固定多波束面天线阵的分析与设计

摘要：本文提出了一种用巴特勒移相网络实现面天线阵的方法，这是一种固定多波束天线系统。天线阵由四个全向天线阵元组成，其方向性可通过改变馈电相位来控制。本文采用微带结构的4×4 Butler 矩阵作为波束合成网络，其中90度相差的混合接头用3dB定向耦合器实现，文中给出了该Butler矩阵散射参数的计算和测量结果。此系统能够提供360 度全方位覆盖，方向解析度为 90 度。这种天线可用于基站或移动台电控天线，或用于信号到达角的粗略估计。

引言

　　随着电子信息技术的发展，无线电测向技术越来越广泛地应用在民用和军用设施中。无线电测向是依据电磁波传播特性，使用无线电测向设备测定电波来波方向的过程。依据不同的测向原理，可分为如下几种不同的测向体制：(1)幅度比较式测向体制。(2)干涉仪测向体制。(3)到达时间差测向体制。无论是哪种测向体制，测向天线都是其核心技术。

　　本文设计了一种工作中心频率在915M Hz的固定多波束面天线阵，此天线阵利用多个窄波束实现空分，利用低副瓣降低干扰。为了保证4个波束覆盖90度的扇区，需要4个波束的主瓣最大值分别在0度、90度、180度、270度方向，且其3dB波瓣宽度约为60度，同时要求各波束主瓣增益不小8dB，副瓣增益不大于-1dB，相邻波束的交叉电平与最大增益之差不小于-4dB。本设计在保证一定测向精度的前提下简化了天线结构，降低了安装复杂度，减少了设备成本，从而极大地提高了工程实用性。

1 平面天线阵

　　固定多波束面天线利用多个窄波束实现空分，利用低副瓣降低干扰。根据扫描角度、波束宽度以及增益的要求，本设计采用半波振子单元。为了实现此方向图，将四个λ/4单极子成正方形排列。如图1所示。

　　假设初相位为0，天线阵的方向性系数为：

式(1)

　　在不考虑互耦时，对阵子长度l，阵子直径r，阵子距中心距离a、b ，反射地板直径R四个参数进行优化，当地板半径R=150mm，阵子半径r=2mm，长度l=74mm，阵子距中心距离a=b=62mm，天线达到最佳性能。频率915MHz时，四端口驻波均小于1.65，采用0，90，90，180相位组合馈电可得图2所示方向图，正向最大增益8.9dB，副瓣最大增益-1.4dB。

　　以上结果是在不考虑互耦的条件下得到的，由于天线间距较小，互耦不能忽略。在考虑互耦的情况下，采用互阻抗矩阵法计算此时的方向图。经计算当a=b=0.21，λ=68.85mm时，天线性能达到最佳。

2 馈电网络

　　高定向性天线对于抑制通信系统中收发机之间因为多径传播而造成的信道衰落、极化失配和其他干扰相当有效，因此增强了天线增益。电控相位扫描天线可以在一个控制信号的作用下产生定向波束，实现这种天线的一种方案是使用电控移相器;另一种方案是预先产生一系列波束，然后在这些波束中选择合适的组合并给予一定权重，这样即可获得理想的天线阵列方向图。

　　要实现后一种方案就需要一个波束合成网络，其能够为N个天线单元产生M种波束组合，巴特勒矩阵就是这样一种网络，如图3所示。

　　根据设计需求：工作频率915MHz，特性阻抗50欧姆，耦合度3dB，介质基板介电常数4.4，厚度2mm，覆铜厚度0.889mm。

　　3dB定向耦合器能够输出两个功率相等、且相位相差90度的信号。按照分支线耦合器的设计方法计算得到：串联臂宽W=257.59mil，长L=1728.976mil;并联臂宽W=151.357mil，长L=1665.525mil。与3dB定向耦合器不同，0dB交叉桥的端口2与端口1完全隔离，没有功率传输，端口1的输入功率完全输出到端口3，没有衰减。按照分支线耦合器的设计方法计算得到：串联臂宽W=3.213mm，长L=37.43mm;并联臂宽W=3.213mm，长L=56.144mm。

　　在各部分设计完成并达到要求后，将3dB定向耦合器和0dB交叉桥连接，测量S参数的数据如表1和图4所示。

3 实物测试

　　首先在没有巴特勒馈电网络的情况下测量天线每个阵子的驻波，测量的同时逐渐减短阵子长度，大约在74mm时驻波达到最佳。巴特勒矩阵在印制成电路板后焊接上SMA接头和SP4T开关，并在矢量网络分析仪上测量，测量数据如表2所示。

　　由以上数据可知，系统性能较佳。但由于印制电路基板的不均匀，导致电路的正向传输系数比理论值大约有4dB的衰减，不过这并不影响整体性能。将上表数据输入天线模型，可以实现图5所示方向图，图6为系统实物图。

4 结论

　　本文提出一种固定多波束天线的设计方法和性能仿真，它可用作基站或移动台的天线系统，或用于DOA的粗略估计。这种天线有以下几个特点:

　　(1)在巴特勒移相网络中加入电控单刀四掷开关，使得结构更加简单，控制也更加容易;

　　(2)可以实现空间分割,是理想的移动通信用天线平台;

　　(3)方向解析度可达90度。

　　通过详细的仿真数据和测量结果，说明本文的设计方案切实可行，该系统在移动通信中有良好的应用前景，并为全自适应智能天线提供重要的硬件设计参考。

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