微带阵列天线设计方案解析

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资料介绍

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：
　　
　　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。