環狀相列天線多模式數位等寬波束成型器設計

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1、環狀相列天線多模式數位等寬波束成型器設計指導老師：馬杰學生：蔡豐宇系所：元智大學通訊工程學系摘要本文分析設計一適用於細胞式行動通訊系統分區功能的環狀相列天線多模式數位等寬波束成型器，包含等寬多波束數位波束成型、目標來向估測與零化處理三個模式。本文將提出線性補償之方法，推導環狀相列天線線性補償之時間延遲與等效線性相列天線之等效間距公式，並以16天線元環狀相列天線為例，模擬三種模式之天線場型，並分析天線場型特性。藉由模擬8、16、32與64天線元環狀相列天線的等寬多波束天線場型，分析天線場型特性，並在

2、不同總天線元數目之環狀相列天線的條件下，選擇滿足條件之子相列天線元數。本文採用之零化處理架構消除干擾，具備低運算量與低電路複雜度之優點。關鍵詞:環狀相列天線,等寬多波束數位波束成型,線性補償,目標來向估測,零化處理前言DivisionMultipleAccess,FDMA)以隨著細胞式(cellular)行動通訊及編碼分工(CodeDivisionMultiple的蓬勃發展與使用者的急速成長，對Access,CDMA)相互結合使用，使得頻譜資源使用效益的要求與日俱頻譜效益與系統容量達到相乘倍增增，

3、如何更為有效地利用現有的頻譜的效果。資源，已受到廣泛的探討，其中最受智慧型天線的基本概念就是天關切地就是在空間分工多重接取線能跟隨環境的變化，隨時將主波束(SpaceDivisionMultipleAccess,(mainbeam)指向期望用戶，採用目標SDMA)的智慧型天線(smartantenna)來向估測干擾源方向[1][2][3]，而將技術研究。SDMA利用空間分工來區旁波束(sidelobe)或零陷(null)指向非分使用者進階行動通訊系統的方期望用戶，使得期望用戶接收的訊號式，它可以和

4、現有行動通訊系統所採功率最大而受到的干擾最小。本文主用的多重進階方式，如時間分工要內容為設計環狀相列天線數位波(TimeDivisionMultipleAccess,束成型器(DigitalBeamformer,TDMA)、頻率分工(Frequency1DBF)，包含等寬多波束數位波束成φ型、目標來向估測與零化處理三個模式。d數位波束成型原理圖一線性相列天線示意圖當一個天線在發射或接收時，整假設每個天線元收到的訊號沒有振個球面所有角度的功率大小都一樣幅變化，只有路徑引起的相位差，而時，稱為全向性(

5、isotropic)天線，全向且天線元之間沒有交互耦合(mutual性天線代表平均輻射強度的情形，其coupling)現象，則天線陣列場型可以方向性定義為1或0dB，是天線方向視為各個天線元所單獨感應場強度性的參考值。天線方向性定義為最大的向量合，它的關係式可表示如下輻射強度與平均輻射強度的比值，天N−1jndβφsinAp()φ=∑Ien(3)線增益(gain)則為方向性乘以一效益n=0因子η，兩者的意義都在描述電磁波其中In為天線元的權值(weighting)向自由空間輻射時，功率集中的程或電

6、流分佈。β=2π/λ為相位傳播常度。假設天線場型為p(θ,φ)，天線方數(phasepropagationconstant)。λ為向性D可表示如下[4]電磁波波長(wavelength)，等於光速p(,)θφ除以頻率。若考量天線陣列掃瞄的情maxD=(1)12ππ∫∫p(,)sinθφθθφdd形，可以令天線元的電流分佈有一致4π00的相位差，即當場型在θ方向為定值時，可化簡為−jnαI=Iep()φn0(4)maxD=(2)12π∫pd()φφ其中α為漸進的相位因子2π0(progressive

7、phasefactor)，代表各天而天線增益G=ηD，η介於0與1之線元間激發的相位差，是天線主波間，代表天線結構本身的損失情形，束空間指向（steering）的參數，由本文設η值為1，天線方向性與增益此可以得到天線陣列指向場型為通用。N−1jn(βdsinφα−)假設有N個天線元的線性相列Ap()φ=∑Ien(5)n=0天線如圖一所示，其中天線元的間距假設天線掃瞄角度為φ，則由(5)式可0為d，遠場訊號源的入射方向與相列以求得天線元間相對的激發相位差天線正向(broadside)之夾角為φ。α為

8、βφdsin。2環狀相列天線線性補償其中M為環狀相列天線總天線元假設16個天線元的環狀相列天線數，N為子相列天線元數。當選定6的天線架構，如圖二所示：個天線元的子相列天線時，其天線元d分組示意圖如圖三所示：子陣列子陣列圖二16天線元等寬多波束環狀相列天線架構o圖三環狀相列天線天線元分組示意圖以16根天線元涵蓋360水平方位，以M=16，N=6為例，如圖四所示，為了要達到波束等寬，不能採用波束中間的兩天線元間距為d，則兩旁的掃瞄指向的方式，因為波束掃瞄後，天線元間距縮短為dcos(/