一種多向端射智能陣列天線的優(yōu)化設(shè)計(jì)*

苗祥斌，李淏源，曹德煜，姚 雷

（連云港市氣象局，江蘇 連云港 222000）

0 引言

端射天線由于其獨(dú)特的端向輻射特性，不僅能夠抑制通信中的多徑效應(yīng)，而且可以解決雷達(dá)通信的盲區(qū)問(wèn)題[1-2]。端射天線陣列常常被應(yīng)用于地鐵、地下礦井、隧道通信、氣象雷達(dá)等領(lǐng)域。

八木天線是典型的端射天線[3]。最早的八木天線的組成單元是偶極子，由日本的八木秀次和宇田太郎兩人發(fā)明。典型的八木天線有3對(duì)振子，整個(gè)結(jié)構(gòu)呈“王”字形。文獻(xiàn)[4]提出了一種寬帶微帶八木天線，相對(duì)帶寬為31%，在2.4 GHz的增益大于9 dBi。在文獻(xiàn)[5]中，Liu等人提出了一種全金屬端射漏波天線結(jié)構(gòu)，其由饋電微帶線和幾個(gè)周期性輻射元件組成。在5 GHz的端射方向上測(cè)得的增益為11.61 dBi。在文獻(xiàn)[6]中，Zhang等人提出了一種新型的平面端入式圓極化互補(bǔ)天線的工作原理和設(shè)計(jì)方法。將垂直極化的印刷磁偶極子和水平極化的印刷偶極子結(jié)合在同一基板上，從而設(shè)計(jì)了具有末端激光束平行于其平面的平面圓極化天線，可以用于手持式閱讀器。在文獻(xiàn)[7]中，Ye等人設(shè)計(jì)了一款相同方向的圓極化輻射的單層雙向天線。該天線由兩個(gè)相同的端射圓極化天線組成。通過(guò)相位延遲線連接的兩個(gè)緊密間隔的互補(bǔ)偶極子的疊加。文獻(xiàn)[8]中提出了一款高增益新型雙向堆疊式微帶偶極子天線，天線的最大增益為10.29 dBi，可應(yīng)用于Wlan設(shè)備。文獻(xiàn) [9]提出了一款可重構(gòu)7單元液態(tài)金屬單極子八木天線。不同于傳統(tǒng)的天線設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)在柱狀容器中注入液態(tài)金屬構(gòu)成單極子，所有容器的直徑相同，因此通過(guò)改變?nèi)萜髦幸簯B(tài)金屬的高度來(lái)實(shí)現(xiàn)天線單元的諧振頻率調(diào)整。

目前，端射天線的研究大都是單向輻射的研究，極少有人研究雙向端射、多向端射。然而在隧道、地鐵、地下礦井、走廊和一些特殊建筑物等狹長(zhǎng)的道路上，對(duì)多向無(wú)線通信服務(wù)的需求日益增長(zhǎng)。本文設(shè)計(jì)了一款低剖面8單元多向端射智能陣列天線印刷偶極子天線陣列。該陣列天線有多種工作模式，在全向輻射模式下該陣列天線的增益達(dá)到2.8 dBi，該設(shè)計(jì)還實(shí)現(xiàn)了同時(shí)在水平面多向端射模式，在φ為0°、90°、180°、270°這4個(gè)方向上形成的波束增益大小可以根據(jù)實(shí)際需求任意調(diào)控。

1 天線陣列設(shè)計(jì)

1.1 天線結(jié)構(gòu)

本文選擇了8個(gè)相同圓弧形偶極子作為陣列天線的單元，天線單元依次分布在圓形基板的4個(gè)方向上，如圖1所示。選擇圓形基板以及圓弧形偶極子可以更加充分地利用介質(zhì)基板，以便做到小型化。

陣列天線的介質(zhì)基板材料為FR4，厚度為1.6 mm。傳統(tǒng)的八木天線通過(guò)在天線陣的一端增加無(wú)源的反射器和引向器來(lái)提高天線的性能，在這里將一個(gè)環(huán)形的反射器放置在基板的中間，從而提高天線陣在水平面各個(gè)方向的輻射性能。在HFSS仿真軟件中建模并進(jìn)行優(yōu)化，天線的具體參數(shù)為：R1=80 mm、R2=76 mm、R3=44 mm、R4=17 mm、R5=15 mm，圓環(huán)和偶極子的寬度設(shè)為2 mm，偶極子的形狀雖然改變，但是它的性能并沒(méi)有改變。

圖1 八單元偶極子天線陣列

1.2 加權(quán)功率傳輸最優(yōu)化方法

為了在多個(gè)目標(biāo)方向同時(shí)形成多個(gè)波束，在需要產(chǎn)生波束的方向放置與發(fā)射天線單元同樣尺寸的接收天線，與所設(shè)計(jì)的陣列天線一起構(gòu)成一個(gè)無(wú)線功率傳輸系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 功率傳輸系統(tǒng)

無(wú)線功率系統(tǒng)由一個(gè)8單元發(fā)射天線和4個(gè)偶極子接收天線組成，可以看作一個(gè)12端口網(wǎng)絡(luò)，其性能可由散射參數(shù)表征[10-13]。散射參數(shù)可以通過(guò)HFSS仿真軟件得到。傳輸效率用E表示：

