用於緊湊型天線陣的去耦匹配網絡的製作方法
2023-05-28 04:55:26
專利名稱：用於緊湊型天線陣的去耦匹配網絡的製作方法
技術領域：
本發明涉及無線通信領域，特別是一種去耦匹配網絡刻蝕在天線基板上的天線陣。
背景技術：
新一代的無線通信系統要求天線陣列可容納更高的數據速率，提供更大的容量，並具有穩定強大的信道特性。智能天線和多輸入多輸出(MIMO)天線系統有能カ滿足這些要求。如果空間不受限制，在固定終端安裝多個天線很容易實現。然而，在行動裝置中，平臺的尺寸非常有限，這樣很難將多個天線集成在移動平臺上。這是因為當天線陣元間距變小吋，陣元間的互耦效應變得很強。互耦效應可以造成系統性能的重大衰退，如增益減小、信噪比降低、帶寬減小以及合成遠場方向圖的畸變等。
為了消除或減小互耦效應對緊湊型天線陣的不利影響，學者們提出了許多互耦補償的方法或數學模型。去耦可以通過改變天線的幾何結構或者天線陣的陣列結構來實現。信號處理技術可以使用天線陣的耦合矩陣來消除自適應陣列接收的信號向量的互耦影響。加載缺陷地結構也可以減小陣元間的互耦效應。另外，無源無耗的去耦匹配網絡可以將耦合的天線端ロ轉換成獨立且匹配的端ロ。學界提出了各種去耦匹配網絡的實現方法。例如，ニ元陣列的去耦網絡設計。對於三元天線陣，去耦網絡可以用簡單的電抗元件來設計。但是，實際中通常沒有與計算值所對應的集總電抗元件可以使用。因此，用電抗元件設計的三元陣列的去耦網絡可以通過微帶線和微帶支節來實現。然而，這種微帶去耦匹配網絡比較複雜。雖然對微帶線進行了彎曲設計，但其總體尺寸相比天線陣尺寸顯得過大，使得這種設計難以在較小的終端上應用。另外ー種增強緊湊天線端ロ隔離度的緊湊型網絡結構，去耦網絡結構簡單，只有ー個微帶環形結構。但是此環形結構也使得設計的自由度減小，較難得到即滿足系統性能要求，又具有較小尺寸的設計。
發明內容
本發明的目的就是提供一種用於緊湊型天線陣的去耦匹配網絡，它可以有效的對緊湊型天線陣進行去耦和匹配。本發明的目的是通過這樣的技術方案實現的，它包括有一個刻蝕在天線的基板的下表面上的寬度為I的微帶環，該微帶環由三段半徑為ガ、弧度為e的弧段組成，三段弧段的圓心均位於同一點，還包括有三段寬度為r的微帶線，三段微帶線等間距的貫穿微帶環，並且三段微帶線的延長線穿過弧段的圓心，三段微帶線位於微帶環內的端部與天線陣三個端ロ直接連接，在微帶線上設置有長度為ん、寬度為W0的微帶開路支節，微帶開路支節平行於微帶線的切線，微帶開路支節距離為乙。進ー步，所述去耦匹配網絡的初始參數分配為根據所選擇的基板，包括基板的介電常數、厚度和平面尺寸，在天線的中心工作頻率/計算特徵阻抗為50Q的微帶線的寬度W。
進一步，所述去耦匹配網絡的初始參數分配為微帶環的寬度I根據電路刻蝕設備所能製作的最小寬度進行限制。進一步，所述去耦匹配網絡的初始參數分配為微帶環的半徑的取值大於天線陣的三個埠所組成的圓的半徑。進一步，所述去耦匹配網絡的初始參數分配為微帶開路支節的寬度I的最小取值為電路刻蝕設備所能製作的最小寬度，其長度允的取值在接收無線信號的半個波長以內。進一步，所述去耦匹配網絡的初始參數分配完畢後，對初始參數進行優化，使天線陣與去耦匹配網絡相連接後的新輸入埠在工作頻率上的反射係數兄i和耦合係數兄2都儘可能地小。由於採用了上述技術方案，本發明具有如下的優點
