微带阵列天线设计：支持空时分复用无线Mesh网络 网络, 无线

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支持空时分复用的无线Mesh 网络采用多方向天线阵 列技术，使用多个高增益定向天线进行多方向覆盖，具备通信距离远和天线自动扫描与对准的特性，便于快速部署。但现有的多方向天线阵列的设计从扩大通信距离 的角度考虑，侧重于提高天线增益，使其垂直主瓣宽度仅为6°，这对于通信距离较近并且节点之间高程差较大的情况来说，覆盖性能不够理想。对多方向天线阵列 的组成单元——微带阵列天线进行了优化设计，提出了一种支持空时分复用无线Mesh 网络的微带阵列天线设计，其垂直主瓣宽度可达30°，并对设计的微带阵列天线进行了性能仿真和实际测试。

伴随机动通信组网应用的快速发展，如何提升从部署到组网开通的时间效率是一个重要问题，同时需要兼具高带宽和快速部署这2大任务特性。无线Mesh 网络非常适于宽带机动组网应用，特别是基于多方向天线阵列的同步无线Mesh 网络技术在相同距离下可以实现远高于普通全向天线的通信速率。另外，每个节点还能够实现天线的自动扫描对准，从而节省了网络部署时间。

当 前多方向天线阵列是针对远距离组网通信而设计，天线增益较高而垂直主瓣宽度仅为6°，在有些实际部署场合中，节点部署距离较近，同时节点之间存在较大的高 度差 ，这使得较窄的垂直主瓣宽度无法较好地实施覆盖，需要针对这种应用场合进行天线优化设计，增大垂直主瓣宽度，提高覆盖性能。

设计了一种垂直主瓣宽度可达30°的微带阵列天线，可以有效地支持空时分复用无线Mesh 网络，实现节点覆盖垂直空间范围的大幅提升。

1 基本理论
微带偶极子天 线单元的结构是一个带有巴仑馈电结构的微带偶极子。印刷偶极子和平衡馈电器复合结构使其精确分析变得十分困难。为了分析其性能，把二者分成微带偶极子辐射 臂和平衡馈电两部分处理。辐射臂可以等效为一个对称振子，单元平衡馈电部分可用同轴电路来等效。微带偶极子辐射臂，可利用等效半径的概念，等效为半径为De，长度为2Le的对称振子。

中心馈电的带状振子的等效半径为:
De = 0.25( D + t) ，
式中，D 为带状振子的宽度，t 为带线厚度。

振子辐射臂长度2L，考虑到带状振子2 个端头效应，振子的长度应当修正。修正量为振子宽度的1 /4，即:
2Le = 2L + D/4，
式中，2L 为振子实际几何长度。求出辐射臂的等效半径和等效长度后，可以利用海伦方程的矩量法解求出振子的电流分布，输入阻抗和辐射方向图。
对于巴仑馈电结构，由传输线理论，有:


式中，Za是将Zin变换为50 Ω 的1 /4 阻抗变换器的特性阻抗; Zb是开路枝节的特性阻抗; Zab是振子两臂之间开缝处的等效共面波导的特性阻抗θa 、θb和θab，分别为对应微带线的电长度。在最初的设计中，一般设θa = θb = θab = 90° 。
lb的长度近似等于1 /4 工作波长，开路端口经过1 /4 波长的阻抗变换可以等效为短路端口，与另一面的偶极子天线产生耦合以达到馈电的目的。2 微带阵列天线设计
为解决单元带宽不够的问题，可以将振子臂加宽，即增大D。这是一种常用的增加偶极子带宽的方法，因为在这种情形下可以近似认为偶极子有多条谐振路径。为了对宽带偶极子进行相应的宽带激励，引入超宽带Vivaldi 天线中常用的馈电结构。开路线采用了扇形终端，巴仑处的缝隙也加宽，其单元带宽可达1 GHz 以上。

由于开路线的终端是扇形的，则Zb和θb不再是点频的函数，其带宽变宽。同时，缝隙变宽后，Zab和θab也不再是点频的函数，带宽也将增加。因此，根据Zin的表达式可知，其带宽也将变宽。在设计和调整微带偶极子的过程中，主要工作是独立地设计其中心频率和带宽。带宽由振子的宽度决定，而中心频率由振子长度决定:

式中，分母的2 倍来源于半 波振子，有效介电常数应小于介质基板的相对介电常数。

欲尽量提高微带巴仑的带宽，应该仔细调整扇形开路终端的半径Ｒo 、缝隙的长度Ls和缝隙的宽度Ws 。经反复调整后，得到一组尺寸。此尺寸一经确定，不适宜再做更改。特别是在组阵时，天线单元的尺寸中唯有振子长度可以变化以调整工作频带，巴仑的参数不应变化。反射面结构如图1 所示。反射面的设计需要考虑以下因素: 扇区的数目决定了弯折角度，斜边长度Lslo影响着垂直面波束宽度，阵列半径决定了垂直段长度Lvt 。


图1 反射面


根据天线阵列理论，幅度分布中均匀分布的增益是最高的，道尔夫－ 切比雪夫分布是波束宽度与旁瓣电平综合考虑的最优分布，二项分布是旁瓣最小的分布。其中，二项分布的分布变化最剧烈，其波束宽度也最宽。由此可见，应该适 当减小边缘分布的幅度。此外，相位分布可以通过简单地改变馈线的长度来改变激励的相位。但无论是改变幅度还是改变相位，都要考虑到增益的下降。

设计的微带阵列天线如图2 所示。

图2 微带阵列天线

3 仿真与测量
采用HFSS 仿真平台对微带阵列天线进行仿真分析，驻波比仿真结果如图3 所示，各频段下的天线增益和主瓣宽度如表1 所示。


图3 驻波比仿真结果


为了验证天线性能，制作了天线样机并进行了驻波比、天线增益和主瓣宽度等性能指标的测试，样机实物如图4 所示，各频段下的天线增益和主瓣宽度如表2 所示。


图4 天线样机


从仿真和实测结果可以看到，设计的微带阵列天线增益均超过11 dB，水平面主瓣宽度超过45°，特别是垂直面主瓣宽度均超过30°，满足设计要求，在保持较高增益的同时，大幅扩展了垂直空间的覆盖范围。

4 结束语
为了提高多方向天线阵列对于通信距离较近、节点之间高程差较大的环境下的覆盖性能，对多方向天线阵列的组成单元——微带阵列天线进行了优化设计，提出了一种 支持空时分复用无线Mesh 网络的微带阵列天线方案，其垂直主瓣宽度可达30°，增益超过11 dB。性能仿真和实测结果表明，优化后的微带阵列天线设计可以使基于多方向天线阵列的无线Mesh 网络节点覆盖垂直空间范围大幅提升。