天线阵列车载应用——第1章 介绍 1.2节 天线阵列:从简单配置到高级设计

1.2 天线阵列:从简单配置到高级设计

       该阵列可分为具有固定定向波束的天线或具有电(或机械)操纵波束的天线。具有固定波束指向的系统是定向天线最简单的配置，它提供更高(与全向设计相比)的增益和更低的旁瓣电平。更复杂的结构是定向天线，它在要求的角度扇区内提供窄的转向波束，并向噪声源方向自适应消零。在噪声环境下，这些阵列能够适应动态变化的通信量、通信拥塞或无线电波传播特性的退化。当然，这种天线阵列的设计并不像固定波束阵列那样简单，因为它包括一个特殊的电子控制系统来提供所需的波束转向。

1.2.1 固定波束定向阵列

        当前，不同的固定波束天线阵列用于基站和安装在移动汽车上的电子设备之间的无线连接。固定波束定向微带阵列的典型概念如图1.5a-e所示。图1.5a为共同(平行)波束形成的线性阵列，图1.5b和图1.5c为平行馈电网络的平面2*2和4*4阵列。图1.5d为采用串联馈电网络的线性阵列，图1.5e为采用串并联网络设计的平面阵列。需要注意的是，将单个阵元组合到阵列中需要适当的匹配，以在阵列输出处提供最小的反射。例如，两个单独的贴片，每个贴片的输出阻抗为50欧姆，如果每个贴片都连接一个阻抗为71欧姆的四分之一波微带变压器，则可以组合在一起。这种变压器线路将50欧姆转换成100欧姆。因此，当两个输出阻抗为100欧姆的元件与并联馈电网络组成双阵元阵列时，天线输出阻抗为50欧姆。微带线的阻抗由线宽决定。例如，印刷在FR4介电材料(介电常数为4.6，厚度为1.6 mm)上的微带线，在50欧姆阻抗时宽度w = 3mm，在71欧姆阻抗时宽度w = 1.57 mm，在100欧姆阻抗时宽度w = 0.65 mm。图1.5f显示了形成不同偏振类型的贴片单元的示例:线性和圆形。

        图1.5 固定波束定向天线阵拓扑结构: (a)、(b)、(c)并联馈电;(d)串联馈电;(e)并联/串联联合馈电;(f)线极化和圆极化贴片天线元件设计

1.2.2 具有简单(开/关)电子可切换阵元的阵列

        图1.6a所示为开/关电子可切换可操纵阵列的典型示例。天线由一个射频出口中心阵元[35-37]和几个圆形安装的寄生阵元组成。每个寄生阵元通过一个开关连接到接地面，该开关有两种状态:当相应的寄生阵元连接到地时为“ON”，当阵元不活动(与地断开)时为“OFF”。通过使用开关时间为几纳秒的引脚二极管开关将几个寄生阵元连接到地面，可以提供辐射图案形状的重新配置。

        带有Butler矩阵的天线阵列提供辐射方向图的控制。Butler矩阵是波束形成网络的一种。图1.6b所示的具有Butler矩阵馈电网络的线性阵列，如果每个输出阵列端口与自己的接收器/发射器连接，则生成多波束设计，或者生成具有单个接收器/发射器和电子可控开关的转向系统，该开关依次将每个输出端口与单个接收器/发射器连接。根据N个输入中的哪一个被访问，天线波束在一个平面上被引导到一个特定的方向。巴特勒矩阵在发射和接收模式下都能很好地工作，这是由于混合电路和固定移相器易于实现。具有Butler矩阵电路和ON/OFF可切换系统的阵列比固定阵列更复杂，但仍然比具有电控移相器和复杂自适应阵列的相控阵更容易实现。

