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预多平顶波束天线阵设计

梁伟

  随着通信技术的快速发展,移动通信业务量的快速增长与有限频谱资源的矛盾日益突出,寻求能够解决该矛盾的方法是当前研究的重点。智能天线由于具有能够显著地提高频谱利用率和系统容量的优异性能,因此智能天线成为当下研究的重点。智能天线有两种方案:准动态预多波束智能天线和全自适应阵列式自动跟踪用户的智能天线。其中,准动态预多波束智能天线的整体性能良好,与全自适应阵列式自动跟踪用户的智能天线相比结构简单,成本较低。目前,在预多波束天线中,由于在每个波束覆盖范围内,辐射强度不均匀,因此用户在WLAN信号覆盖范围内移动过程中,接收到的信号忽大忽小,严重影响了接收效果,因此需要对具有稳定信号接收效果的预多波束智能天线的设计方法进行研究。波束赋形技术就是作用于天线阵每个单元天线的信号预处理技术,其原理是通过改变天线阵的每个阵元的馈电电流幅度和相位来控制天线阵列的波束形状,而且还具有能够明显的提高天线阵的增益、减小副瓣电平、扩大信号的覆盖范围、改善边缘吞吐量和抑制干扰等优点。因此,本文将准动态预多波束天线与波束赋形技术相结合,提出了预多平顶波束天线的解决方案,并对该方案的实现方法进行了较全面的研究并取得了以下主要成果:(1)首先设计了一款微带准八木天线。根据微带准八木天线的工作原理和设计理论,设计一款工作在2.4GHz-2.483GHz频段的微带准八木天线。微带准八木天线作为天线阵的单元天线,将四个准八木天线组成一个4元直线天线阵,得到了更高的增益,并且方便对其进行波束赋形和辐射方向的控制。(2)根据天线波束赋形原理设计一款工作在2.4GHz-2.483GHz频段的平顶波束天线阵,并设计能够实现平顶波束功能的馈电网络。选取伍德沃德-劳森抽样法和傅里叶级数变换法作为波束赋形的综合方法,计算出可以得到平顶波束的馈电电流的幅度和相位。为了预先设置天线波束的辐射方向,需要对天线阵有不同的馈电相位差,所以本设计选取Butler矩阵作为天线阵的馈电网络。Butler矩阵作为一个结构简单、成本低的波束切换装置在通信系统中具有广泛的应用,然而,传统的Butler矩阵馈电网络输出的是等相位差的等幅输出,不能满足平顶波束赋形对输出电流幅度的要求,所以,本文利用威尔金森功率分配器对其进行改进,设计了一款4×4的新型Butler矩阵作为天线阵的馈电网络,其不仅能够在输出端使其输出电流有不同的等相位差输出,而且输出电流幅度具有稳定的幅度加权,这样可以同时实现对天线波束形状和波束指向的控制。(3)设计了一款SP4T(Single-Pole-Four-Throw,单刀四掷)射频开关。选取PIN二极管作为开关电路的控制器件,采用串-并开关阵列结构设计一款工作在2.4GHz-2.483GHz射频开关,并保证射频开关的四个输出端口之间具有良好的隔离度。基于以上设计结果,对微带准八木天线阵、Butler馈电网络和射频开关控制电路进行了加工和测试。结果表明,该天馈系统能够在39°-68°,62°-91°,87°-116°和110°-140°四个波束间实现切换,且在每个波束内,增益变化在3dBi以内,具有平坦的增益方向性图,用户在波束覆盖范围内移动时接收的信号稳定,因此,可以很好地解决当前预多波束智能天线信号不稳定的问题。……   
[关键词]:平顶波束;八木天线;波束赋形;智能天线;Butler矩阵;PIN开关
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:大连海事大学2019年
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