CN104283007A - 一种用于降低天线阵列单元间互耦的馈电网络 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于降低天线阵列单元间互耦的新型馈电网络，可用于无线通信和雷达系统中。本发明所提供的馈电网络不会破坏阵列单元初始的阻抗匹配，因此不需要额外设计阻抗匹配网络；同时，所述馈电网络引入可控的间接耦合，可以用于抵消天线单元在辐射口径上的直接耦合，从而有效的降低单元间的互耦。该馈电网络具有结构简单、损耗小且不影响天线辐射性能的特点。本发明给出了该新型馈电网络的两个具体的实施形式，并在最后给出了该示例的具体仿真和测试结果。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术、雷达技术领域，具体涉及一种可用于有效降低天线阵列单元间互耦的新型馈电网络，适用于微波、毫米波等通信系统中。
背景技术
在阵列天线和多输入多输出系统(MIMO)中，单元间能量的相互耦合是一种不可避免的现象，并且通常会对系统性能产生负面影响。例如在相控阵天线中，互耦的存在会导致很难实现单元在大扫描范围内的阻抗匹配。对于多输入多输出系统来说，单元间的互耦会导致信噪比的恶化和信道容量的降低。因此，如何降低天线阵列单元间的互耦一直是天线设计领域中的热点和难点问题。
降低互耦最直接的方法是在单元之间加入阻碍电磁波传播的电磁结构，例如经常报道的电磁带隙、缺陷地等周期性结构。2005年，M.M.Nikolic等提出使用连接地面和微带贴片的几排短路柱来抑制空间波的耦合；但是这些短路柱会造成一定的能量损耗且不易于加工。
使用特殊的馈电网络是另一种降低单元间互耦的方案。2008年，C.Volmer等使用一种的模式分解网络使得阵列散射矩阵正交化，然而这种方法的带宽相对较窄，分解得到的不同模式的Q值和效率也差别巨大；另外该方法也同样需要设计额外的匹配网络。2014年，L.Zhao提出使用电抗加载的哑元阵列来降低对称阵列有源单元间的互耦，但是该哑元阵列的设计过程比较复杂，哑元的存在也会影响到有源单元的辐射性能。以上这些特殊馈电网络主要针对多输入多输出系统中单元间互耦的抑制，复杂的电路结构和集总元件的使用使得这些方法在大型的阵列天线尤其是相控阵天线中应用受到限制。
2010年华为公司公开了一种提高天线隔离度的中国发明专利(公开号：CN106677149A)。该发明专利中提到使用耦合器(有源或者无源)从发射天线的馈电链路上耦合信号，耦合到的信号经过耦合器的相位段传输给邻近天线。由于耦合到的信号与直接从空间中耦合的信号幅度相等，相位相反，从而两者相互抵消，提高了相邻天线间的隔离度。该专利提出的方法为降低阵列单元间互耦提供了新的思路，但是专利中所述的方案难以实施。第一，由于耦合器的耦合段直接与邻近天线的接收链路连接，这样会导致邻近天线的阻抗匹配恶化，另外邻近天线直接从空间中耦合的部分信号会通过耦合段重新耦合到发射天线的发射链路上从而影响发射天线的辐射性能；第二，该专利中提出的实施方案只能应用于双天线单元中一个作为发射天线，邻近的天线作为接收天线的情况下，然而在MIMO系统、相控阵天线的等众多应用中，相邻的天线单元需要同时作为发射或者接受天线，因此其应用受到极大限制；第三，该专利提出的有源耦合器在实际应用中除了会遇到与上述无源耦合器相同的问题之外，还额外增加了设计的复杂度和天线系统能耗。
上述用于降低单元间互耦的方法很难同时做到结构简单、损耗小且不影响天线自身的辐射特性。因此在实际工程应用中，急需一种方法可以同时满足这些要求，本发明正是针对该需求而提出。
发明内容
本发明的目的是提供一种可用于有效降低阵列天线单元间互耦的馈电网络，该馈电网络具有结构简单、损耗小且不影响天线辐射性能的特点。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于降低天线阵列单元间互耦的馈电网络，包括输入端口、为天线单元馈电的输出端口以及在各输入端口加载的用于降低天线单元间互耦的耦合网络，下面结合图1对本发明做详细说明：
