随着“互联网+”时代的到来,智慧城市的概念应运而生,其中包括部分城市的市政设施智能监测报警系统。它是利用布设在各种市政井盖下的无线传感节点来感知井盖状态信息和井下感兴趣参数,并通过移动通信网络上传至监测平台。但由于井下特殊的环境和金属井盖的屏蔽作用,导致信息传输质量不佳,这既涉及到井下场景中的电波传播特性的把握,又涉及到相关天线的设计。因此,对电磁波在井下通信场景中的传播特性和相关井下天线的设计具有非常重要的现实意义。另外,由于特征模理论对天线的多频段、宽带化设计具有十分重要的指导意义。因此,本文在研究井下通信场景中电波传播特性的基础上,依据特征模理论,设计了三款不同工作频段的井下监测天线。主要内容如下:首先在介绍微带天线的腔模分析法和特征模式分析法的基础上,分析其特征模式和特征参量,并与腔模理论计算值进行比较,为本文井下天线的设计奠定基础。然后针对自由空间中的场景,利用电磁仿真软件仿真验证电波传播特性仿真方法的正确性。根据建立的井下通信模型,讨论发射天线不同频率和井下不同位置的场强分布情况,总结出井下监测天线设计的基本要求,为本文的天线设计提供参考。接着介绍了天线设计的一般流程,并针对一个工程应用场景设计了一款新型近场UHF-RFID天线。根据天线设计的流程和井下环境的特点,设计了工作在CDMA800频段的井下监测天线,并通过特征模分析法证明了该天线具有宽带特性。最后,针对井下各种应用场景,在特征模理论的指导下,设计了两款分别工作在CDMA800/GSM900双频段和2G/3G/4G多频段的井下监测天线。论文详细给出了天线的设计思路、仿真分析过程以及实物测试结果,分析结果表明,该天线具有良好的井下工程应用前景。