图1.6 (a)开/关电子可切换阵列示例;(b)Butler矩阵阵列概念

1.2.3 单输出接收器的电控相控天线阵列

        这些装置[38]广泛用于国防工业，然而，它们在民用和商业应用中越来越受欢迎。具有电子可控元件的波束形成网络如图1.7a-d所示。图1.7a是常用的电控移相器馈电网络框图。每个天线阵列阵元的移相器都有专门的电气控制电路(例如，引脚二极管电路)，可以改变接收信号的相位。根据预定的转向角θ0，计算机计算每个阵列阵元的相位，使波束(最大接收)在某一角度位置。相位控制模块将计算出的相位转换为电信号，这些控制信号改变移相器的“状态”，在给定的角度方向上校准最大能量。图1.7b展示了带有两位数字引脚二极管移相器的四元阵列的原型示例。通常，相控阵中使用的移相器是数字移相器。这意味着实际的移相器只能实现一个离散的相态数，例如，一个两位移相器在360°内实现四个相态，离散值为90°。当使用少量的阵列阵元和两位或三位(不是更多)移相器时，这样的系统不是很复杂。

        图1.7c所示空间馈电阵列由馈电天线如喇叭、阵列阵元、相位控制模块和计算机组成。在发射模式下，馈电喇叭辐射位于馈电侧的阵列阵元。照射波通过天线单元通道，经过相移，通过阵列右侧v形符号表示的天线单元辐射到空间(图1.7d)。能量接收则相反:阵列右侧的单元从源处捕获能量，移相器移相，阵列左侧的天线单元聚焦并将能量辐射到馈线。移相器将球形辐射波转换成平面波，并提供前面讨论过的主波束转向。通常，(来自馈电天线的)馈电增益方向图被调整以达到整个天线系统所需的副瓣电平。为了在整个天线的增益和副瓣电平之间获得良好的权衡，喇叭的馈电方向图必须在阵列边缘提供低于峰值10到20 dB的幅度电平。这种设计不需要微带馈线，因此，与其他系统相比，减少了损耗。图1.7d所示的具有几个馈电阵元的类似阵列，如果单个接收器与其中一个馈电阵元连接，则提供多波束模式操作或切换状态。

        图1.7 电子可控阵列波束形成网络: (a)带移相器的阵列方框图;(b)带有贴片阵元和引脚二极管移相器的四元阵列;(c)空间馈电阵列;(d)多波束空间馈电阵列

1.2.4 自适应天线阵列

       自适应天线是最智能的天线系统。阵列的每个天线单元[39,40]都与自适应更新的权值(图1.8a)相关联，从而使阵列在特定观照方向上的增益最大化，而对干扰信号的增益最小化。换句话说，权重系数动态地改变接收方向图，以适应信道噪声和干扰的变化，从而提高期望信号的信噪比。自适应天线系统的直观操作可以从图1.8b中得到，其中权重系数Wm (m = 1,2…M, M =总阵元数)被调整以接收期望的用户信号并抑制噪声源。暗波束方向图用于与左边的用户通信，而亮波束用于与右边的用户通信。可以看到，在另一个用户的方向上，每个模式都有零点。随着用户移动，波束方向图不断更新，适应朝向期望源的最大信号，在干扰信号方向上形成零点。与切换波束方法不同，自适应系统能够连续区分信号和干扰，同时保持增强的载波干扰比水平。传统的移动系统通常采用某种天线分集(例如，空间、极化或角度分集)。这些天线在多径传播条件下提供最佳性能;然而，它们是复杂的结构，并且需要特殊的硬件来调节每个阵列单元的幅度和相位。自适应系统可以设计成模拟设备或带有数字波束形成处理器，如图1.8c所示。每个天线元件都有一个接收器和模数转换器(ADC)。数字化信号在数字波束形成器(DBF)中进行处理，以创建提供所需参数的数字辐射方向图。数字信号处理可以实现自适应多用户波束形成，这是一种在模拟射频(RF)域中没有等效处理的处理类型。因此，在多址系统中，智能天线可以与抗干扰多用户接收机相结合。采用高分辨率技术的数字信号处理器在估计输入信号源的角度方向时显著提高了角度分辨率。

        图1.8 自适应阵列方框图: (a)模拟自适应加权;(b)与移动车辆通信的概念;(c)数字波束形成(数字处理器产生自适应控制)