所述耦合网络101的基本结构如图1所示，针对需要降低互耦的天线单元1、天线单元2，在所述两个天线单元的输入端处分别加载有耦合器3和耦合器4，所述耦合器3和耦合器4通过一条以上的相位调节传输线5相连；当天线单元1和天线单元2各自需要的信号分别由输入端口A、B输入后，端口A所输入信号的部分信号Φ1经由耦合网络101耦合到输入端口B所在的馈电线路，同时端口B所输入信号的部分信号Φ2经由耦合网络耦合到输入端口A所在的馈电线路，通过调整耦合器3和耦合器4的具体结构来调整耦合信号Φ1、Φ2的幅值，并通过调整相位调节传输线5的尺寸来调整耦合信号Φ1、Φ2的输出相位，使得天线单元2经由耦合网络101耦合得到的信号Φ1与天线单元2在其天线辐射口径上接收到的天线单元1的信号Φ1'的幅值相等、相位相差180°，同理，信号Φ2与信号Φ2'幅值相等、相位相差180°，实现信号Φ1与Φ1'、Φ2与Φ2'相互抵消，由此达到降低天线单元1、2之间互耦的目的；当单个耦合网络所得耦合信号的幅值不足以抵消天线单元间的互耦时，可通过在两天线单元馈线之间并联加载多个所述的耦合网络来逐级降低天线单元间的互耦。
进一步的，所述耦合器可以是耦合线耦合器、Lange耦合器中的一种；图2和图3分别给出了使用Lange耦合器与耦合线耦合器构成的所述馈电网络与二单元天线阵列连接的示意图。
本发明的有益效果是：
本发明所述的馈电网络结构简单，不受阵列单元结构及布阵形式的限制；该馈电网络不使用任何集总元器件，避免了由集总元件引入的能量损耗；该馈电网络不会破坏阵列单元原来的阻抗匹配，因此不需要额外设计阻抗匹配网络；该馈电网络没有改变阵列结构，因此不会对天线的辐射性能造成影响。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为由Lange耦合器组成的所述馈电网络与二单元天线阵列连接示意图；
图3为由耦合线耦合器组成的所述馈电网络与二单元天线阵列连接示意图；
图4为本发明实施例1的微带贴片天线阵列及其馈电网络的结构图；
图5为本发明实施例1的天线单元间耦合系数的仿真和测试结果；
图6为本发明实施例1单个天线单元反射系数的仿真和测试结果；
图7为本发明具体实施实例1中左数第一个单元的仿真和测试的E面方向图
图8为本发明具体实施实例1中左数第一个单元的仿真和测试的H面方向图
图9为本发明实施例2的天线阵列结构示意图；
图10为本发明实施例2的16元微带贴片天线阵列及其馈电网络的结构图；
图11为本发明实施例2的中央单元间耦合系数的仿真结果；
图12为本发明实施例2中左数第9个天线单元有源反射系数的仿真结果。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例采用两个天线单元的阵列结构，其采用本发明的馈电网络如图3所示，所述耦合网络的耦合器均采用双线四端口耦合微带线耦合器303、304，耦合器303与耦合器304的相应端口分别通过相位调节传输线305相连。
本实施例采用本发明馈电网络的天线阵列的具体结构如图4所示，天线单元采用微带天线，耦合网络采用双线耦合微带线耦合器。阵列整体结构分为三层，如剖视图4(b)所示：最上层为天线层，包括3mm厚的介质层122(相对介电常数2.2)和微带贴片123；中间一层作为地，材料为5mm的铝板121；最下层为馈电层，由0.5mm的介质125(相对介电常数2.2)和印刷在上面的馈电网络126构成。微带贴片123与馈电网络126通过穿过地面121的探针124相连。该阵列设计工作的中心频率为7.5GHz。
图5给出了具体实施实例1中测试和仿真的单元间的耦合系数。作为比较，图5也给出了通过普通馈电方式得到的耦合系数。仿真和测试结果吻合的很好，在中心频率7.5GHz处，单元间的耦合系数从普通馈电情况下的-25dB降低到-58dB以下。
