寬帶無線Mesh網絡中的多扇區天線陣列設計

雷 昕，郭 琳，韓仲華，徐海川

(中國電子科技集團公司第15研究所，北京 100083)

0 引 言

無線Mesh網絡(wirelss mesh networks)是一種通過無線鏈路構建的高帶寬大容量網狀結構的網絡，用于解決區域的無線覆蓋問題。無線Mesh網絡中的每個節點都具有路由轉發功能，相鄰節點之間都可以互連互通。無線Mesh網多跳的傳輸方式可以提供超視距傳輸，極大的擴展了網絡的傳輸范圍。無線Mesh網絡具有動態自組織、自配置和自修復的特征，可以在任何時刻任何地方構建，不需要現有的基礎網絡設施的支持，形成一個機動的通信網絡。其組網快速、布網靈活、抗毀性強、維護容易、穩定度高，成為下一代無線通信系統的關鍵技術之一。

目前無線Mesh網絡領域中主要研究方向集中于魯棒高效的mac協議及路由協議設計，針對適用于無線Mesh網絡的物理層增強技術研究較少。作為物理層增強技術的主要研究方向之一，天線技術是目前的熱點研究領域?？紤]到無線Mesh網絡的系統特性，采用天線波束動態調整技術可以帶來網絡性能的提升。從全網的角度看，天線波束的指向性可以為系統提供空分復用的特性，從而能夠支持節點之間無干擾多路并行傳輸，提高網絡整體吞吐量；從節點鏈路的角度看，天線定向波束可以提供遠大于全向天線的鏈路增益，從而能夠擴展節點間的傳輸距離并提升節點間的鏈路速率。文獻[1～4]分析了天線定向波束為無線Mesh網絡帶來的系統增益并結合天線定向波束設計了相應的mac協議或路由協議，但其關注的重點仍然是mac協議或路由協議的設計，物理層天線的特性只是作為一種補充因素加以考量。

結合天線波束動態調整概念，提出了一種多扇區天線陣列，每個扇區天線為帶反射板的微帶偶極子陣列天線，工作在5.1～5.9 GHz頻段，其水平主瓣張角為45°，增益為18 dbi。多扇區天線陣列共包括8個扇區，信號在各扇區天線間進行動態切換，從而實現360°水平全向覆蓋。通過采用HFSS三維電磁場仿真工具進行仿真及實際生產樣板并在微波暗室中進行測試，結果表明和傳統無線Mesh網絡所采用的全向天線相比，在滿足全向覆蓋的同時，天線的方向性有了很大的改善。

1 基本理論

典型的微帶偶極子天線單元的結構,如圖1所示，饋電方式為帶有Balun饋電結構的電磁耦合饋電。為了便于分析其性能，對偶極子輻射臂和Balun饋電兩部分分別進行等效分析[5～8]。

圖1 微帶偶極子天線單元

微帶偶極子天線臂，可等效為半徑為De，長度為2Le的對稱振子。其等效對稱振子半徑為

De=0.25(D+t)

(1)

式中，D為微帶偶極子天線臂寬度；t為微帶線厚度。

考慮到微帶偶極子兩個端頭的電容效應，等效對稱振子長度應當修正。修正量為微帶偶極子天線臂寬度的四分之一，等效對稱振子長度為

(2)

式中， 2L為微帶偶極子天線臂長度。

參照對稱振子的輸入阻抗公式可以得到微帶偶極子天線的輸入阻抗公式

(3)

式中，α、β分別為偶極子表面電流的衰減常數和相移常數；w、l分別為偶極子天線臂的長和寬。

由上式可知等效對稱振子的半徑由微帶偶極子天線臂寬度和微帶線厚度決定，而長度則由微帶偶極子天線臂寬度和長度決定。由對稱振子的工作原理可知等效半徑越大，輸入阻抗Zdipole就越??；等效長度越長，諧振頻率就越低。因此，可以通過調節L和D來控制微帶偶極子天線的諧振頻率和輸入阻抗。此外，為了提高微帶偶極子天線單元工作帶寬，可以將天線臂加寬，即增大D。這是一種常用的增加偶極子帶寬的方法，因為在這種情形下可以近似認為偶極子有多條諧振路徑。

微帶Balun的等效輸入阻抗的公式為

Zbalun=jZabtanθab

(4)

式中，θab為微帶Balun的電長度；Zab為偶極子振子兩臂之間開縫出的等效共面波導的特征阻抗。

如果從λ/4開路線末端開始分析，底層的微帶偶極子天線和微帶Balun的等效電路，如圖2所示，則等效輸入阻抗為

(5)

圖2 等效電路

對于實際的天線分析，當把微帶饋線及實際工程常用的50歐的同軸電纜饋線考慮進來，各個部分的耦合效應會使整體輸入阻抗特性和單獨工作時有所不同，因此純理論分析往往比較復雜而且也難以確定精確的設計參數。在實際設計中，一般采用三維電磁場仿真軟件進行輔助設計，然后對天線性能進行實際測量比較后進行微調。

