寬帶無(wú)線通信應(yīng)用中的多束天線設(shè)計(jì)

多束天線以增強(qiáng)的頻譜效率和更高的服務(wù)質(zhì)量提升了無(wú)線通信能力。設(shè)計(jì)這種天線的方法之一涉及空分多址(SDMA)技術(shù)。在有限頻譜內(nèi)無(wú)須任何重要技術(shù)改變，SDMA方法可提供更高的用戶容量。

許多無(wú)線服務(wù)供應(yīng)商采用SDMA技術(shù)對(duì)可用頻譜進(jìn)行優(yōu)化利用，在360deg.覆蓋區(qū)域內(nèi)它一般被限制在三個(gè)區(qū)間。但采用多束天線系統(tǒng)，其覆蓋的區(qū)間可被增加至多達(dá)48個(gè)。因系統(tǒng)的波束成型網(wǎng)絡(luò)可重復(fù)利用可用頻率并降低了干擾，所以，對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)區(qū)域來(lái)說(shuō)，它可服務(wù)更多用戶且具有更好的服務(wù)質(zhì)量。

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

多束系統(tǒng)是基于相控陣天線和Electromagnetic Technologies Industries(ETI, www.etiworld.com)公司開(kāi)發(fā)的Optibeam專有波束成型網(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。

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

在本文討論的系統(tǒng)內(nèi)采用的天線基于組成矩陣的貼片天線。貼片天線以經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的微帶高頻印刷電路技術(shù)為基礎(chǔ)。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(jù)期望的電磁輻射方向，把不同信號(hào)幅值和相位的激勵(lì)饋送至每個(gè)貼片。輻射部件的不同相位會(huì)與天線遠(yuǎn)場(chǎng)結(jié)合以形成窄束。本文所論述的天線被設(shè)計(jì)成線性相控陣天線系統(tǒng)，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(zhǎng)的一半(λ/2)。貼片的中心線被初選為饋送點(diǎn)，但饋送點(diǎn)的實(shí)際準(zhǔn)確位置是由用高頻矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)進(jìn)行的對(duì)輸入反射的測(cè)量結(jié)果實(shí)施經(jīng)驗(yàn)化處理決定的。除饋送點(diǎn)外，為在相關(guān)的頻率范圍內(nèi)獲得小于1.50:1的電壓駐波比(VSWR)，還對(duì)每個(gè)貼片的形狀進(jìn)行了仔細(xì)選擇。為改進(jìn)感興趣頻率范圍內(nèi)的性能，饋送點(diǎn)選得比中心點(diǎn)略高。該貼片天線部件的其它設(shè)計(jì)參數(shù)包括：諧振頻率=3.7GHz;基板高=0.030英寸;基板電介常數(shù)=2.2;貼片天線長(zhǎng)=1.575英寸;貼片天線寬=0.710英寸;饋送點(diǎn)位置略高于貼片中心點(diǎn);極化=垂直。

許多貼片天線都是在單一電介質(zhì)基板上以線性方式對(duì)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。四束天線設(shè)計(jì)需要最少四個(gè)貼片天線部件。采用本建議技術(shù)的四束系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成具有26 dB天線增益、前-后比率高于30dB、副瓣水平20dB(小于主瓣水平)等指標(biāo)。采用商用微波VNA對(duì)一個(gè)四束天線設(shè)計(jì)的性能進(jìn)行了測(cè)量，采用的全掃頻范圍是2.0 到4.5 GHz、結(jié)果顯示在圖1中。天線系統(tǒng)的工作范圍在3.2 到4.2 GHz、VSWR小于1.50:1。

波束成型器設(shè)計(jì)

波束成型器是由無(wú)源微波器件組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。它用于在天線和系統(tǒng)收發(fā)器間提供所需的相位和幅值。波束成型網(wǎng)絡(luò)從天線矩陣形成波束，并采用無(wú)需機(jī)械運(yùn)動(dòng)的電控方式控制波束方向?？赏ㄟ^(guò)采用對(duì)天線元素和相關(guān)電氣元件的時(shí)間或頻率域分析來(lái)設(shè)計(jì)這樣一種電控波束成型網(wǎng)絡(luò)。對(duì)論及的多束天線系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)用于寬帶應(yīng)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(hào)損耗并保持諸如相位和幅值等信號(hào)屬性，一般要將波束成型網(wǎng)絡(luò)緊挨著天線組件放置或?qū)⑵湔线M(jìn)天線組件。在本例中，波束成型器被挨著天線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(zhǎng)度貢獻(xiàn)的插入損耗小于0.5 dB。

在本例中，波束成型器的設(shè)計(jì)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(xiàn)在60deg. 區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生四個(gè)波束的相位要求?？衫猛耆珜?duì)稱的90deg. 混合接合以實(shí)現(xiàn)矢量增加來(lái)生成預(yù)期的相位權(quán)重。借助其與生俱來(lái)的阻抗轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了一個(gè)用于3.4到3.6GHz頻段的四束天線波束成型器。用安捷倫科技的(www.agilent.com)N5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)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(cè)試裝置連接。圖3、圖4和圖5顯示的是基于該設(shè)計(jì)方法的典型八波束波束成型網(wǎng)絡(luò)的結(jié)果。

在3.4到3.6 GHz頻段的開(kāi)放環(huán)境對(duì)多束天線系統(tǒng)的輻射模式進(jìn)行了測(cè)量。采用相位匹配RF電纜連接波束成型器與天線。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(cè)試所用的RF功率是+5dBm，來(lái)自天線和波束成型器的聯(lián)合接收功率的測(cè)量是利用頻譜分析儀在距離200m處進(jìn)行的。接收到信號(hào)的功率在以200m為半徑的圓周每隔1.0 deg.測(cè)量一次，其中把四束天線作為圓周中心。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(duì)制造四束天線系統(tǒng)的分析可以看出，有可能采用六個(gè)這樣的天線系統(tǒng)提供全360deg. 無(wú)線通信覆蓋范圍。多束天線技術(shù)潛在的應(yīng)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通信網(wǎng)絡(luò)的用戶容量和頻譜效率。

諸如本文討論的基于SDMA的多束天線系統(tǒng)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(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)捷明白且借助商用測(cè)試設(shè)備在戶外環(huán)境對(duì)其性能進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)測(cè)結(jié)果與得自MATLAB軟件模擬的結(jié)果吻合得相當(dāng)好。