宽带无线Mesh网络中的多扇区天线阵列设计

雷 昕，郭 琳，韩仲华，徐海川

(中国电子科技集团公司第15研究所，北京 100083)

0 引 言

无线Mesh网络(wirelss mesh networks)是一种通过无线链路构建的高带宽大容量网状结构的网络，用于解决区域的无线覆盖问题。无线Mesh网络中的每个节点都具有路由转发功能，相邻节点之间都可以互连互通。无线Mesh网多跳的传输方式可以提供超视距传输，极大的扩展了网络的传输范围。无线Mesh网络具有动态自组织、自配置和自修复的特征，可以在任何时刻任何地方构建，不需要现有的基础网络设施的支持，形成一个机动的通信网络。其组网快速、布网灵活、抗毁性强、维护容易、稳定度高，成为下一代无线通信系统的关键技术之一。

目前无线Mesh网络领域中主要研究方向集中于鲁棒高效的mac协议及路由协议设计，针对适用于无线Mesh网络的物理层增强技术研究较少。作为物理层增强技术的主要研究方向之一，天线技术是目前的热点研究领域。考虑到无线Mesh网络的系统特性，采用天线波束动态调整技术可以带来网络性能的提升。从全网的角度看，天线波束的指向性可以为系统提供空分复用的特性，从而能够支持节点之间无干扰多路并行传输，提高网络整体吞吐量；从节点链路的角度看，天线定向波束可以提供远大于全向天线的链路增益，从而能够扩展节点间的传输距离并提升节点间的链路速率。文献[1～4]分析了天线定向波束为无线Mesh网络带来的系统增益并结合天线定向波束设计了相应的mac协议或路由协议，但其关注的重点仍然是mac协议或路由协议的设计，物理层天线的特性只是作为一种补充因素加以考量。

结合天线波束动态调整概念，提出了一种多扇区天线阵列，每个扇区天线为带反射板的微带偶极子阵列天线，工作在5.1～5.9 GHz频段，其水平主瓣张角为45°，增益为18 dbi。多扇区天线阵列共包括8个扇区，信号在各扇区天线间进行动态切换，从而实现360°水平全向覆盖。通过采用HFSS三维电磁场仿真工具进行仿真及实际生产样板并在微波暗室中进行测试，结果表明和传统无线Mesh网络所采用的全向天线相比，在满足全向覆盖的同时，天线的方向性有了很大的改善。

1 基本理论

典型的微带偶极子天线单元的结构,如图1所示，馈电方式为带有Balun馈电结构的电磁耦合馈电。为了便于分析其性能，对偶极子辐射臂和Balun馈电两部分分别进行等效分析[5～8]。

图1 微带偶极子天线单元

微带偶极子天线臂，可等效为半径为De，长度为2Le的对称振子。其等效对称振子半径为

De=0.25(D+t)

(1)

式中，D为微带偶极子天线臂宽度；t为微带线厚度。

考虑到微带偶极子两个端头的电容效应，等效对称振子长度应当修正。修正量为微带偶极子天线臂宽度的四分之一，等效对称振子长度为

(2)

式中， 2L为微带偶极子天线臂长度。

参照对称振子的输入阻抗公式可以得到微带偶极子天线的输入阻抗公式

(3)

式中，α、β分别为偶极子表面电流的衰减常数和相移常数；w、l分别为偶极子天线臂的长和宽。

由上式可知等效对称振子的半径由微带偶极子天线臂宽度和微带线厚度决定，而长度则由微带偶极子天线臂宽度和长度决定。由对称振子的工作原理可知等效半径越大，输入阻抗Zdipole就越小；等效长度越长，谐振频率就越低。因此，可以通过调节L和D来控制微带偶极子天线的谐振频率和输入阻抗。此外，为了提高微带偶极子天线单元工作带宽，可以将天线臂加宽，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。

微带Balun的等效输入阻抗的公式为

Zbalun=jZabtanθab

(4)

式中，θab为微带Balun的电长度；Zab为偶极子振子两臂之间开缝出的等效共面波导的特征阻抗。

如果从λ/4开路线末端开始分析，底层的微带偶极子天线和微带Balun的等效电路，如图2所示，则等效输入阻抗为

(5)

图2 等效电路

对于实际的天线分析，当把微带馈线及实际工程常用的50欧的同轴电缆馈线考虑进来，各个部分的耦合效应会使整体输入阻抗特性和单独工作时有所不同，因此纯理论分析往往比较复杂而且也难以确定精确的设计参数。在实际设计中，一般采用三维电磁场仿真软件进行辅助设计，然后对天线性能进行实际测量比较后进行微调。

