寬帶無(wú)線(xiàn)通信應用中的多束天線(xiàn)設計

多束天線(xiàn)以增強的頻譜效率和更高的服務(wù)質(zhì)量提升了無(wú)線(xiàn)通信能力。設計這種天線(xiàn)的方法之一涉及空分多址(SDMA)技術(shù)。在有限頻譜內無(wú)須任何重要技術(shù)改變，SDMA方法可提供更高的用戶(hù)容量。

許多無(wú)線(xiàn)服務(wù)供應商采用SDMA技術(shù)對可用頻譜進(jìn)行優(yōu)化利用，在360deg.覆蓋區域內它一般被限制在三個(gè)區間。但采用多束天線(xiàn)系統，其覆蓋的區間可被增加至多達48個(gè)。因系統的波束成型網(wǎng)絡(luò )可重復利用可用頻率并降低了干擾，所以，對無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )服務(wù)區域來(lái)說(shuō)，它可服務(wù)更多用戶(hù)且具有更好的服務(wù)質(zhì)量。

該系統可在多個(gè)方向長(cháng)距離傳輸數據、語(yǔ)音和視頻信號且不需中繼站。這樣，就把網(wǎng)絡(luò )的運營(yíng)成本降至最低且顯著(zhù)提升了可靠性、質(zhì)量并增加了用戶(hù)數。用長(cháng)距離(高增益)窄束定向天線(xiàn)取代短距離(低增益)全向天線(xiàn)。通常，長(cháng)距離天線(xiàn)會(huì )增加單一方向上的用戶(hù)數，但不允許其它方向上的用戶(hù)使用該系統。本文建議的系統通過(guò)采用既可同時(shí)又可順序重復利用高增益窄束天線(xiàn)的多束技術(shù)解決了該問(wèn)題，該技術(shù)有效實(shí)現了全向天線(xiàn)的球面型覆蓋范圍從而顯著(zhù)增加了各個(gè)方向的用戶(hù)數。采用頻率再用技術(shù)可進(jìn)一步增加容量。

多束系統是基于相控陣天線(xiàn)和Electromagnetic Technologies Industries(ETI, www.etiworld.com)公司開(kāi)發(fā)的Optibeam專(zhuān)有波束成型網(wǎng)絡(luò )的硬件方案。因該硬件方案不需要軟件編程和外接電源，所以很適合惡劣環(huán)境使用。

論及的多束天線(xiàn)系統的主要部件是天線(xiàn)和波束成型網(wǎng)絡(luò )。天線(xiàn)包含諸如偶極子或貼片(patch)天線(xiàn)等小的天線(xiàn)元素，它們被組合成陣列。波束成型器為全部天線(xiàn)貼片提供所需的信號相位用以在各方向上生成波束。多束天線(xiàn)系統為得到期望的性能，兩種要素的設計參數都很關(guān)鍵。

在本文討論的系統內采用的天線(xiàn)基于組成矩陣的貼片天線(xiàn)。貼片天線(xiàn)以經(jīng)過(guò)驗證的微帶高頻印刷電路技術(shù)為基礎。在這樣一個(gè)矩陣安排中采用貼片部件的優(yōu)點(diǎn)有：體積小、制造成本低、重量輕、易于安裝且可靠性高。根據期望的電磁輻射方向，把不同信號幅值和相位的激勵饋送至每個(gè)貼片。輻射部件的不同相位會(huì )與天線(xiàn)遠場(chǎng)結合以形成窄束。本文所論述的天線(xiàn)被設計成線(xiàn)性相控陣天線(xiàn)系統，其中，各貼片間等距并在整個(gè)矩陣采用遞進(jìn)相移技術(shù)。

每個(gè)貼片的間距被保持為中心頻點(diǎn)波長(cháng)的一半(λ/2)。貼片的中心線(xiàn)被初選為饋送點(diǎn)，但饋送點(diǎn)的實(shí)際準確位置是由用高頻矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀(VNA)進(jìn)行的對輸入反射的測量結果實(shí)施經(jīng)驗化處理決定的。除饋送點(diǎn)外，為在相關(guān)的頻率范圍內獲得小于1.50:1的電壓駐波比(VSWR)，還對每個(gè)貼片的形狀進(jìn)行了仔細選擇。為改進(jìn)感興趣頻率范圍內的性能，饋送點(diǎn)選得比中心點(diǎn)略高。該貼片天線(xiàn)部件的其它設計參數包括：諧振頻率=3.7GHz;基板高=0.030英寸;基板電介常數=2.2;貼片天線(xiàn)長(cháng)=1.575英寸;貼片天線(xiàn)寬=0.710英寸;饋送點(diǎn)位置略高于貼片中心點(diǎn);極化=垂直。

