用于井下微波输能的微带阵列天线设计

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1、硕士学位论文用于井下微波输能的微带阵列天线设计MicrostripAntennaArrayDesignforMineMicrowavePowerTransmission作者：杨优芳导师：丁恩杰教授中国矿业大学二〇一六年六月中图分类号TN82学校代码10290UDC密级公开中国矿业大学硕士学位论文用于井下微波输能的微带阵列天线设计MicrostripAntennaArrayDesignforMineMicrowavePowerTransmission作者杨优芳导师丁恩杰教授申请学位工学硕士学位培养单位信息与电气工程学院学科专业信息与通信工程研究方向微波无线充电答辩委员会

2、主席张申教授评阅人二○一六年六月论文审阅认定书研究生杨优芳在规定的学习年限内，按照研究生培养方案的要求，完成了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本学位论文，经审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关规定，同意将本论文作为学位申请论文送专家评审。导师签字：年月日致谢时间转瞬即逝，三年的研究生生涯即将画上一个句号，心中充满不舍，熟悉的老师、小伙伴们、师兄师姐、师弟师妹还有实验室都将成为我记忆中的一部分。回想起大学时期为考上中国矿业大学的研究生，起早贪黑、三点一线努力奋斗的岁月仍历历在目，让人不禁感慨时间都去哪儿了。至此，我要感谢

3、中国矿业大学给我这个深造的机会，让我在这个拥有百年历史的名校完成自己研究生的生涯。我要感谢我的导师丁恩杰老师在学术科研生活等各方面都给予了无微不至的关怀，尤其在学术方面，给予我莫大的帮助让我受益终身。丁老师渊博的知识、严谨的治学态度、丰富的理论和实践经验、分析问题的独到见解以及诲人不倦的教学精神将使我受益终生；而其广阔的胸襟、宽容的态度和平易近人的风范将永远是我为人处世的楷模。我要感谢邱玮炜师兄，在我研一懵懂的时候带我走进微波的世界，耐心为我讲解深奥的电磁波基础知识。教我使用HFSS软件和ADS软件的使用，教我矢量网络分析仪和天线转台的用法。虽然与师兄只相处了一年，但

4、是师兄认真的学习态度给予了我极大的鼓励。我还要感谢刘晓明师兄，在煤矿井下电磁波传播实验中给予我极大的帮助，让我顺利完成井下电磁波传播状态的分析。以及感谢实验室同级的小伙伴们，跟你们在一起的时光总是那么开心，感谢你们跟我一起钻研学术，共同进步与你们在一起的日子永远值得怀念。感谢父母及家人还有朋友给予我的默默的支持和鼓励。最后，衷心感谢各位老师和专家在百忙之中审阅我的论文。摘要伴随着物联网技术的发展，无线传感器网络已经成为井下工作不可缺少的一部分，传感器节点采用电池供电，供电时间有限、维护成本高，严重影响无线传感器的普遍采用。微波输能技术可以为解决传感器网络节点的能量补充

5、问题提供一种很好的方式；因此本文以微波输能为研究方向，分析煤矿井下电磁波传输特性并设计微带阵列天线，该研究对传感器节点能量补充问题的解决具有理论与现实意义。本文通过煤矿井下电磁波传输特性实验数据的分析，对波导模型和对数衰减模型进行仿真比较，对比结果表明对数衰减模型更适合对实验数据的拟合分析。针对不同的可能影响因素如极化方式、巷道大小和巷道壁材质等，分别测量了各巷道中接收天线在不同位置、不同极化方式X（水平）、Y（垂直）、Z（纵向）下的接收功率。实验结果表明，小规模矩形巷道（距离不大于10m），其巷道尺寸和材质对传播特性影响较小，天线的极化方式以及传输距离是其主要影响因

6、素。根据实验所得结果，阵列天线的设计指标应为：线极化、波束集中、高增益。结合井下电磁波传播实验结论与相关的天线基础知识理论，设计出了仿真增益达7.81dB、匹配良好的内嵌式微带天线单元。利用阵列天线综合的方法确定了阵列天线的阵元间距、阵元数目等阵列天线关键因素，并设计了用于连接微带天线单元的馈电网络，将这些元素组合进行仿真，仿真结果表明设计的4×4微带阵列天线符合提出的设计指标，其增益达20.15dB、E面半功率波瓣宽度为15°、H面半功率波瓣宽度为20°，副瓣电平低于-10dB。将制作的微带阵列天线在模拟巷道中进行实验测量，比较偶极子天线、喇叭天线与微带阵列天线，得

7、出波束集中的微带阵列天线比全向天线更适合巷道中的能量传输且接收稳定；微带阵列天线体积小重量轻，相对于喇叭天线更容易安装与移动。该论文有图45幅，表5个，参考文献69篇。关键词：微波输能；煤矿井下；电磁波传播；微带阵列天线IAbstractWiththedevelopmentoftheInternetofthingstechnology,thewirelesssensornetworkhasbecomeanindispensablepartoftheundergroundwork,sensornodesusebatterypowersupply,the