單極化線形智能天線陣小型化技術(shù)研究

陳 偉，郝宏剛，景小榮，張祖凡，盧化曉

(1.重慶郵電大學(xué)光電工程學(xué)院，重慶 400065;2.重慶郵電大學(xué)移動通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065;3.中國電子科技集團(tuán)公司第54研究所通信網(wǎng)信息傳輸與分發(fā)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081)

智能天線的概念于20世紀(jì)80年代末90年代初提出，來源于陣列天線中的自適應(yīng)天線理論，利用陣列信號處理技術(shù)和相控陣原理，產(chǎn)生高增益的窄波束，使天線的主波束對準(zhǔn)期望信號方向，低增益的副瓣甚至零陷對準(zhǔn)干擾信號方向，從而達(dá)到提高信號干擾噪聲比、提高系統(tǒng)的頻譜復(fù)用率和增加系統(tǒng)容量的目的。智能天線技術(shù)可以為通信系統(tǒng)的性能和容量帶來較大的改善。因此，3G標(biāo)準(zhǔn)均引入了智能天線技術(shù)，尤其是中國提出的3G標(biāo)準(zhǔn)TD-SCDMA更將智能天線技術(shù)作為其核心技術(shù)，并且在TD-SCDMA系統(tǒng)中采用智能天線技術(shù)更具實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢［1］。目前智能天線不僅應(yīng)用于移動通信網(wǎng)絡(luò)，且在數(shù)字電視中也得到了廣泛應(yīng)用，并為提高數(shù)字電視尤其是車載數(shù)字電視的信號接收穩(wěn)定度開辟了蹊徑［2］。

智能天線為了產(chǎn)生高增益的窄波束，必須采用由多個天線單元組成天線陣的形式。這就意味著1個單元間距為0.5 λ(λ 為2 GHz所對應(yīng)自由空間波長，0.5 λ =75 mm)的8單元TD-SCDMA線形智能天線陣，其橫向電尺寸大約在675 mm左右［3-4］。智能天線陣較大的橫向電尺寸給網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和工程施工帶來了諸多問題，因此小型化是智能天線今后發(fā)展的主要趨勢［5］。目前，智能天線小型化技術(shù)方案主要有3種［6］，分別是減少天線陣單元數(shù)、緊湊型智能天線和雙極化智能天線。3種方案都是力求在不降低網(wǎng)絡(luò)性能的同時盡量減小智能天線的橫向電尺寸。其中，緊湊型智能天線陣是通過調(diào)整天線單元間的距離，降低天線陣的橫向電尺寸，該方法簡單，容易實(shí)現(xiàn)。本文根據(jù)文獻(xiàn)［6］提出的智能天線小型化技術(shù)方案，對單元間距為45 mm的緊湊型智能天線陣進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。同時，對天線陣單元非等間距排布的幾種方案的性能進(jìn)行分析，著重研究在實(shí)現(xiàn)天線陣的橫向電尺寸減小的情況下，天線陣的總體性能的變化，為智能天線陣的小型化提供理論依據(jù)。

為了進(jìn)一步考察陣元間距對智能天線陣列性能的影響，該方案利用仿真軟件分別對緊湊型等間距、非等間距線形智能天線陣的性能進(jìn)行了對比，其研究結(jié)論對于推進(jìn)智能天線陣小型化設(shè)計(jì)的工程應(yīng)用具有一定的參考價值。

1 基本原理

智能天線源于陣列天線中的自適應(yīng)天線，它通過調(diào)節(jié)各單元信號的加權(quán)矢量來改變方向圖形狀，使主波束對準(zhǔn)期望信號方向，零陷或副瓣對準(zhǔn)干擾信號方向。一種線形智能天線陣結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 線形智能天線陣結(jié)構(gòu)

假設(shè)由N個相似元組成線形陣，第n個單元沿x軸位于xn，天線陣的方向圖函數(shù)可表示為

式中:Fe(θ，φ)為第n個單元的方向圖。

式(2)為陣因子，In為第n個單元激勵電流。若天線陣為等間距均勻激勵，單元間距為d，電流相位線性漸變，且相鄰兩個單元的相位差為一個固定值?，則激勵電流可表示為

陣因子可表示為

因此可得出天線陣的半功率波瓣寬度為

由式(5)可知，半功率波瓣寬度隨單元間距的減小而增大。當(dāng)天線陣采用非等間距線陣列結(jié)構(gòu)時，依據(jù)參考文獻(xiàn)［7］可知，通過調(diào)整單元的激勵幅度可降低副瓣電平，當(dāng)激勵幅度自中心向兩端錐削時，可使副瓣降低，其代價是主瓣寬度展寬。因此，非等間距線形陣可等效為單元激勵幅度錐削的等間距線形陣，當(dāng)兩者的口徑尺寸相同時，可獲得相似的方向圖。考慮到該研究的重點(diǎn)是橫向電尺寸縮小后天線陣的性能的變化，根據(jù)實(shí)際情況，本文研究的非等間距線形陣的最大間距為0.5 λ。

2 緊縮型線形智能天線陣的設(shè)計(jì)

筆者對單極化智能天線陣進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究，假設(shè)天線陣由8個單元(8通道)線形排布組成，每個單元由8個空氣耦合陣子并聯(lián)組成，每個單元的工作頻段滿足TD頻段要求。

