應用于氣象監測網絡無線傳輸的陣列天線

苗祥斌，王偉健*，姚 雷，王 鵬

(連云港市氣象局，江蘇 連云港222000)

1 引言

準確而及時的氣象信息是進行氣象預測的基礎，也是應對各種突發性氣象事件的前提條件。獲取氣象信息的重要手段之一是智能氣象監測系統，目前我國的智能氣象監測系統基本可以滿足行業的需求，但與國外相比還存在較大的差距，有很大的發展空間。在眾多氣象信息的檢測中，溫濕度監控作為重要的組成部分，關系到工業、農業的生產和人類日常生活中的方方面面[1]-[3]。因此各類環境下的溫濕度進行實時監控顯得越來越重要。由于傳統的有線溫濕度監控存在著受環境限制、維護困難和維修成本較高、功耗較高、布線復雜等諸多缺點，在很多場合都難以符合實際的需求。這就需要一種分布自由、易于維護、能耗低、可監控范圍廣，而且能對溫濕度進行實時監控的無線解決方案[4]。

信息化時代的發展推動了物聯網的建立，也推動了氣象監測網絡的更新換代。物聯網是應用通信技術把傳感器、控制器、機器、人員和物品等通過新的方式聯系在一起，實現信息化、智能化和遠程監控管理的網絡[5，6]。無線傳感器網絡一直是重要的研究領域，現代化的氣象監測網絡是一種由大量自組織型節點組成的無線網絡，主要對環境的溫濕度等各類氣象要素的變化進行實際監控。

目前常見的實現多波束掃描的方法有微波透鏡、拋物面天線和陣列天線等[7-10]，利用超材料表面改變電磁波相位可同時獲得多個波束，但無法靈活變換輻射狀態。如果雙模天線作為收發射天線進行數據的接收與傳輸，通過模式的切換，則可以實現高能量傳輸效率。目前雙模陣列天線的研究主要局限在對不確定的目標的無線傳輸的情況上，現有的全向天線共和定向天線只能一種輻射模式。因此，多種輻射模式的陣列天線技術的研究對現代化氣象監測的發展十分重要。

2 天線陣列設計

2.1 天線結構

印刷偶極子天線常用于線陣和平面陣列中，條帶狀雙臂臂長決定印刷偶極子的工作頻率。由于介質基板的存在，其雙臂臂長與傳統的半波偶極子相比較短。因此，通過選擇不同介電常數的基板，可以達到縮短臂長，進一步實現天線小型化的目的。兩個臂的臂寬影響印刷偶極子的帶寬。印刷偶極子本身帶寬較窄，相對帶寬一般不超過10%，通過適當地增加臂寬會在一定程度上展寬印刷偶極子的帶寬。除此之外，增加基板的厚度也可以實現更寬的匹配帶寬。

為了減小天線尺寸，充分利用基板空間，選擇圓弧形偶極子作為天線單元，八個相同單元均勻分布在圓形基板上，如圖1所示。基板材料為FR4(厚度為1.6mm、介電常數為4.4、損耗角正切為0.02)。通過在基板中心放置圓環反射器，提高天線在多向端射模式下各個方向上的性能。在HFSS仿真軟件中建模并進行優化，得到具體結構參數為：R1=80mm、R2=76mm、R3=44mm、R4=17mm、R5=15mm，圓環和偶極子的寬度設為2mm圓弧偶極子的形狀雖然改變，但是電長度沒有改變，單臂仍約為1/4波長(30.5mm)。

圖1 八單元偶極子天線陣列

2.2 加權功率傳輸最優化方法

為了在多個目標方向同時形成多個波束，在需要產生波束的方向放置與發射天線單元同樣尺寸的接收天線，與所設計的陣列天線一起構成一個無線功率傳輸系統，如圖2所示。

圖2 功率傳輸系統

無線功率系統由一個八單元發射天線和四個偶極子接收天線組成，可以看作一個十二端口網絡，其性能可由散射參數表征[11-14]。散射參數可以通過HFSS仿真軟件得到。傳輸效率用E表示

