CN102856646A

CN102856646A - 用于紧凑型天线阵的去耦匹配网络

Info

Publication number: CN102856646A
Application number: CN2012103401654A
Authority: CN
Inventors: 于彦涛; 冯文江; 王品; 蒋颖
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2012-09-14
Filing date: 2012-09-14
Publication date: 2013-01-02
Anticipated expiration: 2032-09-14
Also published as: CN102856646B

Abstract

用于紧凑型天线阵的去耦匹配网络，所述去耦匹配网络包括有一个刻蚀在天线的基板的下表面上的宽度为W _r的微带环，该微带环由三段半径为R、弧度为θ的弧段组成，三段弧段的圆心均位于同一点，还包括有三段宽度为W微带线，三段微带线等间距的贯穿微带环，并且三段微带线的延长线穿过弧段的圆心，在微带线上设置有长度为L _o、宽度为W _o的微带开路支节，微带开路支节平行于微带线的切线，微带开路支节距离为L ₁。本发明提出的去耦匹配网络结构简单紧凑，易实现，能够有效地对紧凑型天线阵进行去耦和匹配。

Description

用于紧凑型天线阵的去耦匹配网络

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别是一种去耦匹配网络刻蚀在天线基板上的天线阵。

背景技术

新一代的无线通信系统要求天线阵列可容纳更高的数据速率，提供更大的容量，并具有稳定强大的信道特性。智能天线和多输入多输出（MIMO）天线系统有能力满足这些要求。如果空间不受限制，在固定终端安装多个天线很容易实现。然而，在移动设备中，平台的尺寸非常有限，这样很难将多个天线集成在移动平台上。这是因为当天线阵元间距变小时，阵元间的互耦效应变得很强。互耦效应可以造成系统性能的重大衰退，如增益减小、信噪比降低、带宽减小以及合成远场方向图的畸变等。

为了消除或减小互耦效应对紧凑型天线阵的不利影响，学者们提出了许多互耦补偿的方法或数学模型。去耦可以通过改变天线的几何结构或者天线阵的阵列结构来实现。信号处理技术可以使用天线阵的耦合矩阵来消除自适应阵列接收的信号向量的互耦影响。加载缺陷地结构也可以减小阵元间的互耦效应。另外，无源无耗的去耦匹配网络可以将耦合的天线端口转换成独立且匹配的端口。学界提出了各种去耦匹配网络的实现方法。例如，二元阵列的去耦网络设计。对于三元天线阵，去耦网络可以用简单的电抗元件来设计。但是，实际中通常没有与计算值所对应的集总电抗元件可以使用。因此，用电抗元件设计的三元阵列的去耦网络可以通过微带线和微带支节来实现。然而，这种微带去耦匹配网络比较复杂。虽然对微带线进行了弯曲设计，但其总体尺寸相比天线阵尺寸显得过大，使得这种设计难以在较小的终端上应用。另外一种增强紧凑天线端口隔离度的紧凑型网络结构，去耦网络结构简单，只有一个微带环形结构。但是此环形结构也使得设计的自由度减小，较难得到即满足系统性能要求，又具有较小尺寸的设计。

发明内容

本发明的目的就是提供一种用于紧凑型天线阵的去耦匹配网络，它可以有效的对紧凑型天线阵进行去耦和匹配。

本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，它包括有一个刻蚀在天线的基板的下表面上的宽度为W _r的微带环，该微带环由三段半径为R、弧度为θ的弧段组成，三段弧段的圆心均位于同一点，还包括有三段宽度为W的微带线，三段微带线等间距的贯穿微带环，并且三段微带线的延长线穿过弧段的圆心，三段微带线位于微带环内的端部与天线阵三个端口直接连接，在微带线上设置有长度为L _o、宽度为W _o的微带开路支节，微带开路支节平行于微带线的切线，微带开路支节距离为L ₁。

进一步，所述去耦匹配网络的初始参数分配为：根据所选择的基板，包括基板的介电常数、厚度和平面尺寸，在天线的中心工作频率f计算特征阻抗为50Ω的微带线的宽度W。

进一步，所述去耦匹配网络的初始参数分配为：微带环的宽度W _r根据电路刻蚀设备所能制作的最小宽度进行限制。

进一步，所述去耦匹配网络的初始参数分配为：微带环的半径R的取值大于天线阵的三个端口所组成的圆的半径。

进一步，所述去耦匹配网络的初始参数分配为：微带开路支节的宽度W _o的最小取值为电路刻蚀设备所能制作的最小宽度，其长度L _o的取值在接收无线信号的半个波长以内。

进一步，所述去耦匹配网络的初始参数分配完毕后，对初始参数进行优化，使天线阵与去耦匹配网络相连接后的新输入端口在工作频率上的反射系数S ₁₁和耦合系数S ₁₂都尽可能地小。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

本发明提出的去耦匹配网络结构简单紧凑，易实现，能够有效地对紧凑型天线阵进行去耦和匹配。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

本发明的附图说明如下。

图1为本发明的结构示意图；

图2为三元单极子天线阵的S参数随频率变化图；

图3为去耦匹配后的三元单极子天线阵的S参数随频率变化图。

图中：1. 微带环；2. 弧段；3. 微带线；4. 微带开路支节。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

用于紧凑型天线阵的去耦匹配网络，所述去耦匹配网络包括有一个刻蚀在天线的基板的下表面上的宽度为W _r的微带环1，该微带环1由三段半径为R、弧度为θ的弧段2组成，三段弧段2的圆心均位于同一点，还包括有三段宽度为W微带线3，三段微带线3等间距的贯穿微带环1，并且三段微带线3的延长线穿过弧段2的圆心，三段微带线3位于微带环1内的端部与天线阵三个端口直接连接，在微带线3上设置有长度为L _o、宽度为W _o的微带开路支节4，微带开路支节4平行于微带线的切线，微带开路支节4距离为L ₁。

