采用多方向天線陣列技術(shù)實(shí)現(xiàn)微帶陣列天線的設(shè)計(jì)

作者：韓仲華，雷昕，苑海濤

支持空時(shí)分復(fù)用的無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)采用多方向天線陣列技術(shù)，使用多個(gè)高增益定向天線進(jìn)行多方向覆蓋，具備通信距離遠(yuǎn)和天線自動(dòng)掃描與對(duì)準(zhǔn)的特性，便于快速部署。但現(xiàn)有的多方向天線陣列的設(shè)計(jì)從擴(kuò)大通信距離的角度考慮，側(cè)重于提高天線增益，使其垂直主瓣寬度僅為6°，這對(duì)于通信距離較近并且節(jié)點(diǎn)之間高程差較大的情況來說，覆蓋性能不夠理想。對(duì)多方向天線陣列的組成單元——微帶陣列天線進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了一種支持空時(shí)分復(fù)用無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)的微帶陣列天線設(shè)計(jì)，其垂直主瓣寬度可達(dá)30°，并對(duì)設(shè)計(jì)的微帶陣列天線進(jìn)行了性能仿真和實(shí)際測試。

伴隨機(jī)動(dòng)通信組網(wǎng)應(yīng)用的快速發(fā)展，如何提升從部署到組網(wǎng)開通的時(shí)間效率是一個(gè)重要問題，同時(shí)需要兼具高帶寬和快速部署這2大任務(wù)特性。無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)非常適于寬帶機(jī)動(dòng)組網(wǎng)應(yīng)用，特別是基于多方向天線陣列的同步無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在相同距離下可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)高于普通全向天線的通信速率。另外，每個(gè)節(jié)點(diǎn)還能夠?qū)崿F(xiàn)天線的自動(dòng)掃描對(duì)準(zhǔn)，從而節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)部署時(shí)間。

當(dāng)前多方向天線陣列是針對(duì)遠(yuǎn)距離組網(wǎng)通信而設(shè)計(jì)，天線增益較高而垂直主瓣寬度僅為6°，在有些實(shí)際部署場合中，節(jié)點(diǎn)部署距離較近，同時(shí)節(jié)點(diǎn)之間存在較大的高度差 ，這使得較窄的垂直主瓣寬度無法較好地實(shí)施覆蓋，需要針對(duì)這種應(yīng)用場合進(jìn)行天線優(yōu)化設(shè)計(jì)，增大垂直主瓣寬度，提高覆蓋性能。

設(shè)計(jì)了一種垂直主瓣寬度可達(dá)30°的微帶陣列天線，可以有效地支持空時(shí)分復(fù)用無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)覆蓋垂直空間范圍的大幅提升。

1 基本理論

微帶偶極子天線單元的結(jié)構(gòu)是一個(gè)帶有巴侖饋電結(jié)構(gòu)的微帶偶極子。印刷偶極子和平衡饋電器復(fù)合結(jié)構(gòu)使其精確分析變得十分困難。為了分析其性能，把二者分成微帶偶極子輻射臂和平衡饋電兩部分處理。輻射臂可以等效為一個(gè)對(duì)稱振子，單元平衡饋電部分可用同軸電路來等效。微帶偶極子輻射臂，可利用等效半徑的概念，等效為半徑為De，長度為2Le的對(duì)稱振子。

中心饋電的帶狀振子的等效半徑為：

De = 0.25（ D + t） ，

式中，D 為帶狀振子的寬度，t 為帶線厚度。

振子輻射臂長度2L，考慮到帶狀振子2 個(gè)端頭效應(yīng)，振子的長度應(yīng)當(dāng)修正。修正量為振子寬度的1 /4，即：

2Le = 2L + D/4，

式中，2L 為振子實(shí)際幾何長度。求出輻射臂的等效半徑和等效長度后，可以利用海倫方程的矩量法解求出振子的電流分布，輸入阻抗和輻射方向圖。

對(duì)于巴侖饋電結(jié)構(gòu)，由傳輸線理論，有：

式中，Za是將Zin變換為50 Ω 的1 /4 阻抗變換器的特性阻抗; Zb是開路枝節(jié)的特性阻抗; Zab是振子兩臂之間開縫處的等效共面波導(dǎo)的特性阻抗θa 、θb和θab，分別為對(duì)應(yīng)微帶線的電長度。在最初的設(shè)計(jì)中，一般設(shè)θa = θb = θab = 90° 。

lb的長度近似等于1 /4 工作波長，開路端口經(jīng)過1 /4 波長的阻抗變換可以等效為短路端口，與另一面的偶極子天線產(chǎn)生耦合以達(dá)到饋電的目的。

