一种多向端射智能阵列天线的优化设计*

苗祥斌，李淏源，曹德煜，姚 雷

（连云港市气象局，江苏 连云港 222000）

0 引言

端射天线由于其独特的端向辐射特性，不仅能够抑制通信中的多径效应，而且可以解决雷达通信的盲区问题[1-2]。端射天线阵列常常被应用于地铁、地下矿井、隧道通信、气象雷达等领域。

八木天线是典型的端射天线[3]。最早的八木天线的组成单元是偶极子，由日本的八木秀次和宇田太郎两人发明。典型的八木天线有3对振子，整个结构呈“王”字形。文献[4]提出了一种宽带微带八木天线，相对带宽为31%，在2.4 GHz的增益大于9 dBi。在文献[5]中，Liu等人提出了一种全金属端射漏波天线结构，其由馈电微带线和几个周期性辐射元件组成。在5 GHz的端射方向上测得的增益为11.61 dBi。在文献[6]中，Zhang等人提出了一种新型的平面端入式圆极化互补天线的工作原理和设计方法。将垂直极化的印刷磁偶极子和水平极化的印刷偶极子结合在同一基板上，从而设计了具有末端激光束平行于其平面的平面圆极化天线，可以用于手持式阅读器。在文献[7]中，Ye等人设计了一款相同方向的圆极化辐射的单层双向天线。该天线由两个相同的端射圆极化天线组成。通过相位延迟线连接的两个紧密间隔的互补偶极子的叠加。文献[8]中提出了一款高增益新型双向堆叠式微带偶极子天线，天线的最大增益为10.29 dBi，可应用于Wlan设备。文献 [9]提出了一款可重构7单元液态金属单极子八木天线。不同于传统的天线设计，该设计在柱状容器中注入液态金属构成单极子，所有容器的直径相同，因此通过改变容器中液态金属的高度来实现天线单元的谐振频率调整。

目前，端射天线的研究大都是单向辐射的研究，极少有人研究双向端射、多向端射。然而在隧道、地铁、地下矿井、走廊和一些特殊建筑物等狭长的道路上，对多向无线通信服务的需求日益增长。本文设计了一款低剖面8单元多向端射智能阵列天线印刷偶极子天线阵列。该阵列天线有多种工作模式，在全向辐射模式下该阵列天线的增益达到2.8 dBi，该设计还实现了同时在水平面多向端射模式，在φ为0°、90°、180°、270°这4个方向上形成的波束增益大小可以根据实际需求任意调控。

1 天线阵列设计

1.1 天线结构

本文选择了8个相同圆弧形偶极子作为阵列天线的单元，天线单元依次分布在圆形基板的4个方向上，如图1所示。选择圆形基板以及圆弧形偶极子可以更加充分地利用介质基板，以便做到小型化。

阵列天线的介质基板材料为FR4，厚度为1.6 mm。传统的八木天线通过在天线阵的一端增加无源的反射器和引向器来提高天线的性能，在这里将一个环形的反射器放置在基板的中间，从而提高天线阵在水平面各个方向的辐射性能。在HFSS仿真软件中建模并进行优化，天线的具体参数为：R1=80 mm、R2=76 mm、R3=44 mm、R4=17 mm、R5=15 mm，圆环和偶极子的宽度设为2 mm，偶极子的形状虽然改变，但是它的性能并没有改变。

图1 八单元偶极子天线阵列

1.2 加权功率传输最优化方法

为了在多个目标方向同时形成多个波束，在需要产生波束的方向放置与发射天线单元同样尺寸的接收天线，与所设计的阵列天线一起构成一个无线功率传输系统，如图2所示。

图2 功率传输系统

无线功率系统由一个8单元发射天线和4个偶极子接收天线组成，可以看作一个12端口网络，其性能可由散射参数表征[10-13]。散射参数可以通过HFSS仿真软件得到。传输效率用E表示：

