天线阵波束成型模拟器分析与设计VIP免费

2008海峽兩岸三地無線電科技研討會，台北亞東技術學院81天線陣列波束成型模擬器分析與設計彭嘉賢、張道治亞東技術學院通訊技術研發中心摘要本篇論文提出波束成型網路(BFN)的技術方法應用於行動基地台的新技術。將8個相移器置於一組由8個天線單元，組成之天線陣列波束模擬成型器。應用射頻數位步進衰減器設計BFN演算法，分析結果為相移器I與Q相加，和為-270°。根據此結果，使用PCAAD模擬N個I及Q通道，天線掃描時發現I=0θ，將會得到Q為-0θ，並具雙波束功能，可縮短掃描時間及能量使用。關鍵字：行動基地台，射頻數位步進衰減器，相移器，波束成型網路。I.前言本文章進行天線陣列波束成型模擬器分析，設計新型相移器之結構，使用射頻數位步階衰減器製作天線陣列波束成型模擬器(BFN)，替代Bulter矩陣陣列[1]或接通串聯數位開關相移器[2、3]時，BFN可作為相位陣列模擬，或是相位陣列量測系統。BFN的可解析角度是一個方位角(Azimuth)，設計之頻率範圍可依需求設計。天線陣列系統之波束場型測試可應用於『調適性相列天線』、『MIMO系統組合等研究』，透過先期試驗更可促使成本減少，並可過濾不必要的誤差，促使實驗效率提升。一般傳統相移器（圖一）取樣位數為3bit有六個開關，假設每個開關衰減0.5dB則此相移器衰減3dB，當位元數越多其損耗衰減量越大。本文第II部份討論使用射頻數位步進衰減器演算法，設計BFN的系統架構及工作原理，第III部份說明通道之相移器結構分析，第IV部份討論多波束天線陣列應用並舉例說明，第V部份則為研究之結論。II.系統架構及工作原理圖二為BFN示意圖，將8個相移器置於一組由8個天線單元組成的線性陣列，經由功率組合器得到一信號輸出。圖三為N個元件線性陣列示意圖，此描述是討論陣列天線為接收狀態下，一個有N個元件組成的線性陣列天線，元件間距皆為等距離d，其陣列場型(ArrayFactor)會被電磁波的方位角θ所決定。分為以下三總情況討論:討論一:未包括掃瞄天線陣列因子，其電場強度E為N個天線單元輻射場型a(θ)的加總，r為信號來源端到元件之間的距離，如式(1)。(1)討論二:包括掃瞄天線陣列因子其掃描角度為0θ，其總電場強度為(2)由(2)式可得知當輸入有a(θ)、r、λ為波長或是f頻率、天線元件數量N及掃描角度0θ時，輸出可得知其功率及電磁波的方位角θ。討論三:多重路徑掃瞄天線陣列因子其掃描角度為mθ，b為反射係數，其總電場強度為(3){}11sin2sin7sin18()sin11()()1...=()jkrjkdjkdjkdjkrNjkNndneEaeeereaerθθθθθθθ−−−−−=−−==++++∑108()(sinsin)11()()jkrNjkNndneEaerθθθθ−=−−−==∑8()(sinsin)1()mjkrNjkNndmmnmbeEaerθθθ−=−−−+==∑2008海峽兩岸三地無線電科技研討會，台北亞東技術學院82由(3)式可得知當輸入有a(θ)、r、λ為波長或是f頻率、天線元件數量N掃描角度0θ、M、(1b…Mb)、(1mr…Mmr)、(1mθ…Mmθ)時，輸出可得知其功率及電磁波的方位角θ。III.相移器結構圖四為一個新設計的通道相移器示意圖，利用射頻開關操作I/Q通道的情形，與位元數無關。信號由一個1:2的功率分配器，分成I/Q兩通道選擇0度或是反向180度。4個RF開關分別以Fi及Fq表示，1代表0度-1代表180度，行成4個正交訊息點，經由2個數位步階衰減器以ia、qa表示及1個90度的3dB混合耦合器所組成，來決定輸出之信號大小與角度落在第幾象限。當信號進入時，所有的相移器開始交互工作，利用合適的RF開關以及改變功率分配器的2個輸出至數位步進衰減器，其輸出I值如式(4)、Q值如式(5)(4)(5)I的相位為(6)P的相位為(7)下面舉四個例子說明開關與衰減器之間的關係:例一Fi=1、Fq=1、ia=1、qa=1時，由式(6)及式(7)計算出結果135Q135ooI−−的相位角為、的相位角為分別落於第三象限。例二Fi=1、Fq=-1、ia=1、qa=1時，由式(6)及式(7)計算出結果45oI−的相位角為，落於第四象限，Qo的相位角為-225落於第二象限。例三Fi=-1、Fq=1、ia=1、qa=1時，由式(6)及式(7)計算出結果I的相位角為225o−落於第二象限，Q的相位角為-45o落於第四象限。例四Fi=-1、Fq=-1、ia=1、qa=1時，由式(6)及式(7)計算出結果計算出結果I的相位角為45o，Q的相位角為315o−分別落於第一象限。以上...