用于室內無線通信的新型多波束天線陣列

高 田，文舸一

(南京信息工程大學應用電磁學研究中心，江蘇南京 210044)

0 引言

多波束陣列天線(MBAA)在衛星、數據鏈路和移動通信中有著廣泛的應用，它可以分為三種基本形式:透鏡、反射面和相控陣。多波束透鏡天線通過配置一個MBAA來產生多個高增益定向波束，多用于毫米波波段的雷達和衛星通信系統[1-2]。多波束反射面天線通過在反射面的焦點周圍放置一個MBAA來產生多波束，它結合了陣列和反射器的優點，實現了高增益和低旁瓣[3-4]，主要用于衛星通信和氣象雷達等領域。MBAA通過波束形成網絡(BFN)產生特定的激勵振幅和相位分布，使天線能夠同時產生多個波束。波束形成網絡通常采用Butler矩陣，主要基于90°混合耦合器，可以實現波束切換功能[5-6]。

另外還有許多其他不同的方式來實現多波束。文獻[7]提出了一種新的無饋電網絡的MBAA設計，其中輸入功率通過位于輻射元件之間的4條微帶線耦合到所有的貼片單元，一共可以產生9個波束。此外，為了在有限空間內產生更多的波束，可采用可重構天線[8-10]。

文獻[11]設計了一種用于室內無線通信的MBAA，其中的BFN由激勵4個E形平面天線的耦合器組成。4單元MBAA有4個輸入端口，必須同時激勵才能產生4個斜視波束。文獻[12]提出了一種4元陣列的BFN，其中4個相位偏移分別為-90°、0°、0°和90°，分別從4個波束端口按旋轉順序分配給4個天線單元，依次產生4個斜波束，并通過合并4個波束來實現更全面的覆蓋。

具備切換波束功能的雙向端射天線可用于隧道、地鐵和一些特殊建筑物等狹長道路環境中[13]。然而，切換波束系統只能在特定的時間內提供波束覆蓋，而且由于使用了高頻移相器和其他設備，成本也非常昂貴。

本文利用最大功率傳輸效率法設計了一款八單元MBAA，天線單元和饋電網絡背對背放置，并共享接地板。該MBAA由8個E型天線單元組成,每個天線單元之間的距離分別是0.5λ0(沿著x軸)和0.77λ0(沿著y軸)，能同時生成8個斜視波束，可用于波束分集與分區覆蓋。該天線陣列體積小，剖面低，易于與其他系統集成。文中通過仿真和實驗，驗證了設計方法的有效性。

1 多波束天線陣列的設計

1.1 天線單元的設計

本設計采用E型微帶天線，并使其工作在高次模式，以獲得兩束輻射來展寬波束。進一步采用縫隙技術來擴展天線的帶寬[14]。天線單元的幾何形狀和結構如圖1所示，基板材料為Arlon Diclad 880(厚度為1.57 mm，相對介電常數為2.2，損耗正切為0.000 9)。以5.8 GHz為中心頻率進行優化，利用Ansys HFSS得到的優化參數為：W1=60 mm，W2=21 mm，L1=80 mm，L2=33.6 mm，b1=11.7 mm，b2=6.75 mm，b3=32.2 mm，t=11.5 mm，h=1.57 mm。

(a)正視圖

所模擬的E形天線單元的三維方向圖和反射系數如圖2所示。從圖2(a)可以看出，天線單元產生了兩個相鄰的波束，最大增益偏離z軸中心約30°。從圖2(b)可以看出，反射系數低于-10 dB時的帶寬范圍為5.74～5.87 GHz。

(a)3D仿真圖

1.2 天線陣列的設計

為獲得最大的增益和效率，設計天線陣列時必須保證每個天線單元的激勵是最優的，為此采用最大功率傳輸效率法(MMPTE)[15-16]。MMPTE以功率傳輸效率(PTE)為目標函數，可用于任意天線陣列的優化設計[17-21]。

為了實現波束增益控制，需要引入加權矩陣對MMPTE進行修正，稱作WMMPTE。該方法已成功應用于雙向端射增益可調陣列天線設計[21]。考慮如圖3所示的無線功率傳輸系統。將待設計的八單元天線陣作為發射天線,再引入8個測試接收天線并放置在遠場區域。測試接收天線的位置如圖3(a)所示,其中θ1=18°,θ2=70°,φ=18°。為了調控各波束的增益，引入測試接收天線加權系數Wi(i=1,2,…,8)。通過調整各加權系數的比值，可以控制多波束天線的增益分布。整個系統由8+8個端口組成，構成一個十六端口網絡，如圖3(b)所示。該網絡可用散射矩陣描述如下:

(a)十六端口傳輸系統

(1)

發射天線陣列與測試接收天線之間的PTE定義為測試接收天線的負載接收功率與發射天線陣列的輸入功率之比。

(2)

假定PTE最大化，通過變分法得到如下特征值方程[17-18]:

[A′][at]=η[at]

(3)

由式(3)確定最大特征值，相應的特征向量為發射陣列激勵的最優分布。

2 實驗結果與分析

將優化后的單元排成八單元陣列，如圖4所示。通過式(3)獲得的最優激勵分布可由饋電網絡實現。通過設計功率分配器來控制幅值分布，通過調整饋線的長度來控制相位分布。饋電網絡基板材料為羅杰斯4003(厚度為0.813 mm，相對介電常數為3.55，損耗正切為0.002 7)。需要注意的是，在設計過程中已經考慮了單元之間的耦合。天線陣的仿真和實測反射系數如圖5所示，帶寬上下頻率分別為5.7和5.86 GHz，實測結果與模擬結果基本一致。制作的天線陣列和饋電網絡如圖6所示。

圖4 天線陣列結構示意圖(d1=40 mm,d2=26 mm)

圖5 天線陣列反射系數仿真和實測結果

(a)正面

表1左欄為天線陣列優化后的最佳激勵分布,右欄為饋電網絡實現的最佳激勵分布，兩者吻合較好。表2為優化過后的測試接收天線權重的比例。

表1 陣列端口的激勵優化分布

表2 測試接收天線的權值比

為了更好地理解天線陣列的輻射狀態,給出了天線陣列的3D輻射方向圖,如圖7所示，每個波束的最大增益方向如表3所示。從三維圖中可以看出，這8個波束相對于x軸和y軸是對稱的。可以看出，經MMPTE優化后，原單元的分裂波束合并成一個寬波束。

圖7 天線3D仿真圖

表3 天線陣列最大波束增益方向

仿真和實測的4個角度的方向圖如圖8所示。從圖8(a)和(b)可以看出，在θ=30°和θ=70°方向上模擬獲得的增益分別為8.4和9.2 dBi，實際測量的增益分別為8.0和8.7 dBi。從圖8(c)和(d)可以看出，在φ=60°和φ=120°方向上模擬獲得的增益分別為6.9和7.5 dBi,實際測量的增益分別為6.5到7.0 dBi。

(a)θ=30°

3 結束語

本文通過加權最大功率傳輸效率法設計了一種新型低剖面多波束陣列天線。天線中心頻率為5.8 GHz，天線陣列只有一個激勵端口，可以同時實現不同方向的8個波束,其激勵分布是由最大功率傳輸效率法結合加權矩陣確定。八波束共存的優點是覆蓋更全面。該天線陣體積小，剖面低,易于安裝和集成,適合于雙向隧道環境中無線通信系統或室內通信系統。