2 微帶陣列天線設(shè)計(jì)

為解決單元帶寬不夠的問題，可以將振子臂加寬，即增大D。這是一種常用的增加偶極子帶寬的方法，因?yàn)樵谶@種情形下可以近似認(rèn)為偶極子有多條諧振路徑。

為了對(duì)寬帶偶極子進(jìn)行相應(yīng)的寬帶激勵(lì)，引入超寬帶Vivaldi 天線中常用的饋電結(jié)構(gòu)。開路線采用了扇形終端，巴侖處的縫隙也加寬，其單元帶寬可達(dá)1 GHz 以上。

由于開路線的終端是扇形的，則Zb和θb不再是點(diǎn)頻的函數(shù)，其帶寬變寬。同時(shí)，縫隙變寬后，Zab和θab也不再是點(diǎn)頻的函數(shù)，帶寬也將增加。因此，根據(jù)Zin的表達(dá)式可知，其帶寬也將變寬。

在設(shè)計(jì)和調(diào)整微帶偶極子的過程中，主要工作是獨(dú)立地設(shè)計(jì)其中心頻率和帶寬。帶寬由振子的寬度決定，而中心頻率由振子長度決定：

式中，分母的2 倍來源于半 波振子，有效介電常數(shù)應(yīng)小于介質(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù)。

欲盡量提高微帶巴侖的帶寬，應(yīng)該仔細(xì)調(diào)整扇形開路終端的半徑Ｒo 、縫隙的長度Ls和縫隙的寬度Ws 。經(jīng)反復(fù)調(diào)整后，得到一組尺寸。此尺寸一經(jīng)確定，不適宜再做更改。特別是在組陣時(shí)，天線單元的尺寸中唯有振子長度可以變化以調(diào)整工作頻帶，巴侖的參數(shù)不應(yīng)變化。

反射面結(jié)構(gòu)如圖1 所示。反射面的設(shè)計(jì)需要考慮以下因素： 扇區(qū)的數(shù)目決定了彎折角度，斜邊長度Lslo影響著垂直面波束寬度，陣列半徑?jīng)Q定了垂直段長度Lvt 。

圖1 反射面

由于多方向天線陣列包括8 個(gè)扇區(qū)，因此每個(gè)天線單元的2 個(gè)反射板的斜邊延長線的夾角應(yīng)該是360° /8 = 45° ，則斜邊和反射板垂直邊的夾角為112． 5° 。斜邊長度Lslo是通過陣列仿真確定的。

天線的垂直面方向圖性能指標(biāo)主要通過陣列設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)，通過調(diào)整單元個(gè)數(shù)與單元間距來滿足指標(biāo)要求。為了實(shí)現(xiàn)高增益的目的，需要增加單元數(shù)目，但同時(shí)波瓣寬度變窄并且天線架設(shè)的難度增大。當(dāng)單元數(shù)N = 5 時(shí)，垂直面方向圖半功率波瓣寬度過窄，因此選擇單元數(shù)目N = 4。隨著單元間距的增大，方向圖副瓣增多，并且波瓣寬度變窄，因此，單元間距選擇0． 5 λ ～ 0． 6 λ 較為合適。

方向性與單元間距的關(guān)系可以通過有效口徑來體現(xiàn)，因?yàn)榉较蛐訢 和有效口徑Ae滿足以下關(guān)系：

D = 4π（Ae/λ2）

由于設(shè)計(jì)目標(biāo)是垂直面波束為30° 的陣列，因此方向性D 應(yīng)取比較小才對(duì)。由上式可知，有效口徑Ae也應(yīng)取小。必須在一定數(shù)量的單元前提下研究如何減小有效口徑。然而，隨著單元個(gè)數(shù)的增加，有效口徑會(huì)隨之增大。可見，有效口徑和增益存在一定的矛盾。為解決此問題，可以采用的手段有：