2.1 半波對稱振子和智能天線陣單元的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)對稱振子結(jié)構(gòu)如圖2所示，天線采用厚度為1 mm的鋁板，天線采用50 Ω的空氣微帶線中心耦合饋電，通過調(diào)節(jié)陣臂的長度改變天線的諧振頻率，以調(diào)節(jié)振臂的寬度和饋電片的長度來改善天線的帶寬。通過HFSS10.0仿真優(yōu)化，最后得出振子長70 mm，振子臂寬15 mm，饋電片寬6.45 mm，長61 mm，天線到反射板的距離為35 mm。仿真結(jié)果如圖2～圖4所示。當(dāng)振子的工作頻率為1770 ～2260 MHz時，VSWR ≤1.5，相對帶寬達(dá)到了24.5% ，滿足TD工作頻段(1880～1920 MHz，2010 ～2025 MHz)要求，且天線在2.0 GHz時的增益達(dá)到了8 dB。

采用上述設(shè)計(jì)的8個振子組成1個智能天線陣單元，根據(jù)筆者的仿真經(jīng)驗(yàn)，相鄰的2個振子間隔定為130 mm，通過1個微帶T接頭連接，由于2個相鄰振子的饋電端口朝向不一致，若直接對其進(jìn)行饋電，會造成饋入2個振子的信號反相。因此，通過控制饋線的長度，使其物理長度相差180°的電長度，達(dá)到對2個振子進(jìn)行同相饋電的目的，最后通過3個二等功分器對8個振子進(jìn)行等幅等相位饋電，天線陣單元結(jié)構(gòu)和回波損耗如圖5～6所示。

2.2 緊湊型等間距線形智能天線陣

為了抑制柵瓣，智能天線陣單元間距通常為0.5 λ(75 mm)。緊湊型天線陣壓縮單元之間的間距，這樣可以有效地減小天線陣的橫向電尺寸。但由于間距縮小后單元間的互耦影響加劇，此時天線陣的方向圖不但與不同方向來波在各天線單元上產(chǎn)生波程差相位有關(guān)，而且與各天線單元的阻抗不一致引入的幅度和相位有關(guān)［8］。具體表現(xiàn)為天線單元間的互阻抗增大，導(dǎo)致天線陣方向性系數(shù)減小，賦形增益下降，方向圖主波束展寬。如圖7所示，當(dāng)單元間距縮小為45 mm時，天線陣賦形的增益下降了3 dB，半功率主瓣寬度增加了9°，但天線陣的橫向電尺寸卻減少了31%。

圖7 45 mm，75 mm等間距線形陣xoz面方向圖比較

2.3 緊湊型非等間距線形智能天線陣

研究表明，非均勻線形陣可以明顯地減小天線陣的副瓣電平［9］。非均勻線形陣有兩種方案:一種是均勻激勵非等間距線形陣;另一種是非均勻激勵等間距線形陣。由于第二種方案在實(shí)際應(yīng)用中需要復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)，為了減小智能天線系統(tǒng)的復(fù)雜性，本文選擇第一種方案。設(shè)計(jì)了3種非等間距線形陣，如圖8所示，其中(a)和(b)是基于參考文獻(xiàn)［9］，間距的遞增因子分別為0.2和0.1，最大間距為0.5 λ，而(c)的排列分布可等效為相同口徑的正弦幅度加權(quán)的等間距線形陣，第n個單元位于［10］

式中:L=675 mm，通過計(jì)算，第1個單元到第2個單元以及第7個單元到第8個單元的間距為0.87 λ，這時天線陣會產(chǎn)生2個較大的副瓣;當(dāng)減小到0.5 λ時，2個較大的副瓣消失，因此第1個單元到第2個單元以及第7個單元到第8個單元的間距取0.5 λ。通過仿真可以得出，與間距為75 mm的8單元等間距線形陣相比，采用方案a天線陣最大副瓣電平減小6 dB，半功率主瓣寬度增加3.3°，天線橫向電尺寸減少了20%;采用b方案天線陣最大副瓣電平減小5 dB，半波主瓣寬度增加1.4°，天線橫向電尺寸減少了9.18%;采用c方案天線陣最大副瓣電平減小7 dB，半波主瓣寬度增加2.7°，天線橫向電尺寸減少了15.1%。如圖9所示，副瓣電平的減小是以增加主瓣寬度為代價，且非等間距線形陣的零陷有了不同程度的上升，天線陣賦形增益下降1.2 dB左右。

圖8 3種非等間距線形陣結(jié)構(gòu)

由上文分析可以得出，緊縮型等間距線形陣的賦形增益下降了3 dB，半功率主瓣寬度增加了9°，但天線陣的橫向電尺寸卻減少了31%。緊縮型非等間距線形陣可以使天線陣的第一副瓣電平降低5～7 dB，橫向電尺寸減少9.18% ～20%。

3 結(jié)語

本文首先完成了單極化線形智能天線陣的設(shè)計(jì)，研究了通過縮小單元間距來減小智能天線陣的橫向電尺寸，對緊縮型等間距和非等間距線形智能天線陣進(jìn)行了仿真和分析，得出智能天線陣橫向電尺寸的減小是以降低天線陣性能為代價。這些結(jié)論對于實(shí)際工程應(yīng)用中基站端天線類型的選址，具有一定的參考意義。由于利用HFSS軟件仿真大電尺寸的天線需要耗費(fèi)大量的計(jì)算機(jī)資源，受硬件條件限制，無法對單元間距縮小后天線單元間的隔離度進(jìn)行研究，因此今后將著重研究天線陣單元間距對單元間隔離度的影響。

圖9 等間距線形陣與非等間距線形陣xoz面方向圖比較

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