3 多扇區天線陣列設計

在設計和調整微帶偶極子單元的過程中，主要工作是設計其中心頻率和帶寬。帶寬主要由微帶偶極子的寬度決定，而中心頻率主要由微帶偶極子長度決定

(6)

上式當中，分母的2倍來源于半波振子，有效介電常數應小于介質基板的相對介電常數。

圖3 反射面

在設計微帶Balun饋電結構時，應該仔細調整λ/4開路線的長度Ro、縫隙的長度Ls和縫隙的寬度Ws。經反復調整后，得到一組尺寸。此尺寸一經確定，不宜再做更改。特別是在組陣時，天線單元的尺寸中唯有微帶偶極子長度可以變化以調整工作頻帶，微帶Balun的參數不應變化。

反射面的結構如圖3所示。反射面的設計需要考慮以下因素：扇區的數目決定了彎折角度，斜邊長度Lslo影響著E面波束寬度，陣列半徑決定了垂直段長度Lvt。

由于設計的多扇區天線陣列為一個八扇區的波束切換天線，因此每個天線單元的兩個反射板的斜邊延長線的夾角應該是360°/8=45°，斜邊長度Lslo是通過陣列仿真確定的。

單元數目主要從增益的角度出發進行考慮。單個微帶偶極子單元理論上增益大約為2.1 dB，水平面45°波束可以提供360/45=8=9 dB增益，8個偶極子單元可以提供9 dB增益，總共為2.1+9+9=20.1 dB。但是以上估算都是基于陣列間距為半波長，單元等幅同相激勵的假設的?？紤]到介質損耗及一些其他的損耗，實際的天線陣列增益無法達到以上估算值。

天線的垂直面方向圖性能指標主要通過陣列設計來實現，通過調整單元數目與單元間距來滿足指標要求。為了實現高增益的目的，需要增加單元數目及增大單元間距，但會同時導致垂直波瓣寬度變窄。在單元數目已經確定的條件下，需要對單元間距進行優化設計，實現增益與垂直波束寬度之間性能的平衡。

本文設計的采用微帶Balun電磁耦合饋電方式激勵的微帶偶極子陣列天線如圖4和圖5所示。八個微帶偶極子單元組成線陣，通過微帶功分器對偶極子單元進行并饋。反射板采用截止波導型的角形反射器，夾角為45°。工作頻段為5.1～5.9 GHz，采用玻璃纖維陶瓷基材。

圖4 微帶偶極子陣列天線

圖5 微帶線饋電網絡

多扇區天線陣列的俯視圖與側視圖如圖6所示，共有八個微帶偶極子陣列天線和八塊反射板。每個天線控制45°的扇區，通過陣列內部的控制電路來進行波束切換。

圖6 俯視圖與側視圖

4 仿真與測量

采用HFSS三維電磁場仿真平臺對設計的微帶偶極子陣列天線進行仿真與調節，仿真模型和端口駐波比仿真結果分別如圖7和圖8所示，各個頻段下的天線增益與主瓣寬度仿真結果，見表1。

圖7 仿真模型

圖8 端口駐波比(仿真)

表1 天線增益與主瓣寬度(仿真)

從仿真結果可以看到，設計的天線在5.1～5.9 GHz 工作頻段上的增益均大于18 dBi，水平面主瓣寬度均大于45°，端口駐波比小于1.5，滿足設計要求。

為了進一步驗證天線性能，制作了天線陣列樣機并在微波暗室中利用網絡分析儀和天線轉臺進行了端口駐波比、天線增益和主瓣寬度等性能指標測試，樣機實物和端口駐波比實測結果分別如圖9和圖10所示，各個頻段下的天線增益與主瓣寬度實測結果見表2。

圖9 天線陣列樣機

圖10 端口駐波比(實測)

表2 天線增益與主瓣寬度(實測)

從實測結果可以看到，設計的天線在5.1～5.9 GHz 工作頻段上的增益均大于18 dBi，水平面主瓣寬度均大于45°，端口駐波比小于1.7，和仿真結果基本吻合并滿足設計要求。需要說明的是，為了獲得較高增益，垂直面主瓣寬度較窄，但此多扇區天線陣列的設計目的是用于構建遠距離高帶寬通信鏈路，水平方向上遠距離的應用場景可以彌補垂直面主瓣寬度較窄的缺點。通過扇區波束動態切換，實現了水平360°全向覆蓋，和相同尺寸的全向天線相比，增益提高8 dBi左右，通信鏈路預算增益可以提高16 dB左右。

5 結 語

本文提出了一種多扇區天線陣列，每個扇區天線為帶反射板的微帶偶極子陣列天線，工作頻段為5.1～5.9 GHz，其水平主瓣張角為45°，增益為18 dbi。多扇區天線陣列共包括8個扇區，信號在各扇區天線間進行動態切換，從而實現水平360°全向覆蓋。通過采用HFSS三維電磁場仿真工具進行仿真及實際生產并在微波暗室中進行測試，結果表明和傳統無線Mesh網絡所采用的全向天線相比，在滿足全向覆蓋的同時，天線的方向性有了很大的改善。

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