微帶陣列天線設計方案解析

支持空時分復用的無線Mesh 網(wǎng)絡采用多方向天線陣 列技術，使用多個高增益定向天線進行多方向覆蓋，具備通信距離遠和天線自動掃描與對準的特性，便于快速部署。但現(xiàn)有的多方向天線陣列的設計從擴大通信距離 的角度考慮，側重于提高天線增益，使其垂直主瓣寬度僅為6°，這對于通信距離較近并且節(jié)點之間高程差較大的情況來說，覆蓋性能不夠理想。對多方向天線陣列 的組成單元——微帶陣列天線進行了優(yōu)化設計，提出了一種支持空時分復用無線Mesh 網(wǎng)絡的微帶陣列天線設計，其垂直主瓣寬度可達30°，并對設計的微帶陣列天線進行了性能仿真和實際測試。
　　伴隨機動通信組網(wǎng)應用的快速發(fā)展，如何提升從部署到組網(wǎng)開通的時間效率是一個重要問題，同時需要兼具高帶寬和快速部署這2大任務特性。無線Mesh 網(wǎng)絡非常適于寬帶機動組網(wǎng)應用，特別是基于多方向天線陣列的同步無線Mesh 網(wǎng)絡技術在相同距離下可以實現(xiàn)遠高于普通全向天線的通信速率。另外，每個節(jié)點還能夠實現(xiàn)天線的自動掃描對準，從而節(jié)省了網(wǎng)絡部署時間。
　　當 前多方向天線陣列是針對遠距離組網(wǎng)通信而設計，天線增益較高而垂直主瓣寬度僅為6°，在有些實際部署場合中，節(jié)點部署距離較近，同時節(jié)點之間存在較大的高 度差 ，這使得較窄的垂直主瓣寬度無法較好地實施覆蓋，需要針對這種應用場合進行天線優(yōu)化設計，增大垂直主瓣寬度，提高覆蓋性能。
　　設計了一種垂直主瓣寬度可達30°的微帶陣列天線，可以有效地支持空時分復用無線Mesh 網(wǎng)絡，實現(xiàn)節(jié)點覆蓋垂直空間范圍的大幅提升。
　　1 基本理論
　　微帶偶極子天 線單元的結構是一個帶有巴侖饋電結構的微帶偶極子。印刷偶極子和平衡饋電器復合結構使其精確分析變得十分困難。為了分析其性能，把二者分成微帶偶極子輻射 臂和平衡饋電兩部分處理。輻射臂可以等效為一個對稱振子，單元平衡饋電部分可用同軸電路來等效。微帶偶極子輻射臂，可利用等效半徑的概念，等效為半徑為De，長度為2Le的對稱振子。
　　中心饋電的帶狀振子的等效半徑為：
　　De = 0.25（ D + t） ，
　　式中，D 為帶狀振子的寬度，t 為帶線厚度。
　　振子輻射臂長度2L，考慮到帶狀振子2 個端頭效應，振子的長度應當修正。修正量為振子寬度的1 /4，即：
　　2Le = 2L + D/4，
　　式中，2L 為振子實際幾何長度。求出輻射臂的等效半徑和等效長度后，可以利用海倫方程的矩量法解求出振子的電流分布，輸入阻抗和輻射方向圖。
　　對于巴侖饋電結構，由傳輸線理論，有：
　　
　　式中，Za是將Zin變換為50 Ω 的1 /4 阻抗變換器的特性阻抗; Zb是開路枝節(jié)的特性阻抗; Zab是振子兩臂之間開縫處的等效共面波導的特性阻抗θa 、θb和θab，分別為對應微帶線的電長度。在最初的設計中，一般設θa = θb = θab = 90° 。
　　lb的長度近似等于1 /4 工作波長，開路端口經(jīng)過1 /4 波長的阻抗變換可以等效為短路端口，與另一面的偶極子天線產(chǎn)生耦合以達到饋電的目的。