为了使得每个波束增益可调，引入对角矩阵[W]=diag(w1,w2,…,w4)对系统中的[br]进行加权。假定整个系统是匹配的，若传输系统的效率达到最大，由等式（1）可以得到如下特征值方程

1.3 射频电路设计

为实现多种工作模式切换，设计了一款射频馈电电路。每个支路上由移相器、衰减器、滑动变阻器等组成，电路原理图如图3所示。

射频馈电电路的实物如图4所示，为了有效地避免各支路之间相互干扰，通过加入功率分配器来将支路之间的隔离度控制在-25 dB以下。

图3 射频电路原理图

图4 射频馈电电路

通过改变衰减器和移相器所在电路中滑动变阻器的阻值，实现对衰减器和移相器的电压控制，从而实现对各支路输出的幅值和相位的控制，使其能够输出满足不同辐射模式下各端口的最优幅值相位分布情况。为了增大输出电压的可调范围以及保证电压输出的稳定性，在电路设计时在各支路中都增加了升压电路和稳压电路。

2 实验结果与分析

多向端射智能阵列天线阵列中单个偶极子单元的反射系数的仿真和实测结果如图5所示。从图5中可以看出天线单元的中心频率在2.45 GHz，天线单元带宽（反射系数低于-10 dB）覆盖2.35～2.65 GHz，达到300 MHz。

图5 天线的仿真实测S参数结果对比

通过加权功率传输最优化理论优化得到的多向端射智能阵列天线各个天线单元的激励分布如表1所示。当阵列天线的8个端口激励如表1模式1所示，阵列天线的辐射方向图如图6（a）、图6（b）所示，xoy面所表现出来的性能是全向性，同时yoz面也表现出很好的对称性，天线为全向辐射，全向增益为2.8 dBi，实测和仿真吻合较好。

表1 8单元偶极子阵列各端口的幅值相位分布

当阵列天线的8单元的激励分布如表1模式2、模式3、模式4所示时，8个单元的幅值相差不大，这说明每个单元对阵列总体方向图的贡献较为平均。相位方面，每个单元需满足的初相均不相同，才能使得叠加后最终的端射方向增益达到最大。

图7（a）给出了该阵列天线的仿真与实测方向图，当8单元阵列天线的激励如表1模式2所示分布时，阵列天线同时在水平面φ=0°、90°、180°、270°这4个方向产生4个相同的波束，其每个方向上端射的实测增益达到5.7 dBi，主瓣宽度达到52°，当8单元阵列天线的激励如表1模式3分布时，阵列天线同时在水平面φ为0°、90°、180°、270°这4个方向产生端射的实测增益分别达到6.2 dBi、6.2 dBi、6.2 dBi、3.2 dBi，4个主瓣宽度均达到50°，当阵列天线的辐射模式为模式4时，阵列天线同时在水平面φ为0°、90°、180°、270°这4个方向产生端射的实测增益分别达到4.6 dBi、7.6 dBi、4.6 dBi、4.6 dBi。

图6 天线全向方向图的仿真与实测对比图

图7 天线不同辐射模式的仿真与实测对比图

3 结语

本文基于加权功率传输最优化理论设计了一款多向端射智能天线，可通过改变激励分布灵活控制天线的辐射模式。多向端射智能阵列天线能够在水平面实现全向辐射，全向增益为2.8 dBi。该阵列天线还可以在水平面φ为0°、90°、180°、270°这4个方向产生4个增益可以调控的波束。当4个波束的功率比可以调节为1:1:1:1时，每个波束的增益为5.7 dBi；当4个波束的功率比可以调节为2:2:2:1时，每个波束的增益分别为6.2 dBi、6.2 dBi、6.2 dBi，3.2 dBi。当4个波束的功率比可以调节为1:2:1:1时，每个波束的增益分别为4.6 dBi、7.6 dBi、4.6 dBi，4.6 dBi。在隧道通信、雷达探测系统等领域具有广阔的应用前景。