固定多波束面天線陣的分析與設計

摘要：本文提出了一種用巴特勒移相網絡實現面天線陣的方法，這是一種固定多波束天線系統。天線陣由四個全向天線陣元組成，其方向性可通過改變饋電相位來控制。本文采用微帶結構的4×4 Butler 矩陣作為波束合成網絡，其中90度相差的混合接頭用3dB定向耦合器實現，文中給出了該Butler矩陣散射參數的計算和測量結果。此系統能夠提供360 度全方位覆蓋，方向解析度為 90 度。這種天線可用于基站或移動臺電控天線，或用于信號到達角的粗略估計。

引言

　　隨著電子信息技術的發展，無線電測向技術越來越廣泛地應用在民用和軍用設施中。無線電測向是依據電磁波傳播特性，使用無線電測向設備測定電波來波方向的過程。依據不同的測向原理，可分為如下幾種不同的測向體制：(1)幅度比較式測向體制。(2)干涉儀測向體制。(3)到達時間差測向體制。無論是哪種測向體制，測向天線都是其核心技術。

　　本文設計了一種工作中心頻率在915M Hz的固定多波束面天線陣，此天線陣利用多個窄波束實現空分，利用低副瓣降低干擾。為了保證4個波束覆蓋90度的扇區，需要4個波束的主瓣最大值分別在0度、90度、180度、270度方向，且其3dB波瓣寬度約為60度，同時要求各波束主瓣增益不小8dB，副瓣增益不大于-1dB，相鄰波束的交叉電平與最大增益之差不小于-4dB。本設計在保證一定測向精度的前提下簡化了天線結構，降低了安裝復雜度，減少了設備成本，從而極大地提高了工程實用性。

1 平面天線陣

　　固定多波束面天線利用多個窄波束實現空分，利用低副瓣降低干擾。根據掃描角度、波束寬度以及增益的要求，本設計采用半波振子單元。為了實現此方向圖，將四個λ/4單極子成正方形排列。如圖1所示。

　　假設初相位為0，天線陣的方向性系數為：

式(1)

　　在不考慮互耦時，對陣子長度l，陣子直徑r，陣子距中心距離a、b ，反射地板直徑R四個參數進行優化，當地板半徑R=150mm，陣子半徑r=2mm，長度l=74mm，陣子距中心距離a=b=62mm，天線達到最佳性能。頻率915MHz時，四端口駐波均小于1.65，采用0，90，90，180相位組合饋電可得圖2所示方向圖，正向最大增益8.9dB，副瓣最大增益-1.4dB。

　　以上結果是在不考慮互耦的條件下得到的，由于天線間距較小，互耦不能忽略。在考慮互耦的情況下，采用互阻抗矩陣法計算此時的方向圖。經計算當a=b=0.21，λ=68.85mm時，天線性能達到最佳。

2 饋電網絡

　　高定向性天線對于抑制通信系統中收發機之間因為多徑傳播而造成的信道衰落、極化失配和其他干擾相當有效，因此增強了天線增益。電控相位掃描天線可以在一個控制信號的作用下產生定向波束，實現這種天線的一種方案是使用電控移相器;另一種方案是預先產生一系列波束，然后在這些波束中選擇合適的組合并給予一定權重，這樣即可獲得理想的天線陣列方向圖。

　　要實現后一種方案就需要一個波束合成網絡，其能夠為N個天線單元產生M種波束組合，巴特勒矩陣就是這樣一種網絡，如圖3所示。

　　根據設計需求：工作頻率915MHz，特性阻抗50歐姆，耦合度3dB，介質基板介電常數4.4，厚度2mm，覆銅厚度0.889mm。

　　3dB定向耦合器能夠輸出兩個功率相等、且相位相差90度的信號。按照分支線耦合器的設計方法計算得到：串聯臂寬W=257.59mil，長L=1728.976mil;并聯臂寬W=151.357mil，長L=1665.525mil。與3dB定向耦合器不同，0dB交叉橋的端口2與端口1完全隔離，沒有功率傳輸，端口1的輸入功率完全輸出到端口3，沒有衰減。按照分支線耦合器的設計方法計算得到：串聯臂寬W=3.213mm，長L=37.43mm;并聯臂寬W=3.213mm，長L=56.144mm。

　　在各部分設計完成并達到要求后，將3dB定向耦合器和0dB交叉橋連接，測量S參數的數據如表1和圖4所示。

3 實物測試

　　首先在沒有巴特勒饋電網絡的情況下測量天線每個陣子的駐波，測量的同時逐漸減短陣子長度，大約在74mm時駐波達到最佳。巴特勒矩陣在印制成電路板后焊接上SMA接頭和SP4T開關，并在矢量網絡分析儀上測量，測量數據如表2所示。

　　由以上數據可知，系統性能較佳。但由于印制電路基板的不均勻，導致電路的正向傳輸系數比理論值大約有4dB的衰減，不過這并不影響整體性能。將上表數據輸入天線模型，可以實現圖5所示方向圖，圖6為系統實物圖。

4 結論

　　本文提出一種固定多波束天線的設計方法和性能仿真，它可用作基站或移動臺的天線系統，或用于DOA的粗略估計。這種天線有以下幾個特點:

　　(1)在巴特勒移相網絡中加入電控單刀四擲開關，使得結構更加簡單，控制也更加容易;

　　(2)可以實現空間分割,是理想的移動通信用天線平臺;

　　(3)方向解析度可達90度。

　　通過詳細的仿真數據和測量結果，說明本文的設計方案切實可行，該系統在移動通信中有良好的應用前景，并為全自適應智能天線提供重要的硬件設計參考。

參考文獻：

　　[1]楊煜,馮正和.用改進的巴特勒矩陣實現固定多波束面天線陣[J].微波學報，2000(9)16:238-241

　　[2]高雪.四波束天線的分析與設計[J].電子學報，2003(9):1372-1374

　　[3]劉利軍.淺論無線電測向技術及其應用[J].中國高新技術企業，2009(7):07-08

　　[4]祁超.智能天線在移動通信中的應用[J].技術交流，2009(10):22-24

　　[5]Jean-Sebastian Néron , Gilles-Y. Delisle.Microstrip EHF Butler Matrix Design and Realization[J].ETRI Journal,2005(12)27:788-797

　　[6]M. Uthansakul, P. Uthansakul, N. Sangmanee.LOW PROFILE DOA FINDER AT 2.4GHz[J].MICROWAVE AND OPTICAL TECHNOLOGY LETTERS ,2009[1]51:252-256

　　[7]J. He, B.-Z. Wang, Q.-Q. He.WIDEBAND X-BAND MICROSTRIP BUTLER MATRIX[J].Progress In Electromagnetics Research, PIER 74, 2007:131–140