(1)

為了使得每個波束增益可調，引入對角矩陣[W]=diag(w1，w2，…，w4)對系統中的[br]進行加權。假定整個系統是匹配的，若傳輸系統的效率達到最大，由等式(1)可以得到如下特征值方程[15-17]

[A′][at]=E[at]

(2)

其中

[Srt]為散射子矩陣。方程(2)中的最大特征值，即為傳輸效率E的最大值，此時得到的特征向量[at]就是整個系統傳輸效率最大時發射天線的最佳激勵分布。

2.3 射頻電路設計

為實現多種工作模式切換，設計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。

圖3 射頻電路原理圖

射頻饋電電路的實物如圖4所示，為了有效的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-25dB以下。

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，實現對衰減器和移相器的電壓的控制，從而實現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幅值相位分布情況。為了增大輸出電壓的可調范圍以及保證電壓輸出的穩定性，在電路的設計在各支路中的增加了升壓電路和穩壓電路。

3 實驗結果與分析

天線陣列中單個偶極子單元的反射系數的仿真和實測結果如圖5所示，中心頻率為2.45GHz，天線單元帶寬(反射系數低于-10dB)覆蓋2.35-2.65GHz，達到300MHz。

圖5 天線的仿真實測S參數結果對比圖

通過加權功率傳輸最優化理論優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。當陣列天線工作在Mode1狀態下，天線的八個端口的幅值相位如表1 Mode1所示。天線的方向圖如圖6(a)、(b)所示，xoy面呈現全向性，同時yoz面也呈現了很好的對稱性，天線為全向輻射，全向增益為2.8dBi，實測和仿真吻合較好。

圖6 天線工作在Mode1時方向圖仿真與實測對比

當天線的八個端口的幅值相位如表1 Mode 2所示時。天線的方向圖如圖7(a)所示，陣列天線在水平面φ=0°，90°，180° 和 270°四個方向同時產生四個相同的波束，每個波束上是的增益為5.7dBi，當天線的八個端口的幅值相位如表1 Mode 3所示時，陣列天線在水平面同時產生四個波束如圖7(b)所示，其中在φ=0°，90°，180°三個方向產生三個相同的波束，每個波束的增益為6.3 dBi，在φ=270°產生一個增益為3.3 dBi的波束，比其它三個方向小3 dB。由于陣列天線的對稱性，增益小的波束的方向可以是水平面四個方向中的任意方向。

當給予四個接收天線不同的權值時得到天線的八個端口的幅值相位如表1 Mode 4時，如圖7(c)所示，此時陣列天線在水平面φ=90°，180°，270°三個方向產生三個大小為4.5 dBi的波束，在φ=0°方向上產生一個增益為7.5dBi的波束，比其它三個方向大3dB。同樣由于陣列天線呈現了很好的對稱性，增益大的波束的方向可以是水平面四個方向中的任意方向。當只給一個接收天線賦值時，陣列天線的八個端口的幅值相位如表1 Mode 5所示。此時陣列天線的輻射模式為定向輻射，最大增益為9.7 dBi，如圖7(d)所示。由于陣列天線的對稱性，陣列天線可以在水平面φ=0°，90°，180° 和270°四個方向上任意一個方向形成定向輻射模式。

表1 八單元偶極子陣列各端口的幅值相位分布

圖7 天線工作在Mode2、3、4、5時方向圖仿真與實測對比

4 總結

本文利用加權最大功率傳輸效率法設計了一款多波束雙模掃描陣列天線，可通過改變八個天線單元幅值相位可以靈活控制天線波束的數量和指向以及各個波束之間輻射功率比例。該設計方法同時能保證各個波束增益的最大化，適用于任意復雜環境，任意天線單元和排列構型，能克服傳統陣列天線設計的局限性，有廣闊的應用前景。對現代化氣象監測的發展十分重要。