許多貼片天線(xiàn)都是在單一電介質(zhì)基板上以線(xiàn)性方式對貼片元素進(jìn)行排列以分別獲得15 deg.的方位束寬和7deg.的垂直束寬。四束天線(xiàn)設計需要最少四個(gè)貼片天線(xiàn)部件。采用本建議技術(shù)的四束系統被設計成具有26 dB天線(xiàn)增益、前-后比率高于30dB、副瓣水平20dB(小于主瓣水平)等指標。采用商用微波VNA對一個(gè)四束天線(xiàn)設計的性能進(jìn)行了測量，采用的全掃頻范圍是2.0 到4.5 GHz、結果顯示在圖1中。天線(xiàn)系統的工作范圍在3.2 到4.2 GHz、VSWR小于1.50:1。

波束成型器設計

波束成型器是由無(wú)源微波器件組成的復雜網(wǎng)絡(luò )。它用于在天線(xiàn)和系統收發(fā)器間提供所需的相位和幅值。波束成型網(wǎng)絡(luò )從天線(xiàn)矩陣形成波束，并采用無(wú)需機械運動(dòng)的電控方式控制波束方向?？赏ㄟ^(guò)采用對天線(xiàn)元素和相關(guān)電氣元件的時(shí)間或頻率域分析來(lái)設計這樣一種電控波束成型網(wǎng)絡(luò )。對論及的多束天線(xiàn)系統，在設計用于寬帶應用的波束成型網(wǎng)絡(luò )時(shí)采用的是頻域分析。

為最小化RF信號損耗并保持諸如相位和幅值等信號屬性，一般要將波束成型網(wǎng)絡(luò )緊挨著(zhù)天線(xiàn)組件放置或將其整合進(jìn)天線(xiàn)組件。在本例中，波束成型器被挨著(zhù)天線(xiàn)放置并采用相位匹配電纜匹配跨接矩陣的相位(見(jiàn)圖2)。這些相位匹配電纜在期望的頻帶范圍提供±1deg.的相位匹配精度。每36英寸電纜長(cháng)度貢獻的插入損耗小于0.5 dB。

在本例中，波束成型器的設計采用了組合了正交耦合子、微波混合和相移器等技術(shù)以實(shí)現在60deg. 區間內產(chǎn)生四個(gè)波束的相位要求?？衫猛耆珜ΨQ(chēng)的90deg. 混合接合以實(shí)現矢量增加來(lái)生成預期的相位權重。借助其與生俱來(lái)的阻抗轉換能力并通過(guò)把匹配變換器的使用最少化來(lái)減小整個(gè)插入損耗，從而可將該混合整合進(jìn)組件。

為展示該設計方法，設計了一個(gè)用于3.4到3.6GHz頻段的四束天線(xiàn)波束成型器。用安捷倫科技的(www.agilent.com)N5230A矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀對其性能進(jìn)行了測量，N5230A在工作時(shí)與同樣來(lái)自安捷倫的也工作在3.4到3.6GHz范圍的U3042A多口測試裝置連接。圖3、圖4和圖5顯示的是基于該設計方法的典型八波束波束成型網(wǎng)絡(luò )的結果。

在3.4到3.6 GHz頻段的開(kāi)放環(huán)境對多束天線(xiàn)系統的輻射模式進(jìn)行了測量。采用相位匹配RF電纜連接波束成型器與天線(xiàn)。波束成型器的輸入端口接3.440、3.480、3.520和 3.580 GHz這四個(gè)不同的中心頻率、每個(gè)頻道的帶寬是7MHz。測試所用的RF功率是+5dBm，來(lái)自天線(xiàn)和波束成型器的聯(lián)合接收功率的測量是利用頻譜分析儀在距離200m處進(jìn)行的。接收到信號的功率在以200m為半徑的圓周每隔1.0 deg.測量一次，其中把四束天線(xiàn)作為圓周中心。圖7顯示了該實(shí)際輻射樣式。圖6也給出了采用MATLAB 軟件模擬得到的理論輻射樣式。

基于對制造四束天線(xiàn)系統的分析可以看出，有可能采用六個(gè)這樣的天線(xiàn)系統提供全360deg. 無(wú)線(xiàn)通信覆蓋范圍。多束天線(xiàn)技術(shù)潛在的應用領(lǐng)域是微波接入全球互通(WiMAX)和蜂窩網(wǎng)絡(luò )。該方法可極大增加此類(lèi)通信網(wǎng)絡(luò )的用戶(hù)容量和頻譜效率。

諸如本文討論的基于SDMA的多束天線(xiàn)系統通過(guò)頻率再用可極大增加通信網(wǎng)絡(luò )的容量和吞吐率。該設計方法簡(jiǎn)捷明白且借助商用測試設備在戶(hù)外環(huán)境對其性能進(jìn)行了驗證。實(shí)測結果與得自MATLAB軟件模擬的結果吻合得相當好。