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微带阵列天线设计:支持空时分复用无线Mesh网络

支持空时分复用的无线Mesh 网络采用多方向天线阵列技术,使用多个高增益定向天线进行多方向覆盖,具备通信距离远和天线自动扫描与对准的特性,便于快速部署。但现有的多方向天线阵列的设计从扩大通信距离的角度考虑,侧重于提高天线增益,使其垂直主瓣宽度仅为6°,这对于通信距离较近并且节点之间高程差较大的情况来说,覆盖性能不够理想。对多方向天线阵列的组成单元——微带阵列天线进行了优化设计,提出了一种支持空时分复用无线Mesh 网络的微带阵列天线设计,其垂直主瓣宽度可达30°,并对设计的微带阵列天线进行了性能仿真和实际测试。 伴随机动通信组网应用的快速发展,如何提升从部署到组网开通的时间效率是一个重要问题,同时需要兼具高带宽和快速部署这2大任务特性。无线Mesh 网络非常适于宽带机动组网应用,特别是基于多方向天线阵列的同步无线Mesh 网络技术在相同距离下可以实现远高于普通全向天线的通信速率。另外,每个节点还能够实现天线的自动扫描对准,从而节省了网络部署时间。 当前多方向天线阵列是针对远距离组网通信而设计,天线增益较高而垂直主瓣宽度仅为6°,在有些实际部署场合中,节点部署距离较近,同时节点之间存在较大的高度差 ,这使得较窄的垂直主瓣宽度无法较好地实施覆盖,需要针对这种应用场合进行天线优化设计,增大垂直主瓣宽度,提高覆盖性能。 设计了一种垂直主瓣宽度可达30°的微带阵列天线,可以有效地支持空时分复用无线Mesh 网络,实现节点覆盖垂直空间范围的大幅提升。 1 基本理论 微带偶极子天线单元的结构是一个带有巴仑馈电结构的微带偶极子。印刷偶极子和平衡馈电器复合结构使其精确分析变得十分困难。为了分析其性能,把二者分成微带偶极子辐射臂和平衡馈电两部分处理。辐射臂可以等效为一个对称振子,单元平衡馈电部分可用同轴电路来等效。微带偶极子辐射臂,可利用等效半径的概念,等效为半径为De,长度为2Le的对称振子。 中心馈电的带状振子的等效半径为: De = 0.25( D + t) , 式中,D 为带状振子的宽度,t 为带线厚度。 振子辐射臂长度2L,考虑到带状振子2 个端头效应,振子的长度应当修正。修正量为振子宽度的1 /4,即: 2Le = 2L + D/4, 式中,2L 为振子实际几何长度。求出辐射臂的等效半径和等效长度后,可以利用海伦方程的矩量法解求出振子的电流分布,输入阻抗和辐射方向图。 对于巴仑馈电结构,由传输线理论,有:

微带阵列天线

式中,Za是将Zin变换为50 Ω 的1 /4 阻抗变换器的特性阻抗; Zb是开路枝节的特性阻抗; Zab是振子两臂之间开缝处的等效共面波导的特性阻抗θa 、θb和θab,分别为对应微带线的电长度。在最初的设计中,一般设θa = θb = θab = 90° 。 lb的长度近似等于1 /4 工作波长,开路端口经过1 /4 波长的阻抗变换可以等效为短路端口,与另一面的偶极子天线产生耦合以达到馈电的目的。 【分页导航】

2 微带阵列天线设计 为解决单元带宽不够的问题,可以将振子臂加宽,即增大D。这是一种常用的增加偶极子带宽的方法,因为在这种情形下可以近似认为偶极子有多条谐振路径。 为了对宽带偶极子进行相应的宽带激励,引入超宽带Vivaldi 天线中常用的馈电结构。开路线采用了扇形终端,巴仑处的缝隙也加宽,其单元带宽可达1 GHz 以上。 由于开路线的终端是扇形的,则Zb和θb不再是点频的函数,其带宽变宽。同时,缝隙变宽后,Zab和θab也不再是点频的函数,带宽也将增加。因此,根据Zin的表达式可知,其带宽也将变宽。 在设计和调整微带偶极子的过程中,主要工作是独立地设计其中心频率和带宽。带宽由振子的宽度决定,而中心频率由振子长度决定:

微带阵列天线

式中,分母的2 倍来源于半 波振子,有效介电常数应小于介质基板的相对介电常数。 欲尽量提高微带巴仑的带宽,应该仔细调整扇形开路终端的半径Ro 、缝隙的长度Ls和缝隙的宽度Ws 。经反复调整后,得到一组尺寸。此尺寸一经确定,不适宜再做更改。特别是在组阵时,天线单元的尺寸中唯有振子长度可以变化以调整工作频带,巴仑的参数不应变化。 反射面结构如图1 所示。反射面的设计需要考虑以下因素: 扇区的数目决定了弯折角度,斜边长度Lslo影响着垂直面波束宽度,阵列半径决定了垂直段长度Lvt 。