图6给出了图4中左数第一个天线单元反射系数的仿真和测试对比结果，测试和仿真结果差别较大。通过分析，造成差别的原因是仿真模型没有考虑SMA接头与微带线的过渡。修正后的仿真模型包括了SMA接头，此时所得到仿真结果与测试结果吻合的比较好。
图7、8分别给出了图4左数第一个天线单元的仿真和测试的E面、H面方向图数据，图7、8中也给出了由普通馈电方式得到的单元方向图作为比较。由图7、8可知，本实施例的测试和仿真结果吻合度高，通过对比普通馈电方式下得到的单元方向图，可以看出本发明对天线辐射性能几乎不造成影响。
实施例2
图9为本实施例使用的16单元阵列结构及馈电网络的示意图。虚线框162为为三线耦合微带线耦合器的示意图，在本实施例中作为耦合网络中的耦合器结构。
图10为本实施例所用天线整列及其馈电网络的具体结构图。天线单元采用微带天线，耦合器均采用微带双线定向耦合器。阵列整体结构分为三层，如剖视图10(b)所示。为清晰起见，剖视图10(b)只截取阵列中间一部分，但不失一般性：最上层为天线层，包括3mm厚的介质层172(相对介电常数2.2)和微带贴片173；中间一层作为地，材料为5mm的铝板171；最下层为馈电层，由0.5mm的介质25(相对介电常数2.2)和印刷在上面的馈电网络176构成。微带贴片173与馈电网络176通过穿过地面171的探针174相连。该阵列设计工作的中心频率为7.5GHz。
图11给出了本实施例中阵列中央两个单元(左数第八和第九单元)的耦合系数。作为比较，图11也给出了通过普通馈电方式得到的耦合系数。在中心频点7.5GHz，单元间的耦合系数从普通馈电情况下的-22.5dB降低到-33.6dB。
图12给出了本发明具体实施实例中阵列中央单元(左数第9单元)的有源反射系数。由于降低了互耦，单元的有源反射系数在0到70度的扫描角范围内均低于-16dB，实现了阵列单元的宽角匹配。
Claims (3)
1.一种用于降低天线阵列单元间互耦的馈电网络，包括信号输入端口、为天线单元馈电的输出端口，其特征在于，还包括用于降低天线单元间互耦的耦合网络，所述耦合网络包括加载于天线阵列中各天线单元馈线上的耦合器及一条以上的相位调节传输线，所述耦合网络中的耦合器分别加载于天线阵列中需要降低互耦的天线单元的馈电端口处，所述天线阵列中需要降低互耦的天线单元之间所加载的耦合器通过所述一条以上的相位调节传输线相连；
通过调整所述耦合器的结构，使得指定天线单元从所述耦合网络获得的其他天线单元的耦合信号Φ1的幅值等于所述指定天线从其辐射口径上接收到的其他天线单元的耦合信号Φ1'的幅值；调节所述相位传输线的尺寸，使指定天线单元从所述耦合网络获得的其他天线单元的耦合信号Φ1的相位与所述指定天线从其辐射口径上接收到的其他天线单元的耦合能量Φ1'的相位相差180°。
2.根据权利要求1所述的一种用于降低天线阵列单元间互耦的馈电网络，其特征在于，所述的加载于各天线单元输入端口处的耦合器为Lange耦合器(203、204)，所述的每一个Lange耦合器(203、204)的直通端即为相应天线单元的信号馈入端；针对需要降低互耦的天线单元(1、2)，加载于相应天线单元输入端口处的所述Lange耦合器(203、204)的耦合和隔离两个端口分别通过一段相位传输线(205)相连。
3.根据权利要求1所述的一种用于降低天线阵列单元间互耦的馈电网络，其特征在于，所述的加载于各天线单元输入端口处的耦合器为耦合线定向耦合器(303、304)，所述的每一个耦合线定向耦合器(303、304)的直通端即为相应天线单元的信号馈入端；针对需要降低互耦的天线单元(1、2)，加载于相应天线单元输入端口处的所述耦合线定向耦合器(303、304)的耦合和隔离两个端口分别通过一段相位传输线(305)相连。
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