固定多波束面天線陣的分析與設(shè)計

摘要：本文提出了一種用巴特勒移相網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)面天線陣的方法，這是一種固定多波束天線系統(tǒng)。天線陣由四個全向天線陣元組成，其方向性可通過改變饋電相位來控制。本文采用微帶結(jié)構(gòu)的4×4 Butler 矩陣作為波束合成網(wǎng)絡(luò)，其中90度相差的混合接頭用3dB定向耦合器實現(xiàn)，文中給出了該Butler矩陣散射參數(shù)的計算和測量結(jié)果。此系統(tǒng)能夠提供360 度全方位覆蓋，方向解析度為 90 度。這種天線可用于基站或移動臺電控天線，或用于信號到達角的粗略估計。

引言

　　隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，無線電測向技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用在民用和軍用設(shè)施中。無線電測向是依據(jù)電磁波傳播特性，使用無線電測向設(shè)備測定電波來波方向的過程。依據(jù)不同的測向原理，可分為如下幾種不同的測向體制：(1)幅度比較式測向體制。(2)干涉儀測向體制。(3)到達時間差測向體制。無論是哪種測向體制，測向天線都是其核心技術(shù)。

　　本文設(shè)計了一種工作中心頻率在915M Hz的固定多波束面天線陣，此天線陣利用多個窄波束實現(xiàn)空分，利用低副瓣降低干擾。為了保證4個波束覆蓋90度的扇區(qū)，需要4個波束的主瓣最大值分別在0度、90度、180度、270度方向，且其3dB波瓣寬度約為60度，同時要求各波束主瓣增益不小8dB，副瓣增益不大于-1dB，相鄰波束的交叉電平與最大增益之差不小于-4dB。本設(shè)計在保證一定測向精度的前提下簡化了天線結(jié)構(gòu)，降低了安裝復雜度，減少了設(shè)備成本，從而極大地提高了工程實用性。

1 平面天線陣

　　固定多波束面天線利用多個窄波束實現(xiàn)空分，利用低副瓣降低干擾。根據(jù)掃描角度、波束寬度以及增益的要求，本設(shè)計采用半波振子單元。為了實現(xiàn)此方向圖，將四個λ/4單極子成正方形排列。如圖1所示。

　　假設(shè)初相位為0，天線陣的方向性系數(shù)為：

式(1)

　　在不考慮互耦時，對陣子長度l，陣子直徑r，陣子距中心距離a、b ，反射地板直徑R四個參數(shù)進行優(yōu)化，當?shù)匕灏霃絉=150mm，陣子半徑r=2mm，長度l=74mm，陣子距中心距離a=b=62mm，天線達到最佳性能。頻率915MHz時，四端口駐波均小于1.65，采用0，90，90，180相位組合饋電可得圖2所示方向圖，正向最大增益8.9dB，副瓣最大增益-1.4dB。

　　以上結(jié)果是在不考慮互耦的條件下得到的，由于天線間距較小，互耦不能忽略。在考慮互耦的情況下，采用互阻抗矩陣法計算此時的方向圖。經(jīng)計算當a=b=0.21，λ=68.85mm時，天線性能達到最佳。

2 饋電網(wǎng)絡(luò)

　　高定向性天線對于抑制通信系統(tǒng)中收發(fā)機之間因為多徑傳播而造成的信道衰落、極化失配和其他干擾相當有效，因此增強了天線增益。電控相位掃描天線可以在一個控制信號的作用下產(chǎn)生定向波束，實現(xiàn)這種天線的一種方案是使用電控移相器;另一種方案是預(yù)先產(chǎn)生一系列波束，然后在這些波束中選擇合適的組合并給予一定權(quán)重，這樣即可獲得理想的天線陣列方向圖。

　　要實現(xiàn)后一種方案就需要一個波束合成網(wǎng)絡(luò)，其能夠為N個天線單元產(chǎn)生M種波束組合，巴特勒矩陣就是這樣一種網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。

　　根據(jù)設(shè)計需求：工作頻率915MHz，特性阻抗50歐姆，耦合度3dB，介質(zhì)基板介電常數(shù)4.4，厚度2mm，覆銅厚度0.889mm。

　　3dB定向耦合器能夠輸出兩個功率相等、且相位相差90度的信號。按照分支線耦合器的設(shè)計方法計算得到：串聯(lián)臂寬W=257.59mil，長L=1728.976mil;并聯(lián)臂寬W=151.357mil，長L=1665.525mil。與3dB定向耦合器不同，0dB交叉橋的端口2與端口1完全隔離，沒有功率傳輸，端口1的輸入功率完全輸出到端口3，沒有衰減。按照分支線耦合器的設(shè)計方法計算得到：串聯(lián)臂寬W=3.213mm，長L=37.43mm;并聯(lián)臂寬W=3.213mm，長L=56.144mm。

　　在各部分設(shè)計完成并達到要求后，將3dB定向耦合器和0dB交叉橋連接，測量S參數(shù)的數(shù)據(jù)如表1和圖4所示。

3 實物測試

　　首先在沒有巴特勒饋電網(wǎng)絡(luò)的情況下測量天線每個陣子的駐波，測量的同時逐漸減短陣子長度，大約在74mm時駐波達到最佳。巴特勒矩陣在印制成電路板后焊接上SMA接頭和SP4T開關(guān)，并在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上測量，測量數(shù)據(jù)如表2所示。

　　由以上數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)性能較佳。但由于印制電路基板的不均勻，導致電路的正向傳輸系數(shù)比理論值大約有4dB的衰減，不過這并不影響整體性能。將上表數(shù)據(jù)輸入天線模型，可以實現(xiàn)圖5所示方向圖，圖6為系統(tǒng)實物圖。

4 結(jié)論

　　本文提出一種固定多波束天線的設(shè)計方法和性能仿真，它可用作基站或移動臺的天線系統(tǒng)，或用于DOA的粗略估計。這種天線有以下幾個特點:

　　(1)在巴特勒移相網(wǎng)絡(luò)中加入電控單刀四擲開關(guān)，使得結(jié)構(gòu)更加簡單，控制也更加容易;

　　(2)可以實現(xiàn)空間分割,是理想的移動通信用天線平臺;

　　(3)方向解析度可達90度。

　　通過詳細的仿真數(shù)據(jù)和測量結(jié)果，說明本文的設(shè)計方案切實可行，該系統(tǒng)在移動通信中有良好的應(yīng)用前景，并為全自適應(yīng)智能天線提供重要的硬件設(shè)計參考。

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