如图1所示，本发明被刻蚀在天线基板的下表面上。其中每个环段的电长度为θ。θ不一定是120度，这将会提高设计的自由度。微带线3位于微带环1内的端部为内部端口，也就是此网络的输出端口，微带线3位于微带环1之外的端部为外部端口，即经过去耦匹配过的天线阵的新输入端口。

所述去耦匹配网络的初始参数分配为：根据所选择的基板，包括基板的介电常数、厚度和平面尺寸，在天线的中心工作频率f计算特征阻抗为50Ω的微带线的宽度W。

所述去耦匹配网络的初始参数分配为：微带环1的宽度W _r根据电路刻蚀设备所能制作的最小宽度进行限制。

所述去耦匹配网络的初始参数分配为：微带环的半径R的取值大于天线阵的三个端口所组成的圆的半径。

所述去耦匹配网络的初始参数分配为：微带开路支节4的宽度W _o的最小取值为电路刻蚀设备所能制作的最小宽度，其长度L _o的取值在接收无线信号的半个波长以内。

所述去耦匹配网络的初始参数分配完毕后，对初始参数进行优化，使天线阵与去耦匹配网络相连接后的新输入端口在工作频率上的反射系数S ₁₁和耦合系数S ₁₂都尽可能地小。

实施例：

以一个工作在2.4 GHz的紧凑型三元单极子天线阵为例验证所提出的去耦匹配网络的有效性。该单极子天线阵阵元之间的距离为15 mm，约为0.12λ，其中λ为2.4 GHz处的自由空间波长。每个单极子天线的长度为28.5 mm，直径为1 mm。这些单极子被固定在一个厚度为1.6 mm、半径为50 mm、介电常数为4.4的圆形FR4基板上。FR4基板的上金属表面为该单极子阵列的接地面。该单极子阵列通过基板下表面刻蚀的微带线进行馈电。该天线阵的散射参数仿真结果如图2所示。由图可见，在工作频率2.4 GHz，该天线阵的反射系数S ₁₁只有-7 dB，而耦合系数S ₁₂将近-8 dB。强烈的互耦效应导致该阵列的端口既相互耦合又不匹配。

紧凑型单极子天线阵可以通过图1中的网络来进行去耦以及匹配。先将天线阵的S参数导入ADS软件。在ADS中建立图1中的去耦匹配网络结构。然后对该去耦匹配网络的尺寸参数进行优化，使新输入端口的反射系数和耦合系数都尽可能地小，以满足去耦匹配的要求。优化后的网络尺寸参数值如表1所示。

表1 网络结构尺寸参数的优化取值

尺寸参数	取值
		W	3.08 mm
W _r	2.36 mm
		R	15.35 mm
L ₁	3.4 mm
		L _o	16.9 mm
W _o	0.4 mm
		θ	122.05°

通过表1可以看到，去耦匹配网络中微带环的半径仅比天线阵元的间距略大一些。如此紧凑的去耦匹配网络设计可以应用于较小的移动终端上。另外值得注意的是，微带环中三个环段的电长度均为θ = 122.05°，大于120°。在去耦匹配网络的实现中，需要对微带环段进行弯曲处理以保持其几何角度为120°。该单极子天线阵经过去耦匹配，其S参数如图3所示。在工作频率上，耦合系数S12被降到-25dB，在整个工作频带内则保持在-20 dB以下。-30 dB的良好匹配也得以在工作频率上实现。因此，本文所提出的网络结构设计能够有效地对紧凑型天线阵同时进行去耦和匹配，使得紧凑型天线阵可以应用于来波测向、波束成形等多天线技术。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1. 用于紧凑型天线阵的去耦匹配网络，其特征在于：所述去耦匹配网络包括有一个刻蚀在天线的基板的下表面上的宽度为W _r的微带环，该微带环由三段半径为R、弧度为θ的弧段组成，三段弧段的圆心均位于同一点，还包括有三段宽度为W的微带线，三段微带线等间距的贯穿微带环，并且三段微带线的延长线穿过弧段的圆心，三段微带线位于微带环内的端部与天线阵三个端口直接连接，在微带线上设置有长度为L _o、宽度为W _o的微带开路支节，微带开路支节平行于微带线的切线，微带开路支节距离为L ₁。

2. 如权利要求1所述的用于紧凑型天线阵的去耦匹配网络，其特征在于，所述去耦匹配网络的初始参数分配为：根据所选择的基板，包括基板的介电常数、厚度和平面尺寸，在天线的中心工作频率f计算特征阻抗为50Ω的微带线的宽度W。

3. 如权利要求2所述的用于紧凑型天线阵的去耦匹配网络，其特征在于，所述去耦匹配网络的初始参数分配为：微带环的宽度W _r根据电路刻蚀设备所能制作的最小宽度进行限制。

4. 如权利要求3所述的用于紧凑型天线阵的去耦匹配网络，其特征在于，所述去耦匹配网络的初始参数分配为：微带环的半径R的取值大于天线阵的三个端口所组成的圆的半径。

5. 如权利要求4所述的用于紧凑型天线阵的去耦匹配网络，其特征在于，所述去耦匹配网络的初始参数分配为：微带开路支节的宽度W _o的最小取值为电路刻蚀设备所能制作的最小宽度，其长度L _o的取值在接收无线信号的半个波长以内。

6. 如权利要求5所述的用于紧凑型天线阵的去耦匹配网络，其特征在于：所述去耦匹配网络的初始参数分配完毕后，对初始参数进行优化，使天线阵与去耦匹配网络相连接后的新输入端口在工作频率上的反射系数S ₁₁和耦合系数S ₁₂都尽可能地小。