本發明提出的去耦匹配網絡結構簡單緊湊，易實現，能夠有效地對緊湊型天線陣進行去耦和匹配。本發明的其他優點、目標和特徵在某種程度上將在隨後的說明書中進行闡述，並且在某種程度上，基於對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發明的實踐中得到教導。本發明的目標和其他優點可以通過下面的說明書和權利要求書來實現和獲得。
本發明的
如下。圖I為本發明的結構示意 圖2為三元單極子天線陣的S參數隨頻率變化 圖3為去耦匹配後的三元單極子天線陣的S參數隨頻率變化圖。圖中1.微帶環；2.弧段；3.微帶線；4.微帶開路支節。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。用於緊湊型天線陣的去耦匹配網絡，所述去耦匹配網絡包括有一個刻蝕在天線的基板的下表面上的寬度為I的微帶環1，該微帶環I由三段半徑為/P、弧度為e的弧段2組成，三段弧段2的圓心均位於同一點，還包括有三段寬度為r微帶線3，三段微帶線3等間距的貫穿微帶環1，並且三段微帶線3的延長線穿過弧段2的圓心，三段微帶線3位於微帶環I內的端部與天線陣三個埠直接連接，在微帶線3上設置有長度為允、寬度為I的微帶開路支節4，微帶開路支節4平行於微帶線的切線，微帶開路支節4距離為乙。如圖I所示，本發明被刻蝕在天線基板的下表面上。其中每個環段的電長度為β。Θ不一定是120度，這將會提高設計的自由度。微帶線3位於微帶環I內的端部為內部埠，也就是此網絡的輸出埠，微帶線3位於微帶環I之外的端部為外部埠，即經過去耦匹配過的天線陣的新輸入埠。所述去耦匹配網絡的初始參數分配為根據所選擇的基板，包括基板的介電常數、厚度和平面尺寸，在天線的中心工作頻率/計算特徵阻抗為50Ω的微帶線的寬度F。
所述去耦匹配網絡的初始參數分配為微帶環I的寬度I根據電路刻蝕設備所能製作的最小寬度進行限制。所述去耦匹配網絡的初始參數分配為微帶環的半徑的取值大於天線陣的三個埠所組成的圓的半徑。所述去耦匹配網絡的初始參數分配為微帶開路支節4的寬度I的最小取值為電路刻蝕設備所能製作的最小寬度，其長度允的取值在接收無線信號的半個波長以內。所述去耦匹配網絡的初始參數分配完畢後，對初始參數進行優化，使天線陣與去耦匹配網絡相連接後的新輸入埠在工作頻率上的反射係數^11和耦合係數兄2都儘可能地小。實施例
以一個工作在2. 4 GHz的緊湊型三元單極子天線陣為例驗證所提出的去耦匹配網絡的 有效性。該單極子天線陣陣元之間的距離為15 mm，約為O. 12 λ，其中λ為2. 4 GHz處的自由空間波長。每個單極子天線的長度為28. 5 mm，直徑為I mm。這些單極子被固定在一個厚度為I. 6 mm、半徑為50 mm、介電常數為4. 4的圓形FR4基板上。FR4基板的上金屬表面為該單極子陣列的接地面。該單極子陣列通過基板下表面刻蝕的微帶線進行饋電。該天線陣的散射參數仿真結果如圖2所示。由圖可見，在工作頻率2. 4 GHz，該天線陣的反射係數兄i只有-7 dB，而耦合係數兄2將近-8 dB。強烈的互耦效應導致該陣列的埠既相互耦合又不匹配。緊湊型單極子天線陣可以通過圖I中的網絡來進行去耦以及匹配。先將天線陣的S參數導入ADS軟體。在ADS中建立圖I中的去耦匹配網絡結構。然後對該去耦匹配網絡的尺寸參數進行優化，使新輸入埠的反射係數和耦合係數都儘可能地小，以滿足去耦匹配的要求。優化後的網絡尺寸參數值如表I所示。表I網絡結構尺寸參數的優化取值
瓦寸參數I取值 —
W3.08mm
Wr2. 36mm
R15. 35mm
L13.4mm
L016.9mm
W00.4mm
~ |l22.05°
