寬帶無線通信的多束天線設(shè)計(jì)

多束天線以增強(qiáng)的頻譜效率和更高的服務(wù)質(zhì)量提升了無線通信能力。設(shè)計(jì)這種天線的方法之一涉及空分多址(SDMA)技術(shù)。在有限頻譜內(nèi)無須任何重要技術(shù)改變，SDMA方法可提供更高的用戶容量。

　　許多無線服務(wù)供應(yīng)商采用SDMA技術(shù)對(duì)可用頻譜進(jìn)行優(yōu)化利用，在360度覆蓋區(qū)域內(nèi)它一般被限制在三個(gè)區(qū)間。但采用多束天線系統(tǒng)，其覆蓋的區(qū)間可被增加至多達(dá)48個(gè)。因系統(tǒng)的波束成型網(wǎng)絡(luò)可重復(fù)利用可用頻率并降低了干擾，所以，對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)區(qū)域來說，它可服務(wù)更多用戶且具有更好的服務(wù)質(zhì)量。

　　該系統(tǒng)可在多個(gè)方向長(zhǎng)距離傳輸數(shù)據(jù)、語音和視頻信號(hào)且不需中繼站。這樣，就把網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)成本降至最低且顯著提升了可靠性、質(zhì)量并增加了用戶數(shù)。用長(zhǎng)距離(高增益)窄束定向天線取代短距離(低增益)全向天線。通常，長(zhǎng)距離天線會(huì)增加單一方向上的用戶數(shù)，但不允許其它方向上的用戶使用該系統(tǒng)。本文建議的系統(tǒng)通過采用既可同時(shí)又可順序重復(fù)利用高增益窄束天線的多束技術(shù)解決了該問題，該技術(shù)有效實(shí)現(xiàn)了全向天線的球面型覆蓋范圍從而顯著增加了各個(gè)方向的用戶數(shù)。采用頻率再用技術(shù)可進(jìn)一步增加容量。

　　多束系統(tǒng)是基于相控陣天線和ElectromagneTIc Technologies Industries(ETI)公司開發(fā)的Optibeam專有波束成型網(wǎng)絡(luò)的硬件方案。因該硬件方案不需要軟件編程和外接電源，所以很適合惡劣環(huán)境使用。

　　這里討論的多束天線系統(tǒng)的主要部件是天線和波束成型網(wǎng)絡(luò)。天線包含諸如偶極子或貼片(patch)天線等小的天線元素，它們被組合成陣列。波束成型器為全部天線貼片提供所需的信號(hào)相位用以在各方向上生成波束。多束天線系統(tǒng)為得到期望的性能，兩種要素的設(shè)計(jì)參數(shù)都很關(guān)鍵。

　　在本文討論的系統(tǒng)內(nèi)采用的天線基于組成矩陣的貼片天線。貼片天線以經(jīng)過驗(yàn)證的微帶高頻印刷電路技術(shù)為基礎(chǔ)。在這樣一個(gè)矩陣安排中采用貼片部件的優(yōu)點(diǎn)有：體積小、制造成本低、重量輕、易于安裝且可靠性高。根據(jù)期望的電磁輻射方向，把不同信號(hào)幅值和相位的激勵(lì)饋送至每個(gè)貼片。輻射部件的不同相位會(huì)與天線遠(yuǎn)場(chǎng)結(jié)合以形成窄束。本文所論述的天線被設(shè)計(jì)成線性相控陣天線系統(tǒng)，其中，各貼片間等距并在整個(gè)矩陣采用遞進(jìn)相移技術(shù)。

　　每個(gè)貼片的間距被保持為中心頻點(diǎn)波長(zhǎng)的一半(λ/2)。貼片的中心線被初選為饋送點(diǎn)，但饋送點(diǎn)的實(shí)際準(zhǔn)確位置是由用高頻矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)進(jìn)行的對(duì)輸入反射的測(cè)量結(jié)果實(shí)施經(jīng)驗(yàn)化處理決定的。除饋送點(diǎn)外，為在相關(guān)的頻率范圍內(nèi)獲得小于1.50:1的電壓駐波比(VSWR)，還對(duì)每個(gè)貼片的形狀進(jìn)行了仔細(xì)選擇。為改進(jìn)感興趣頻率范圍內(nèi)的性能，饋送點(diǎn)選得比中心點(diǎn)略高。該貼片天線部件的其它設(shè)計(jì)參數(shù)包括：諧振頻率=3.7GHz；基板高=0.030英寸；基板電介常數(shù)=2.2 ；貼片天線長(zhǎng)=1.575英寸；貼片天線寬=0.710英寸；饋送點(diǎn)位置略高于貼片中心點(diǎn)；極化=垂直。

　　許多貼片天線都是在單一電介質(zhì)基板上以線性方式對(duì)貼片元素進(jìn)行排列以分別獲得15度的方位束寬和7度的垂直束寬。四束天線設(shè)計(jì)需要最少四個(gè)貼片天線部件。采用本建議技術(shù)的四束系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成具有26dB天線增益、前-后比率高于30dB、副瓣水平20dB(小于主瓣水平)等指標(biāo)。采用商用微波VNA對(duì)一個(gè)四束天線設(shè)計(jì)的性能進(jìn)行了測(cè)量，采用的全掃頻范圍是2.0 到4.5 GHz、結(jié)果顯示在圖1中。天線系統(tǒng)的工作范圍在3.2 到4.2 GHz、VSWR小于1.50:1。

波束成型器設(shè)計(jì)

　　波束成型器是由無源微波器件組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。它用于在天線和系統(tǒng)收發(fā)器間提供所需的相位和幅值。波束成型網(wǎng)絡(luò)從天線矩陣形成波束，并采用無需機(jī)械運(yùn)動(dòng)的電控方式控制波束方向。可通過采用對(duì)天線元素和相關(guān)電氣元件的時(shí)間或頻率域分析來設(shè)計(jì)這樣一種電控波束成型網(wǎng)絡(luò)。對(duì)論及的多束天線系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)用于寬帶應(yīng)用的波束成型網(wǎng)絡(luò)時(shí)采用的是頻域分析。

　　為最小化RF信號(hào)損耗并保持諸如相位和幅值等信號(hào)屬性，一般要將波束成型網(wǎng)絡(luò)緊挨著天線組件放置或?qū)⑵湔线M(jìn)天線組件。在本例中，波束成型器被挨著天線放置并采用相位匹配電纜匹配跨接矩陣的相位。這些相位匹配電纜在期望的頻帶范圍提供±1度的相位匹配精度。每36英寸電纜長(zhǎng)度貢獻(xiàn)的插入損耗小于0.5 dB。