為了使得每個(gè)波束增益可調(diào)，引入對(duì)角矩陣[W]=diag(w1,w2,…,w4)對(duì)系統(tǒng)中的[br]進(jìn)行加權(quán)。假定整個(gè)系統(tǒng)是匹配的，若傳輸系統(tǒng)的效率達(dá)到最大，由等式（1）可以得到如下特征值方程

1.3 射頻電路設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)多種工作模式切換，設(shè)計(jì)了一款射頻饋電電路。每個(gè)支路上由移相器、衰減器、滑動(dòng)變阻器等組成，電路原理圖如圖3所示。

射頻饋電電路的實(shí)物如圖4所示，為了有效地避免各支路之間相互干擾，通過(guò)加入功率分配器來(lái)將支路之間的隔離度控制在-25 dB以下。

圖3 射頻電路原理圖

圖4 射頻饋電電路

通過(guò)改變衰減器和移相器所在電路中滑動(dòng)變阻器的阻值，實(shí)現(xiàn)對(duì)衰減器和移相器的電壓控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各支路輸出的幅值和相位的控制，使其能夠輸出滿(mǎn)足不同輻射模式下各端口的最優(yōu)幅值相位分布情況。為了增大輸出電壓的可調(diào)范圍以及保證電壓輸出的穩(wěn)定性，在電路設(shè)計(jì)時(shí)在各支路中都增加了升壓電路和穩(wěn)壓電路。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

多向端射智能陣列天線陣列中單個(gè)偶極子單元的反射系數(shù)的仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看出天線單元的中心頻率在2.45 GHz，天線單元帶寬（反射系數(shù)低于-10 dB）覆蓋2.35～2.65 GHz，達(dá)到300 MHz。

圖5 天線的仿真實(shí)測(cè)S參數(shù)結(jié)果對(duì)比

通過(guò)加權(quán)功率傳輸最優(yōu)化理論優(yōu)化得到的多向端射智能陣列天線各個(gè)天線單元的激勵(lì)分布如表1所示。當(dāng)陣列天線的8個(gè)端口激勵(lì)如表1模式1所示，陣列天線的輻射方向圖如圖6（a）、圖6（b）所示，xoy面所表現(xiàn)出來(lái)的性能是全向性，同時(shí)yoz面也表現(xiàn)出很好的對(duì)稱(chēng)性，天線為全向輻射，全向增益為2.8 dBi，實(shí)測(cè)和仿真吻合較好。

表1 8單元偶極子陣列各端口的幅值相位分布

當(dāng)陣列天線的8單元的激勵(lì)分布如表1模式2、模式3、模式4所示時(shí)，8個(gè)單元的幅值相差不大，這說(shuō)明每個(gè)單元對(duì)陣列總體方向圖的貢獻(xiàn)較為平均。相位方面，每個(gè)單元需滿(mǎn)足的初相均不相同，才能使得疊加后最終的端射方向增益達(dá)到最大。

圖7（a）給出了該陣列天線的仿真與實(shí)測(cè)方向圖，當(dāng)8單元陣列天線的激勵(lì)如表1模式2所示分布時(shí)，陣列天線同時(shí)在水平面φ=0°、90°、180°、270°這4個(gè)方向產(chǎn)生4個(gè)相同的波束，其每個(gè)方向上端射的實(shí)測(cè)增益達(dá)到5.7 dBi，主瓣寬度達(dá)到52°，當(dāng)8單元陣列天線的激勵(lì)如表1模式3分布時(shí)，陣列天線同時(shí)在水平面φ為0°、90°、180°、270°這4個(gè)方向產(chǎn)生端射的實(shí)測(cè)增益分別達(dá)到6.2 dBi、6.2 dBi、6.2 dBi、3.2 dBi，4個(gè)主瓣寬度均達(dá)到50°，當(dāng)陣列天線的輻射模式為模式4時(shí)，陣列天線同時(shí)在水平面φ為0°、90°、180°、270°這4個(gè)方向產(chǎn)生端射的實(shí)測(cè)增益分別達(dá)到4.6 dBi、7.6 dBi、4.6 dBi、4.6 dBi。

圖6 天線全向方向圖的仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比圖

圖7 天線不同輻射模式的仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于加權(quán)功率傳輸最優(yōu)化理論設(shè)計(jì)了一款多向端射智能天線，可通過(guò)改變激勵(lì)分布靈活控制天線的輻射模式。多向端射智能陣列天線能夠在水平面實(shí)現(xiàn)全向輻射，全向增益為2.8 dBi。該陣列天線還可以在水平面φ為0°、90°、180°、270°這4個(gè)方向產(chǎn)生4個(gè)增益可以調(diào)控的波束。當(dāng)4個(gè)波束的功率比可以調(diào)節(jié)為1:1:1:1時(shí)，每個(gè)波束的增益為5.7 dBi；當(dāng)4個(gè)波束的功率比可以調(diào)節(jié)為2:2:2:1時(shí)，每個(gè)波束的增益分別為6.2 dBi、6.2 dBi、6.2 dBi，3.2 dBi。當(dāng)4個(gè)波束的功率比可以調(diào)節(jié)為1:2:1:1時(shí)，每個(gè)波束的增益分別為4.6 dBi、7.6 dBi、4.6 dBi，4.6 dBi。在隧道通信、雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。