ETC电调相控阵天线设计参考.doc

ETC电调相控阵天线设计参考1 相控阵理论分析如图所示：A0，A1，A2，A3四个辐射源排列成一条线，组成了一个直线天线阵，阵元之间间隔为d。在远场条件下，辐射信号的等相位面可以近似为平面。辐射源S1辐射信号被天线阵接收，由于S1到各个天线阵元距离相等，所以每个阵元接收辐射信号相位相同；当辐射源位置变换到S2时，辐射源到达各个天线阵元的相对距离发生变化。到达A1、A2和A3的辐射信号分别比到达A0的信号多走了、距离，换算成相位，可以理解成：辐射源发出的信号到达A1，A2和A3，分别比到达A0滞后了，相位。由天线互易原理可知，当A0，A1，A2和A3四个阵元发射信号等相位时，发射信号的主瓣传播方向垂直于天线阵面；当调整每个辐射阵元的输出信号相位，关系符合一定规律时，就可以使得天线主瓣方向发生偏转。在上图中，不改变A0天线的输出信号相位，对A1发射信号进行移相（正向移相，使信号相位滞后），对A2发射信号进行移相，对A3发射信号进行移相。则由A0A3组成的天线阵辐射主瓣方向向上偏移角度；若移相数值不变，符号为负，则辐射方向向下偏移。因此可以得到结论：改变天线各阵元输出信号的相位，可以控制天线波束主瓣的指向。2 设计难度分析用于RSU的电调相控阵天线不同于其它相控阵扫描天线，具有自身的特点： 波束扫描方向固定，只在垂直方向上变化； 波束扫描速度要求不高，非实时扫描，而是长时间固定在一个确知的角度； 扫描范围不大，大概在10以内进行调整。根据以上特点可以看出，应用于RSU的电调相控阵天线在进行波束调整时，只需进行一维相位控制，并且对移相的响应时间没有严格的要求，要求改变的相位不是很大，甚至可能是固定的几个角度。因此，相位控制器的设计难度降低，对移相器的移相范围与步进精度要求都不高。但天线的增益和基本方向性图仍由每个辐射阵元的自身特性与排列方式决定，各个辐射阵元之间的相位、幅度一致性好坏，影响着整个相控阵天线的辐射特性。要保证天线各辐射阵元的幅相一致性，天线方向性图满足国标的要求，尤其天线波束的水平角度主要由辐射阵元天线面设计决定，对于辐射阵元天线面的设计要求较高。3 相控阵天线设计对RSU天线波束的要求：水平角度小于38度，垂直角度小于45度。为防止相邻车道之间信号相互干扰，要求天线的波束水平角度比较窄。天线的主瓣波束角度与该方向的口径大致成反比关系，因此设计天线水平方向比较宽，垂直方向相对较窄，天线呈长方形（如下图）。RSU天线要求波束在垂直方向上一定角度范围内可以调节，但水平方向不必调节。因此只要改变天线垂直面各个阵元间的相对相位关系，就可以实现天线波束在垂直面的调节。为分析方便，下面以接收天线为例对电调相控阵天线进行分析：设计48个阵元的天线阵，水平方向排列8个阵元，共计4排。横向每排阵元组成一个基本阵组，一共可组成4个基本阵元组。每个阵元组的内部连接方式如下图，8个阵元通过合路器（板上设计微带合路器）合成一路。在合成过程中，保证每个阵元到合路器的传输距离相等（确保组内8个阵元的等相位）；阵元组内部结构4个阵元组之间的关系如下图，0号阵元组的馈电相位不改变，1、2、3号阵元组的输入端分别接了一个移相器，对1，2，3号阵元组接收的信号进行一定角度的移相，最后4组信号通过合路器（定制合路器）合成一路，送到接收机。阵元组间结构根据天线互易原理，再对以上相控阵天线进行说明：发射机发出的信号首先经过分路器分成等相位的4路信号，分别送往0，1，2，3号阵元组。送往0号阵元组的信号直接馈入天线；送往1号阵元组，2号阵元组和3号阵元组的信号分别经过了角度为，移相，然后再通过天线发射出去。通过调整，的值，就可以在垂直方向上改变发射天线的波束指向。移相器改变的相位与天线角度之间的关系如下：其中，为相控阵天线相邻阵元组之间的距离，为发射信号波长。下面给出几组典型值：（，）1.41020303.0822.54567.54.13060906.95010015011.0801602404 控制精度分析选用4bit数控移相器，可控状态为2416，移相精度为360/16 = 22.5,天线角度调整步进精度约为3，在地面投影距离改变如下图。天线波束投影远端在地面的移动距离为0.8m，近端的投影移动0.5m。随着天线波束指向与垂线夹角的增大，天线波束在地面的投影距离也会增大。由以上分析可以得出以下结论：5 影响波束控制的因素的影响：d越大，使天线波束转动同样的角度，需要调整的相位量就越大。增大d有利于提高控制精度。移相精度的影响：移相精度主要由移相器的控制位数决定的，移相精度高，单次改变相位量小，就能在微小范围内调整天线波束指向的角度。相位不平衡：由于天线设计的误差，馈入天线的信号到达不同的阵元辐射面的相位有可能会有差别。如果是每个阵元组内部8个阵元之间存在相位差，会影响到天线波束在水平面的分布；若是各个阵元组之间存在相位差，可以在天线初始化时做相位补偿，不影响最终性能。因此天线设计时，尽量保证横向8个阵元的相位一致。幅度不平衡：各个辐射阵元幅度不平衡，会导致天线方向性偏转。采用衰减器可进行调节，但成本较高。尽量在天线设计时保证指标。6 成本分析电调相控阵天线主要由辐射阵元（天线面板），馈线、移相器、控制器、合路器等主要部件组成。主要价格如下：名称型号数量单价备注移相器HMC649（6bit）397.81ea100片