固定多波束面天線(xiàn)陣的分析與設計

摘要：本文提出了一種用巴特勒移相網(wǎng)絡(luò )實(shí)現面天線(xiàn)陣的方法，這是一種固定多波束天線(xiàn)系統。天線(xiàn)陣由四個(gè)全向天線(xiàn)陣元組成，其方向性可通過(guò)改變饋電相位來(lái)控制。本文采用微帶結構的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(shí)現，文中給出了該Butler矩陣散射參數的計算和測量結果。此系統能夠提供360 度全方位覆蓋，方向解析度為 90 度。這種天線(xiàn)可用于基站或移動(dòng)臺電控天線(xiàn)，或用于信號到達角的粗略估計。

引言

　　隨著(zhù)電子信息技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線(xiàn)電測向技術(shù)越來(lái)越廣泛地應用在民用和軍用設施中。無(wú)線(xiàn)電測向是依據電磁波傳播特性，使用無(wú)線(xiàn)電測向設備測定電波來(lái)波方向的過(guò)程。依據不同的測向原理，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(shí)間差測向體制。無(wú)論是哪種測向體制，測向天線(xiàn)都是其核心技術(shù)。

　　本文設計了一種工作中心頻率在915M Hz的固定多波束面天線(xiàn)陣，此天線(xiàn)陣利用多個(gè)窄波束實(shí)現空分，利用低副瓣降低干擾。為了保證4個(gè)波束覆蓋90度的扇區，需要4個(gè)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(shí)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。本設計在保證一定測向精度的前提下簡(jiǎn)化了天線(xiàn)結構，降低了安裝復雜度，減少了設備成本，從而極大地提高了工程實(shí)用性。

1 平面天線(xiàn)陣

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

　　假設初相位為0，天線(xiàn)陣的方向性系數為：

式(1)

　　在不考慮互耦時(shí)，對陣子長(cháng)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(gè)參數進(jìn)行優(yōu)化，當地板半徑R=150mm，陣子半徑r=2mm，長(cháng)度l=74mm，陣子距中心距離a=b=62mm，天線(xiàn)達到最佳性能。頻率915MHz時(shí)，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。

　　以上結果是在不考慮互耦的條件下得到的，由于天線(xiàn)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(shí)的方向圖。經(jīng)計算當a=b=0.21，λ=68.85mm時(shí)，天線(xiàn)性能達到最佳。

2 饋電網(wǎng)絡(luò )

　　高定向性天線(xiàn)對于抑制通信系統中收發(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(xiàn)增益。電控相位掃描天線(xiàn)可以在一個(gè)控制信號的作用下產(chǎn)生定向波束，實(shí)現這種天線(xiàn)的一種方案是使用電控移相器;另一種方案是預先產(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重，這樣即可獲得理想的天線(xiàn)陣列方向圖。

　　要實(shí)現后一種方案就需要一個(gè)波束合成網(wǎng)絡(luò )，其能夠為N個(gè)天線(xiàn)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。

　　根據設計需求：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4.4，厚度2mm，覆銅厚度0.889mm。

　　3dB定向耦合器能夠輸出兩個(gè)功率相等、且相位相差90度的信號。按照分支線(xiàn)耦合器的設計方法計算得到：串聯(lián)臂寬W=257.59mil，長(cháng)L=1728.976mil;并聯(lián)臂寬W=151.357mil，長(cháng)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(méi)有功率傳輸，端口1的輸入功率完全輸出到端口3，沒(méi)有衰減。按照分支線(xiàn)耦合器的設計方法計算得到：串聯(lián)臂寬W=3.213mm，長(cháng)L=37.43mm;并聯(lián)臂寬W=3.213mm，長(cháng)L=56.144mm。

　　在各部分設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參數的數據如表1和圖4所示。

3 實(shí)物測試

　　首先在沒(méi)有巴特勒饋電網(wǎng)絡(luò )的情況下測量天線(xiàn)每個(gè)陣子的駐波，測量的同時(shí)逐漸減短陣子長(cháng)度，大約在74mm時(shí)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(kāi)關(guān)，并在矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀上測量，測量數據如表2所示。

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

4 結論

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

　　(1)在巴特勒移相網(wǎng)絡(luò )中加入電控單刀四擲開(kāi)關(guān)，使得結構更加簡(jiǎn)單，控制也更加容易;

　　(2)可以實(shí)現空間分割,是理想的移動(dòng)通信用天線(xiàn)平臺;

　　(3)方向解析度可達90度。

　　通過(guò)詳細的仿真數據和測量結果，說(shuō)明本文的設計方案切實(shí)可行，該系統在移動(dòng)通信中有良好的應用前景，并為全自適應智能天線(xiàn)提供重要的硬件設計參考。

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