① 盡量減少單元間距，從物理角度縮短有效口徑;② 對(duì)稱地降低陣列兩側(cè)單元的激勵(lì)幅度，使陣列的幅度呈現(xiàn)某種最優(yōu)分布，從而從電的角度縮短有效口徑; ③ 對(duì)稱地改變陣列單元的激勵(lì)相位，從電的角度縮短有效口徑; ④ 保持原有的4 個(gè)陣列單元不變，在兩側(cè)對(duì)稱地增加寄生單元，調(diào)節(jié)其加載電抗，使得寄生單元的相位與有源單元反向，從電的角度縮短有效口徑。

單元數(shù)目主要從增益的角度出發(fā)考慮。一個(gè)偶極子理論上的增益大約是2． 1 dB，水平面的45°波束可以提供360 /45 = 8 = 9 dB 的增益，垂直面的2個(gè)單元可以提供3 dB 增益，加起來一共是14． 1 dB。但是以上估算都是基于陣列間距為半波長，單元等幅同相激勵(lì)的假設(shè)。實(shí)際的陣列要通過縮短有效口徑的方法來擴(kuò)展垂直面波束，因此增益無法達(dá)到以上估算值。再考慮到一些其他的損耗，最終增益可能低于10 dB。綜合考慮，最好取4 個(gè)單元。

為了提高垂直面波束寬度，減小方向性，陣列間距應(yīng)盡可能小。但是由于偶極子本身的長度，間距不可能無限制地減小，并且如果單元之間距離很近，互耦也會(huì)對(duì)陣列的帶寬造成惡化。考慮到介質(zhì)基板對(duì)偶極子長度的縮短作用，陣列間距取0． 4 λ ～ 0． 5λ 比較好。

根據(jù)天線陣列理論，幅度分布中均勻分布的增益是最高的，道爾夫－ 切比雪夫分布是波束寬度與旁瓣電平綜合考慮的最優(yōu)分布，二項(xiàng)分布是旁瓣最小的分布。其中，二項(xiàng)分布的分布變化最劇烈，其波束寬度也最寬。由此可見，應(yīng)該適當(dāng)減小邊緣分布的幅度。此外，相位分布可以通過簡單地改變饋線的長度來改變激勵(lì)的相位。但無論是改變幅度還是改變相位，都要考慮到增益的下降。

設(shè)計(jì)的微帶陣列天線如圖2 所示。

圖2 微帶陣列天線

3 仿真與測量

采用HFSS 仿真平臺(tái)對(duì)微帶陣列天線進(jìn)行仿真分析，駐波比仿真結(jié)果如圖3 所示，各頻段下的天線增益和主瓣寬度如表1 所示。

為了驗(yàn)證天線性能，制作了天線樣機(jī)并進(jìn)行了駐波比、天線增益和主瓣寬度等性能指標(biāo)的測試，樣機(jī)實(shí)物如圖4 所示，各頻段下的天線增益和主瓣寬度如表2 所示。

從仿真和實(shí)測結(jié)果可以看到，設(shè)計(jì)的微帶陣列天線增益均超過11 dB，水平面主瓣寬度超過45°，特別是垂直面主瓣寬度均超過30°，滿足設(shè)計(jì)要求，在保持較高增益的同時(shí)，大幅擴(kuò)展了垂直空間的覆蓋范圍。

4 結(jié)束語

為了提高多方向天線陣列對(duì)于通信距離較近、節(jié)點(diǎn)之間高程差較大的環(huán)境下的覆蓋性能，對(duì)多方向天線陣列的組成單元——微帶陣列天線進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了一種支持空時(shí)分復(fù)用無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)的微帶陣列天線方案，其垂直主瓣寬度可達(dá)30°，增益超過11 dB。性能仿真和實(shí)測結(jié)果表明，優(yōu)化后的微帶陣列天線設(shè)計(jì)可以使基于多方向天線陣列的無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)覆蓋垂直空間范圍大幅提升。

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