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對振子，整個結(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周期性輻射元件組成。在5 GHz的端射方向上測得的增益為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。該天線由兩個相同的端射圓極化天線組成。通過相位延遲線連接的兩個緊密間隔的互補(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，因此通過改變?nèi)萜髦幸簯B(tài)金屬的高度來實(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的道路上，對多向無線通信服務(wù)的需求日益增長。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)了同時在水平面多向端射模式，在φ為0°、90°、180°、270°這4個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)的八木天線通過在天線陣的一端增加無源的反射器和引向器來提高天線的性能，在這里將一個環(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

為了在多個目標(biāo)方向同時形成多個波束，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)成一個無線功率傳輸系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 功率傳輸系統(tǒng)

無線功率系統(tǒng)由一個8單元發(fā)射天線和4個偶極子接收天線組成，可以看作一個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HFSS仿真軟件得到。傳輸效率用E表示：

為了使得每個波束增益可調(diào)，引入對角矩陣[W]=diag(w1,w2,…,w4)對系統(tǒng)中的[br]進(jìn)行加權(quán)。假定整個系統(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。每個支路上由移相器、衰減器、滑動變阻器等組成，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，通過加入功率分配器來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

通過改變衰減器和移相器所在電路中滑動變阻器的阻值，實(shí)現(xiàn)對衰減器和移相器的電壓控制，從而實(shí)現(xiàn)對各支路輸出的幅值和相位的控制，使其能夠輸出滿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偶極子單元的反射系數(shù)的仿真和實(shí)測結(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S參數(shù)結(jié)果對比

通過加權(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天線單元的激勵分布如表1所示。當(dāng)陣列天線的8個端口激勵如表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)出來的性能是全向性，同時yoz面也表現(xiàn)出很好的對稱性，天線為全向輻射，全向增益為2.8 dBi，實(shí)測和仿真吻合較好。

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單元的激勵分布如表1模式2、模式3、模式4所示時，8個單元的幅值相差不大，這說明每個單元對陣列總體方向圖的貢獻(xiàn)較為平均。相位方面，每個單元需滿足的初相均不相同，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)測方向圖，當(dāng)8單元陣列天線的激勵如表1模式2所示分布時，陣列天線同時在水平面φ=0°、90°、180°、270°這4個方向產(chǎn)生4個相同的波束，其每個方向上端射的實(shí)測增益達(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如表1模式3分布時，陣列天線同時在水平面φ為0°、90°、180°、270°這4個方向產(chǎn)生端射的實(shí)測增益分別達(dá)到6.2 dBi、6.2 dBi、6.2 dBi、3.2 dBi，4個主瓣寬度均達(dá)到50°，當(dāng)陣列天線的輻射模式為模式4時，陣列天線同時在水平面φ為0°、90°、180°、270°這4個方向產(chǎn)生端射的實(shí)測增益分別達(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)測對比圖

圖7 天線不同輻射模式的仿真與實(shí)測對比圖

3 結(jié)語

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，可通過改變激勵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個方向產(chǎn)生4個增益可以調(diào)控的波束。當(dāng)4個波束的功率比可以調(diào)節(jié)為1:1:1:1時，每個波束的增益為5.7 dBi；當(dāng)4個波束的功率比可以調(diào)節(jié)為2:2:2:1時，每個波束的增益分別為6.2 dBi、6.2 dBi、6.2 dBi，3.2 dBi。當(dāng)4個波束的功率比可以調(diào)節(jié)為1:2:1:1時，每個波束的增益分別為4.6 dBi、7.6 dBi、4.6 dBi，4.6 dBi。在隧道通信、雷達(dá)探測系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。