宽带无线通信应用中的多束天线设计

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        多束天线以增强的频谱效率和更高的服务质量提升了无线通信能力。设计这种天线的方法之一涉及空分多址(SDMA)技术。在有限频谱内无须任何重要技术改变,SDMA方法可提供更高的用户容量。

        许多无线服务供应商采用SDMA技术对可用频谱进行优化利用,在360deg.覆盖区域内它一般被限制在三个区间。但采用多束天线系统,其覆盖的区间可被增加至多达48个。因系统的波束成型网络可重复利用可用频率并降低了干扰,所以,对无线网络服务区域来说,它可服务更多用户且具有更好的服务质量。

        该系统可在多个方向长距离传输数据、语音和视频信号且不需中继站。这样,就把网络的运营成本降至最低且显著提升了可靠性、质量并增加了用户数。用长距离(高增益)窄束定向天线取代短距离(低增益)全向天线。通常,长距离天线会增加单一方向上的用户数,但不允许其它方向上的用户使用该系统。本文建议的系统通过采用既可同时又可顺序重复利用高增益窄束天线的多束技术解决了该问题,该技术有效实现了全向天线的球面型覆盖范围从而显著增加了各个方向的用户数。采用频率再用技术可进一步增加容量。

        多束系统是基于相控阵天线和Electromagnetic Technologies Industries(ETI, www.etiworld.com)公司开发的Optibeam专有波束成型网络的硬件方案。因该硬件方案不需要软件编程和外接电源,所以很适合恶劣环境使用。

        论及的多束天线系统的主要部件是天线和波束成型网络。天线包含诸如偶极子或贴片(patch)天线等小的天线元素,它们被组合成阵列。波束成型器为全部天线贴片提供所需的信号相位用以在各方向上生成波束。多束天线系统为得到期望的性能,两种要素的设计参数都很关键。

        在本文讨论的系统内采用的天线基于组成矩阵的贴片天线。贴片天线以经过验证的微带高频印刷电路技术为基础。在这样一个矩阵安排中采用贴片部件的优点有:体积小、制造成本低、重量轻、易于安装且可靠性高。根据期望的电磁辐射方向,把不同信号幅值和相位的激励馈送至每个贴片。辐射部件的不同相位会与天线远场结合以形成窄束。本文所论述的天线被设计成线性相控阵天线系统,其中,各贴片间等距并在整个矩阵采用递进相移技术。

        每个贴片的间距被保持为中心频点波长的一半(λ/2)。贴片的中心线被初选为馈送点,但馈送点的实际准确位置是由用高频矢量网络分析仪(VNA)进行的对输入反射的测量结果实施经验化处理决定的。除馈送点外,为在相关的频率范围内获得小于1.50:1的电压驻波比(VSWR),还对每个贴片的形状进行了仔细选择。为改进感兴趣频率范围内的性能,馈送点选得比中心点略高。该贴片天线部件的其它设计参数包括:谐振频率=3.7GHz;基板高=0.030英寸;基板电介常数=2.2;贴片天线长=1.575英寸;贴片天线宽=0.710英寸;馈送点位置略高于贴片中心点;极化=垂直。

        许多贴片天线都是在单一电介质基板上以线性方式对贴片元素进行排列以分别获得15 deg.的方位束宽和7deg.的垂直束宽。四束天线设计需要最少四个贴片天线部件。采用本建议技术的四束系统被设计成具有26 dB天线增益、前-后比率高于30dB、副瓣水平20dB(小于主瓣水平)等指标。采用商用微波VNA对一个四束天线设计的性能进行了测量,采用的全扫频范围是2.0 到4.5 GHz、结果显示在图1中。天线系统的工作范围在3.2 到4.2 GHz、VSWR小于1.50:1。

波束成型器设计

        波束成型器是由无源微波器件组成的复杂网络。它用于在天线和系统收发器间提供所需的相位和幅值。波束成型网络从天线矩阵形成波束,并采用无需机械运动的电控方式控制波束方向。可通过采用对天线元素和相关电气元件的时间或频率域分析来设计这样一种电控波束成型网络。对论及的多束天线系统,在设计用于宽带应用的波束成型网络时采用的是频域分析。

        为最小化RF信号损耗并保持诸如相位和幅值等信号属性,一般要将波束成型网络紧挨着天线组件放置或将其整合进天线组件。在本例中,波束成型器被挨着天线放置并采用相位匹配电缆匹配跨接矩阵的相位(见图2)。这些相位匹配电缆在期望的频带范围提供±1deg.的相位匹配精度。每36英寸电缆长度贡献的插入损耗小于0.5 dB。

        在本例中,波束成型器的设计采用了组合了正交耦合子、微波混合和相移器等技术以实现在60deg. 区间内产生四个波束的相位要求。可利用完全对称的90deg. 混合接合以实现矢量增加来生成预期的相位权重。借助其与生俱来的阻抗转换能力并通过把匹配变换器的使用最少化来减小整个插入损耗,从而可将该混合整合进组件。

        为展示该设计方法,设计了一个用于3.4到3.6GHz频段的四束天线波束成型器。用安捷伦科技的(www.agilent.com)N5230A矢量网络分析仪对其性能进行了测量,N5230A在工作时与同样来自安捷伦的也工作在3.4到3.6GHz范围的U3042A多口测试装置连接。图3、图4和图5显示的是基于该设计方法的典型八波束波束成型网络的结果。

        在3.4到3.6 GHz频段的开放环境对多束天线系统的辐射模式进行了测量。采用相位匹配RF电缆连接波束成型器与天线。波束成型器的输入端口接3.440、3.480、3.520和 3.580 GHz这四个不同的中心频率、每个频道的带宽是7MHz。测试所用的RF功率是+5dBm,来自天线和波束成型器的联合接收功率的测量是利用频谱分析仪在距离200m处进行的。接收到信号的功率在以200m为半径的圆周每隔1.0 deg.测量一次,其中把四束天线作为圆周中心。图7显示了该实际辐射样式。图6也给出了采用MATLAB 软件模拟得到的理论辐射样式。

        基于对制造四束天线系统的分析可以看出,有可能采用六个这样的天线系统提供全360deg. 无线通信覆盖范围。多束天线技术潜在的应用领域是微波接入全球互通(WiMAX)和蜂窝网络。该方法可极大增加此类通信网络的用户容量和频谱效率。

        诸如本文讨论的基于SDMA的多束天线系统通过频率再用可极大增加通信网络的容量和吞吐率。该设计方法简捷明白且借助商用测试设备在户外环境对其性能进行了验证。实测结果与得自MATLAB软件模拟的结果吻合得相当好。

 

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