3 多扇区天线阵列设计

在设计和调整微带偶极子单元的过程中，主要工作是设计其中心频率和带宽。带宽主要由微带偶极子的宽度决定，而中心频率主要由微带偶极子长度决定

(6)

上式当中，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。

图3 反射面

在设计微带Balun馈电结构时，应该仔细调整λ/4开路线的长度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，不宜再做更改。特别是在组阵时，天线单元的尺寸中唯有微带偶极子长度可以变化以调整工作频带，微带Balun的参数不应变化。

反射面的结构如图3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E面波束宽度，阵列半径决定了垂直段长度Lvt。

由于设计的多扇区天线阵列为一个八扇区的波束切换天线，因此每个天线单元的两个反射板的斜边延长线的夹角应该是360°/8=45°，斜边长度Lslo是通过阵列仿真确定的。

单元数目主要从增益的角度出发进行考虑。单个微带偶极子单元理论上增益大约为2.1 dB，水平面45°波束可以提供360/45=8=9 dB增益，8个偶极子单元可以提供9 dB增益，总共为2.1+9+9=20.1 dB。但是以上估算都是基于阵列间距为半波长，单元等幅同相激励的假设的。考虑到介质损耗及一些其他的损耗，实际的天线阵列增益无法达到以上估算值。

天线的垂直面方向图性能指标主要通过阵列设计来实现，通过调整单元数目与单元间距来满足指标要求。为了实现高增益的目的，需要增加单元数目及增大单元间距，但会同时导致垂直波瓣宽度变窄。在单元数目已经确定的条件下，需要对单元间距进行优化设计，实现增益与垂直波束宽度之间性能的平衡。

本文设计的采用微带Balun电磁耦合馈电方式激励的微带偶极子阵列天线如图4和图5所示。八个微带偶极子单元组成线阵，通过微带功分器对偶极子单元进行并馈。反射板采用截止波导型的角形反射器，夹角为45°。工作频段为5.1～5.9 GHz，采用玻璃纤维陶瓷基材。

图4 微带偶极子阵列天线

图5 微带线馈电网络

多扇区天线阵列的俯视图与侧视图如图6所示，共有八个微带偶极子阵列天线和八块反射板。每个天线控制45°的扇区，通过阵列内部的控制电路来进行波束切换。

图6 俯视图与侧视图

4 仿真与测量

采用HFSS三维电磁场仿真平台对设计的微带偶极子阵列天线进行仿真与调节，仿真模型和端口驻波比仿真结果分别如图7和图8所示，各个频段下的天线增益与主瓣宽度仿真结果，见表1。

图7 仿真模型

图8 端口驻波比(仿真)

表1 天线增益与主瓣宽度(仿真)

从仿真结果可以看到，设计的天线在5.1～5.9 GHz 工作频段上的增益均大于18 dBi，水平面主瓣宽度均大于45°，端口驻波比小于1.5，满足设计要求。

为了进一步验证天线性能，制作了天线阵列样机并在微波暗室中利用网络分析仪和天线转台进行了端口驻波比、天线增益和主瓣宽度等性能指标测试，样机实物和端口驻波比实测结果分别如图9和图10所示，各个频段下的天线增益与主瓣宽度实测结果见表2。

图9 天线阵列样机

图10 端口驻波比(实测)

表2 天线增益与主瓣宽度(实测)

从实测结果可以看到，设计的天线在5.1～5.9 GHz 工作频段上的增益均大于18 dBi，水平面主瓣宽度均大于45°，端口驻波比小于1.7，和仿真结果基本吻合并满足设计要求。需要说明的是，为了获得较高增益，垂直面主瓣宽度较窄，但此多扇区天线阵列的设计目的是用于构建远距离高带宽通信链路，水平方向上远距离的应用场景可以弥补垂直面主瓣宽度较窄的缺点。通过扇区波束动态切换，实现了水平360°全向覆盖，和相同尺寸的全向天线相比，增益提高8 dBi左右，通信链路预算增益可以提高16 dB左右。

5 结 语

本文提出了一种多扇区天线阵列，每个扇区天线为带反射板的微带偶极子阵列天线，工作频段为5.1～5.9 GHz，其水平主瓣张角为45°，增益为18 dbi。多扇区天线阵列共包括8个扇区，信号在各扇区天线间进行动态切换，从而实现水平360°全向覆盖。通过采用HFSS三维电磁场仿真工具进行仿真及实际生产并在微波暗室中进行测试，结果表明和传统无线Mesh网络所采用的全向天线相比，在满足全向覆盖的同时，天线的方向性有了很大的改善。

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