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自世界上第一辆高速磁浮列车在德国研制成功以来,磁悬浮技术先后在英国、日本和中国等国家取得了很好的研究成果。磁悬浮列车与普通列车相比较,具有高速的行驶速度、能耗低和安全性能高等优点。为了体现以上优点和提升磁浮列车的竞争力,一套稳定既高效的无线通信系统起着至关重要作用。毫米波无线通信是高速磁浮列车主流的车地通信方式,车载天线是其中的关键部件。目前,在我国运营和试验的磁浮列车线路(如上海磁悬浮试验线)上,车地通信系统中的毫米波天线均采用德国技术研制而成,在2010年前后国内相关研究单位对该类毫米波天线进行了国产化研究,但是主要技术路线和天线的形式未作改进。这种基于反射面天线的天线形式能够一定程度上满足通信要求,但存在的主要不足是天线体积较大、高度很高,较大的体积和高度对列车运行和美观等造成了很大影响。因此,本论文提出开展新型的基于阵列天线的高速磁浮毫米波车地通信系统小型化车载天线的研究,掌握车地通信系统中车载天线的小型化自主设计方法,研制满足要求的小型化车载天线。本文主要围绕基于阵列天线的毫米波车地通信小型化波导螺旋天线展开研究,主要工作可以概述为以下几个方面:1、小型化侧馈式波导螺旋阵列天线的设计与分析。提出了侧馈式波导螺旋阵列天线。设计了工作于毫米波段(37GHz～39GHz)低剖面单元螺旋天线;对侧馈式馈电系统进行了设计,实现了在中心频率为38GHz下30路近似等幅馈电。采用全波电磁仿真软件对30单元子阵辐射特性进行了研究,结果表明在中心频点38GHz下,天线增益为22.4d B,轴向轴比值1.6d B,俯仰面波瓣宽度4.2o,方位面波瓣宽度30.2o;在37.0～39.0GHz的频带范围内,反射系数小于-15d B,增益大于21.5d B。研究结果发现采用侧馈的形式,当工作频率偏离中心频率时,相邻单元之间的相位差会发生改变,导致波束指向发生偏移,轴向增益下降,无法实现宽频带工作;同时发现位于尾部的单元耦合量难以调节,精度要求高,输出不平衡度较优的频带也较窄等问题。2、小型化波导螺旋阵列天线的改进设计与分析。为了改善侧馈形式的不足,通过重新设计了阵列的布局,改进了采用更简易的同轴波导中心馈电,四路矩形波导并馈的形式,解决了工作频率偏移中心频率时波束指向偏移和轴向增益下降的问题。在馈电系统设计中,通过改变矩形波导截面尺寸以及末端采用波导同轴转换器等形式,解决了探针在矩形波导中耦合难度大的问题,实现了各输出端口的近似等幅馈电的效果,采用全波电磁仿真软件对子阵的辐射特性进行了分析,结果表明在37～39GHz的频带范围内,驻波系数小于1.35,天线可以实现轴向辐射,增益大于21.9d B,轴比不大于2.5d B,能实现较好的圆极化辐射,俯仰面波束宽度4.3°～4.6°之间,方位面波束宽度30.0°～31.0°之间。并对子阵进行了研制与实验测试,实验结果表明该天线在37～39GHz频带范围内,天线驻波比小于1.41,增益大于21.7d B,轴比小于3.6d B,俯仰面波瓣宽度为4.5°～4.7°,方位面波瓣宽度为29°～29.7°,满足了毫米波车地通信系统中车载天线设计需求。最后给出了车载天线在现车状态条件下的实验验证方案,通过采用电磁仿真软件建立现车实验模型,阐述方案的实验可行性。同时基于以上实验方案,给出阵列天线在现车的安装方案。3、小型化波导螺旋阵列天线赋形初步设计与研究。为了提升阵列天线的性能,通过增加阵列方位面的单元数目的情况下,实现在原3d B波束宽度内增益提高以及阵列天线在轴向增益提高的目的。为此,提出了当方位面单元数增加至4和6个时,通过赋形优化算法,分别得出了4单元和6单元时幅相分布结果并且仿真分析了阵列的性能,根据赋形后阵列较优的幅相分布结果,确定采用6×14个单元的阵列布局,并以此为基础设计了馈电系统。6×14阵列天线的馈电系统设计采用级联的方式,主要由1-2路功分器、1-3路分支和波导同轴转换器级联构成一分12路功分器,分别对各部分结构进行了设计优化。仿真结果表明在37GH～39GHz频带范围内,一分12路功分器的反射系数小于-16.3d B,各端口输出幅度值满足1:0.48:0.4的关系,逐一地加入探针进行耦合,通过仿真计算得到馈电系统反射小于-16d B,各端口幅度值近似满足1:0.48:0.4的关系,验证了其对6×14阵列馈电的可行性。