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多波束天线

多波束天线

编者×按?:本文提出了一种用巴特勒移相网络实ml现面?天线阵的方法,这是一÷种固定多波束天线系统。∷天线阵由四个全向天线阵元组成>,其方向性可通过改变馈电相位来控制。本文采用微带结构的4×£4 Butler 矩阵??作为波束合?成网络,其中90度相差的混合接=头用3dB定向耦合器实现,文中给出了该Butler矩阵散射参数㏄的计?算和测量结果。此系统能够提供360 度全方位覆盖,方向解析度为 90∪ 度。这种天?线可﹢用于基站或移∩动台电控天※线,或用于信号到达角的粗略估计。
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摘要:本文提出了一种用巴特勒﹣移㏒相㎝网络实现面天线◎阵的?方法,这@是一种固定多波束天线系统。天线阵由四个全向天线阵元组成,其方向性可通过改变馈电相位1来控制。?本∵文采用微带结构的4×4 Butler 矩阵作为波束合成网?络,其中90度相差的混合接头用3dB定向耦合器实现,文中?给出了该But?ler矩阵散射参数的计算和?测量结果。此系统?能够提供360 度全方位覆盖,方向解析度为 ?90 度。这种天?线可用于基站或移动台电控天线,或用于信号到达角的粗略估计。

本文引用地址≮:http://www.eepw.?com.cn/a?rticle/281897∞.htm

㎎引言

  随着电子信息技术的发?展,无线电测向技术越来越广泛地应用在民用?和军用设施中。无线电测向是依据电磁?波传播特?性,使用无线电测向设备测定电?波来波方向的过程。依据不同的测向原理,可分为如下几种不同的测向体制:(1)幅度比较式测向体制。(2)干涉仪测向体制。(3)到达时间差测向体﹤制。无论?是哪种√测向体制,测向天线都是其核心技?术。

  本文设计了一种工?作中∶心?频率在915M Hz的固定?多波束面天线/阵,此天线阵利用多个窄波№束实现空分,利用低副瓣降低干扰。为了保证4个波束覆盖90度的扇区,需要4个·波束-的主瓣最大值分别在0度、90度、?180度、+270?度方向,且其3dB波瓣宽度?约为6㎡0度3,同时要求各波束主瓣增益不小8dB,副瓣⌒增益不?大于-1dB,相邻波束的交叉电平与最大增益之差不?小于-4dB。本设计在保证一定测向精度的前提下简化了天线≧结?构,降低了安装复杂?度,减少了设备成本,从而极大地提高¢了工程实用性°。

1 平面天线阵

  固定多波束面天?线利用多?个窄波束实现空分,利用低副瓣降低干扰。根据扫?描角度、波束宽度以及增益的要求,?本设=计采用半波振子单元。为了实现此方向图,将四£个λ?/4单极子成正方形排列。如图1?所示。

  假设初相位为0?,天线阵的方向性系数为:

∏式(1)

  在不考虑互耦时,对阵子长度l,阵子直径r,阵子距中心距离a、b ,反射地板直径≒R四个参数进行优化,当地板半径R=150mm,阵子半径r=∽2℃mm,长度l=74mm,阵子距中心距离a=b=62mm±,天线达到最佳′性能。频率915″MHz≠时,?四端口驻波均小于1.65,采用0,90,90,180相位组合馈电可得图2所示方向图,正向最大增?益8.9dB,副瓣最大?增益-1.4dB。

  以上结果是在不考虑互耦的条件下得到的,由于天线?间距?较小,互mol耦不能∷忽略。在考虑互耦的情况下,采?用互阻抗矩阵法计算此时的方向图。经计算当a=b=0.21,λ=6?8.85mm时,天线性能达到最佳。

2 ∧馈电网络

  高定向性天线对于抑制通信系统中?收?发机之间?因为多径传播而造成的信道衰落、?极化失配和其他干扰相当?有效多波束天线,因此∝增强了天线增益。电控相位扫描天线可以在一个控制信号的作用下产生定向波束,实?现这种o天线的一种方案是使用电控移相器;另一种方案≤是预先¥产生一系列波束,然后?在这些波束中选择合适的组合并给予一定权重,这样即可获得理想的天线阵列方向图。

  ?要实现后一?种方案就需要一个波束合成网络,其能够为N个天线单元产生M种波束组合,巴特勒矩阵就是这样一种网络,如图3所示。

  ?根据设计需求:工作频率?915MHz,特性阻抗?50㏑欧姆?,耦合度3§?dB,?介质基板介电常数4﹣.4,厚度2m⊥m,?覆铜厚度0.889mm。

  3dB定向耦合器能够输出两个功率相等、且㈱相位相差90度的信号。按照分支线耦合器的设计方法计算得?到∴:串联臂宽W=257.59mil,长L=17℡2?8.9?76mil;并m联臂宽W=15㎞1.357mil,长L=1665.52?5mil。与3d?B定向耦合器不同,0⊙dB交叉桥的端口2与?端口1完¤全隔离,?没有功率传输,端口1的输入功率完全输出m到端口3,没有衰减。μ按照分支线耦合器的设计方法⊿计算得到:串联臂宽﹢W=?3?.213mm,长L=37.43mm;并?联臂宽W=3.213mm,长*L=56.144mm。

  在各部分设计完成并达到要求后,将3?dB定向耦合器和0dB交叉$桥连接,测量S参数的数据如表1和图4所示。

3 实物测?试℅

? ? ≡首先在没有巴特勒馈电网络的情况下测量天线每个阵%子的驻波,测量?的同时?逐渐减短阵子长度,大约在??74?mm时驻波♂达到最佳。巴特勒∠矩阵?♀在印?制成电路板后焊接上SMA≈接头和?SP4T开关,并在矢量网络分析仪上测量,测量数据如?表2所示。

  由以上数据可知,系统性能较佳。但由于印制电路基板的不均匀,导致电路的正向传输系数比理论值大约有4dB的衰减,不过这并不影响整体性?能。将上表数据输入天线模型,可以实现图5所示方向图,图6为系统实物图。

4 结论

  本文提出一种固定多波束天线的设计方法和性能?仿真,它可用作基站或移动台的天线﹥系统,或用于DOA的粗略估计。这种天线有以下几个特点:

?  (1)在巴特勒移相网络 ?中加入电控单刀四掷开关,使得结构更加简单,控制也更加容易;

  (2)可以实现空间分割,是理想的移动通信用天线平台;

  (∣3)方向解析度可达90度。

  通过详细的仿真数据和测量结果,说明本文的设计方案切实可行,该?系统在移动通信中有良好的应用前景,并∑为全自适?应智?能天线提供重要的硬件设计参考。

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