí)聯(lián)的耦合線替代改進(jìn)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多路功分器和一種三頻帶Bagley多路功分器,最后給出了仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果。(4)為了提高井下無線通信系統(tǒng)中天線信號(hào)的收發(fā)效率,結(jié)合功分器研究基礎(chǔ),提出了適用于井下RFID系統(tǒng)的基于耦合線功分器饋電網(wǎng)絡(luò)、耦合貼片和旋轉(zhuǎn)短路輻射貼片以及基于T型功分器和16個(gè)方形切角輻射單元的兩種圓極化微帶天線。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)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(nèi)寬角度范圍信號(hào)收發(fā);第二種天線具有較高的前后比,適用于井下遠(yuǎn)距離高定向性信號(hào)收發(fā)。本課題的研究成果不僅解決了井下無線通信系統(tǒng)中對(duì)大頻率比、大功率、阻抗匹配和多頻帶功能功分器的應(yīng)用需求,而且大大擴(kuò)展了功分器在井下RFID系統(tǒng)天線饋電網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TD65;TN822;TN626
【圖文】：

(b) 奇模等效電路圖 2-2 原始 Wilkinson 功分器的偶模和奇模等效電路Figure 2-2 Even-mode and odd-mode equivalent circuits of original Wilkinson power divider從圖 2-2(a)中可以看出，由于微帶線 Z1的電長(zhǎng)度 θ1=90o，要想滿足端口 1 的匹配，根據(jù)四分之一波長(zhǎng)匹配線原理必須滿足：1 0Z 2Z(2.1)奇模條件下，由于微帶線 Z1的電長(zhǎng)度為 90o，經(jīng)過四分之一波長(zhǎng)變換后可以視為開路，則此時(shí)要想滿足端口 2 的匹配，則必須滿足：0 0R 2Z(2.2)至此完成了原始 Wilkinson 功分器的理論分析，從公式(2.1)-(2.2)中可以求出微帶線 Z1和隔離電阻 R0的大小。2.1.2 電路參考指標(biāo)對(duì)于 Wilkinson 功分器來說，衡量的指標(biāo)主要是輸入端口的回波損耗(|S11|)、

(b) 奇模等效電路圖 2-2 原始 Wilkinson 功分器的偶模和奇模等效電路Figure 2-2 Even-mode and odd-mode equivalent circuits of original Wilkinson power divider從圖 2-2(a)中可以看出，由于微帶線 Z1的電長(zhǎng)度 θ1=90o，要想滿足端口 1 的匹配，根據(jù)四分之一波長(zhǎng)匹配線原理必須滿足：1 0Z 2Z(2.1)奇模條件下，由于微帶線 Z1的電長(zhǎng)度為 90o，經(jīng)過四分之一波長(zhǎng)變換后可以視為開路，則此時(shí)要想滿足端口 2 的匹配，則必須滿足：0 0R 2Z(2.2)至此完成了原始 Wilkinson 功分器的理論分析，從公式(2.1)-(2.2)中可以求出微帶線 Z1和隔離電阻 R0的大小。2.1.2 電路參考指標(biāo)對(duì)于 Wilkinson 功分器來說，衡量的指標(biāo)主要是輸入端口的回波損耗(|S11|)、

理想的插入損耗為 3.01dB；輸出端口 2 和 3 之間隔離度 (dB)=-20log10|S23|，它表示端口 2 和度。理想隔離時(shí)為無窮大 dB，表示從端口 2(3)輸入的能量不能無隔離時(shí)為 0dB，表示從端口 2(3)輸入的能量完全從端口 3(2)輸?shù)涞碾p頻帶 Wilkinson 功分器對(duì)比本論文第三章主要研究雙頻帶 Wilkinson 功分器，所以這里重點(diǎn)雙頻帶功分器，而且主要針對(duì)基于級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)和開路短路枝節(jié)的雙 功分器進(jìn)行分析，它們能夠?qū)崿F(xiàn)的頻率比均在 3 以下，即均具率比的缺點(diǎn)。[25]提出了一種基于兩節(jié)傳輸線級(jí)聯(lián)的源到負(fù)載阻抗變換的雙頻相比于原始的單頻帶 Wilkinson 功分器，電路將里面的四分之一節(jié)階梯阻抗的傳輸線，如圖 2-3 所示，從而實(shí)現(xiàn)了同時(shí)工作在 0z 的雙頻帶 Wilkinson 功分器。這個(gè)電路的缺點(diǎn)是沒有實(shí)現(xiàn)端口 的理想隔離。Z1, θ1Z2, θ2

本文編號(hào)：2792677