通過表I可以看到，去耦匹配網絡中微帶環的半徑僅比天線陣元的間距略大一些。如此緊湊的去耦匹配網絡設計可以應用於較小的移動終端上。另外值得注意的是，微帶環中三個環段的電長度均為β = 122.05°，大於120°。在去耦匹配網絡的實現中，需要對微帶環段進行彎曲處理以保持其幾何角度為120°。該單極子天線陣經過去耦匹配，其S參數如圖3所示。在工作頻率上，耦合係數S12被降到_25dB，在整個工作頻帶內則保持在-20dB以下。-30 dB的良好匹配也得以在工作頻率上實現。因此，本文所提出的網絡結構設計能夠有效地對緊湊型天線陣同時進行去耦和匹配，使得緊湊型天線陣可以應用於來波測向、波束成形等多天線技術。最後說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的宗旨 和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
權利要求
1.用於緊湊型天線陣的去耦匹配網絡，其特徵在於所述去耦匹配網絡包括有ー個刻蝕在天線的基板的下表面上的寬度為I的微帶環，該微帶環由三段半徑為ガ、弧度為e的弧段組成，三段弧段的圓心均位於同一點，還包括有三段寬度為r的微帶線，三段微帶線等間距的貫穿微帶環，並且三段微帶線的延長線穿過弧段的圓心，三段微帶線位於微帶環內的端部與天線陣三個端ロ直接連接，在微帶線上設置有長度為ん、寬度為I的微帶開路支節，微帶開路支節平行於微帶線的切線，微帶開路支節距離為ん。
2.如權利要求I所述的用於緊湊型天線陣的去耦匹配網絡，其特徵在於，所述去耦匹配網絡的初始參數分配為根據所選擇的基板，包括基板的介電常數、厚度和平面尺寸，在天線的中心工作頻率/計算特徵阻抗為50Q的微帶線的寬度F。
3.如權利要求2所述的用於緊湊型天線陣的去耦匹配網絡，其特徵在於，所述去耦匹配網絡的初始參數分配為微帶環的寬度I根據電路刻蝕設備所能製作的最小寬度進行限制。
4.如權利要求3所述的用於緊湊型天線陣的去耦匹配網絡，其特徵在於，所述去耦匹 配網絡的初始參數分配為微帶環的半徑ガ的取值大於天線陣的三個端ロ所組成的圓的半徑。
5.如權利要求4所述的用於緊湊型天線陣的去耦匹配網絡，其特徵在於，所述去耦匹配網絡的初始參數分配為微帶開路支節的寬度#;的最小取值為電路刻蝕設備所能製作的最小寬度，其長度L0的取值在接收無線信號的半個波長以內。
6.如權利要求5所述的用於緊湊型天線陣的去耦匹配網絡，其特徵在於所述去耦匹配網絡的初始參數分配完畢後，對初始參數進行優化，使天線陣與去耦匹配網絡相連接後的新輸入端ロ在工作頻率上的反射係數兄i和耦合係數兄2都儘可能地小。
全文摘要
用於緊湊型天線陣的去耦匹配網絡，所述去耦匹配網絡包括有一個刻蝕在天線的基板的下表面上的寬度為Wr的微帶環，該微帶環由三段半徑為R、弧度為θ的弧段組成，三段弧段的圓心均位於同一點，還包括有三段寬度為W微帶線，三段微帶線等間距的貫穿微帶環，並且三段微帶線的延長線穿過弧段的圓心，在微帶線上設置有長度為Lo、寬度為Wo的微帶開路支節，微帶開路支節平行於微帶線的切線，微帶開路支節距離為L1。本發明提出的去耦匹配網絡結構簡單緊湊，易實現，能夠有效地對緊湊型天線陣進行去耦和匹配。
文檔編號H01Q1/52GK102856646SQ20121034016
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月14日 優先權日2012年9月14日
發明者於彥濤, 馮文江, 王品, 蔣穎 申請人:重慶大學