微带阵列天线*
图1 反射面

由于多方向天线阵列包括8 个扇区,因此每个天线单元的2 个反射板的斜边延长线的夹角应该是360° /8 = 45° ,则斜边和反射板垂直边的夹角为112. 5° 。斜边长度Lslo是通过阵列仿真确定的。 天线的垂直面方向图性能指标主要通过阵列设计来实现,通过调整单元个数与单元间距来满足指标要求。为了实现高增益的目的,需要增加单元数目,但同时波瓣宽度变窄并且天线架设的难度增大。当单元数N = 5 时,垂直面方向图半功率波瓣宽度过窄,因此选择单元数目N = 4。随着单元间距的增大,方向图副瓣增多,并且波瓣宽度变窄,因此,单元间距选择0. 5 λ ~ 0. 6 λ 较为合适。 方向性与单元间距的关系可以通过有效口径来体现,因为方向性D 和有效口径Ae满足以下关系: D = 4π(Ae/λ2) 由于设计目标是垂直面波束为30° 的阵列,因此方向性D 应取比较小才对。由上式可知,有效口径Ae也应取小。必须在一定数量的单元前提下研究如何减小有效口径。然而,随着单元个数的增加,有效口径会随之增大。可见,有效口径和增益存在一定的矛盾。为解决此问题,可以采用的手段有: ① 尽量减少单元间距,从物理角度缩短有效口径;② 对称地降低阵列两侧单元的激励幅度,使阵列的幅度呈现某种最优分布,从而从电的角度缩短有效口径; ③ 对称地改变阵列单元的激励相位,从电的角度缩短有效口径; ④ 保持原有的4 个阵列单元不变,在两侧对称地增加寄生单元,调节其加载电抗,使得寄生单元的相位与有源单元反向,从电的角度缩短有效口径。 单元数目主要从增益的角度出发考虑。一个偶极子理论上的增益大约是2. 1 dB,水平面的45°波束可以提供360 /45 = 8 = 9 dB 的增益,垂直面的2个单元可以提供3 dB 增益,加起来一共是14. 1 dB。但是以上估算都是基于阵列间距为半波长,单元等幅同相激励的假设。实际的阵列要通过缩短有效口径的方法来扩展垂直面波束,因此增益无法达到以上估算值。再考虑到一些其他的损耗,最终增益可能低于10 dB。综合考虑,最好取4 个单元。 为了提高垂直面波束宽度,减小方向性,阵列间距应尽可能小。但是由于偶极子本身的长度,间距不可能无限制地减小,并且如果单元之间距离很近,互耦也会对阵列的带宽造成恶化。考虑到介质基板对偶极子长度的缩短作用,阵列间距取0. 4 λ ~ 0. 5λ 比较好。 根据天线阵列理论,幅度分布中均匀分布的增益是最高的,道尔夫- 切比雪夫分布是波束宽度与旁瓣电平综合考虑的最优分布,二项分布是旁瓣最小的分布。其中,二项分布的分布变化最剧烈,其波束宽度也最宽。由此可见,应该适当减小边缘分布的幅度。此外,相位分布可以通过简单地改变馈线的长度来改变激励的相位。但无论是改变幅度还是改变相位,都要考虑到增益的下降。 设计的微带阵列天线如图2 所示。

微带阵列天线*
图2 微带阵列天线

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3 仿真与测量 采用HFSS 仿真平台对微带阵列天线进行仿真分析,驻波比仿真结果如图3 所示,各频段下的天线增益和主瓣宽度如表1 所示。

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图3 驻波比仿真结果

微带阵列天线

为了验证天线性能,制作了天线样机并进行了驻波比、天线增益和主瓣宽度等性能指标的测试,样机实物如图4 所示,各频段下的天线增益和主瓣宽度如表2 所示。

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图4 天线样机

表2 天线增益和主瓣宽度仿真结果

从仿真和实测结果可以看到,设计的微带阵列天线增益均超过11 dB,水平面主瓣宽度超过45°,特别是垂直面主瓣宽度均超过30°,满足设计要求,在保持较高增益的同时,大幅扩展了垂直空间的覆盖范围。 4 结束语 为了提高多方向天线阵列对于通信距离较近、节点之间高程差较大的环境下的覆盖性能,对多方向天线阵列的组成单元——微带阵列天线进行了优化设计,提出了一种支持空时分复用无线Mesh 网络的微带阵列天线方案,其垂直主瓣宽度可达30°,增益超过11 dB。性能仿真和实测结果表明,优化后的微带阵列天线设计可以使基于多方向天线阵列的无线Mesh 网络节点覆盖垂直空间范围大幅提升。

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