CN108281786A - 一种去耦天线架构及其去耦方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种去耦天线架构及其去耦方法，所述去耦天线架构包括：天线端口、去耦网络、馈电网络、移相网络、两组以上天线阵列；其中，所述移相网络与所述两组以上天线阵列分别相连；所述馈电网络的输入端与所述去耦网络相连，所述馈电网络的输出端与所述移相网络相连；所述去耦网络设置在所述天线端口与所述馈电网络之间，所述去耦网络用于将所述两组以上天线阵列之间产生的互耦信号消除。

Description

一种去耦天线架构及其去耦方法
技术领域
本发明涉及天线去耦技术领域，尤其涉及一种去耦天线架构及其去耦方法。
背景技术
随着通信系统的飞速发展，为了提升通信系统信号容量及吞吐率，射频前端多输入多输出(MIMO)技术越来越受业界重视，大规模阵列天线系统也成为近几年通信技术研究的热点。由于天线阵列数量的增加，多个天线集成在有限空间内，天线阵列之间的间距远小于半波波长。由此导致天线阵列之间的相关性将大大增加，天线之间的互耦性增强。较强的天线互耦性不仅导致信道间的自干扰严重、通信信道信噪比恶化、信道容量减小、辐射效率降低，同时还影响自身通信系统端口驻波、系统误告警率提升等；此问题已引起业界高度重视。为了保持大规模天线系统小型化的同时降低天线阵列间干优，天线阵列间的去耦技术成为争相研究的课题。
现有技术中，多个天线阵列之间彼此相互独立(如图1)，天线阵列之间的去耦通过增加天线阵列之间的空间距离来实现；然而随着天线阵列数量的增加，天线尺寸越来越大，很难满足市场应用需求；急需要一种新的技术解决目前面临的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种去耦天线架构及其去耦方法。
本发明实施例提供了一种去耦天线架构，所述去耦天线架构包括：天线端口、去耦网络、馈电网络、移相网络、两组以上天线阵列；其中，
所述移相网络与所述两组以上天线阵列分别相连；
所述馈电网络的输入端与所述去耦网络相连，所述馈电网络的输出端与所述移相网络相连；
所述去耦网络设置在所述天线端口与所述馈电网络之间，所述去耦网络用于将所述两组以上天线阵列之间产生的互耦信号消除。
上述方案中，所述天线阵列包括多个天线阵子，所述天线阵列之间的间距小于等于预设值。
上述方案中，所述去耦网络包括N级可调去耦单元，N为正整数；其中，
第1级可调去耦单元的输入端经相位延迟网络与所述天线端口相连，第N级可调去耦单元的输出端经相位延迟网络与所述馈电网络的输入端相连。
上述方案中，第i级可调去耦单元与第i+1级可调去耦单元之间通过耦合调谐网络相连，1≤i≤N-1。
上述方案中，所述可调去耦单元包括两个以上谐振网络，其中，谐振网络之间通过耦合调谐网络相连。
上述方案中，所述第i级可调去耦单元与第i+1级可调去耦单元之间通过耦合调谐网络相连，具体为：
第i级可调去耦单元中的谐振网络通过耦合调谐网络与第i+1级可调去耦单元中的谐振网络相连。
上述方案中，所述耦合调谐网络为耦合调谐螺钉，所述耦合调谐螺钉用于调节谐振网络中的相位。
上述方案中，所述谐振网络包括：谐振腔、位于所述谐振腔内的柱状谐振体、与所述柱状谐振体同轴的频率调谐螺钉，所述频率调谐螺钉用于调节谐振网络中的频率。
上述方案中，所述天线端口的端口数和天线阵列的阵列数均为M，相应地，所述可调去耦单元具有M个输入端和M个输出端，M≥2。
本发明实施例又提供了一种去耦天线架构的去耦方法，所述方法包括：
在天线端口与馈电网络之间设置去耦网络；
通过所述去耦网络将两组以上天线阵列之间产生的互耦信号消除。
上述方案中，所述在天线端口与馈电网络之间设置去耦网络，包括：
在天线端口与馈电网络之间设置N级可调去耦单元，N为正整数；其中，
第1级可调去耦单元的输入端经相位延迟网络与所述天线端口相连，第N级可调去耦单元的输出端经相位延迟网络与所述馈电网络的输入端相连。
上述方案中，所述可调去耦单元包括两个以上谐振网络，其中，谐振网络之间通过耦合调谐网络相连。
上述方案中，第i级可调去耦单元中的谐振网络通过耦合调谐网络与第i+1级可调去耦单元中的谐振网络相连。
上述方案中，所述耦合调谐网络为耦合调谐螺钉；所述谐振网络包括：谐振腔、位于所述谐振腔内的柱状谐振体、与所述柱状谐振体同轴的频率调谐螺钉；
所述通过所述去耦网络将两组以上天线阵列之间产生的互耦信号消除，包括：
通过所述耦合调谐螺钉调节谐振网络中的相位，通过所述频率调谐螺钉调节谐振网络中的频率，将两组以上天线阵列之间产生的互耦信号消除。
本发明实施例的技术方案中，去耦天线架构包括：天线端口、去耦网络、馈电网络、移相网络、两组以上天线阵列；其中，所述移相网络与所述两组以上天线阵列分别相连；所述馈电网络的输入端与所述去耦网络相连，所述馈电网络的输出端与所述移相网络相连；所述去耦网络设置在所述天线端口与所述馈电网络之间，所述去耦网络用于将所述两组以上天线阵列之间产生的互耦信号消除。采用本发明实施例的技术方案，在天线端口与馈电网络之间设置去耦网络，实现了消除天线端口中的互耦信号，进而可以设计出小空间的天线阵列结构。
附图说明
附图以示例而非限制的方式大体示出了本文中所讨论的各个实施例。
图1为现有技术天线阵列网络拓扑图；
图2为本发明实施例的天线阵列网络拓扑图；
图3为本发明实施例的去耦天线参数传递示意图；
图4为本发明实施例的去耦网络(CNDN)矩阵可调因子示意图；
图5为本发明实施例的去耦网络(CNDN)的实物模型图；
图6为本发明实施例的去耦网络(CNDN)的效果图；
图7为本发明实施例的去耦天线架构的组成示意图；
图8为本发明实施例的去耦天线架构的去耦方法的流程图。
具体实施方式
为了能够更加详尽地了解本发明实施例的特点与技术内容，下面结合附图对本发明实施例的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本发明实施例。
本发明实施例提供了一种去耦天线架构，通过去耦网络实现天线互耦信号相消的功能，从而设计出紧凑型、高性能的天线结构。
图7为本发明实施例的去耦天线架构的组成示意图，本发明实施例的去耦天线架构包括：天线端口71、去耦网络72、馈电网络73、移相网络74、两组以上天线阵列75；其中，
所述移相网络74与所述两组以上天线阵列75分别相连；
所述馈电网络73的输入端与所述去耦网络72相连，所述馈电网络73的输出端与所述移相网络74相连；
所述去耦网络72设置在所述天线端口71与所述馈电网络73之间，所述去耦网络72用于将所述两组以上天线阵列75之间产生的互耦信号消除。
本发明实施例中，所述两组以上天线阵列75包括多个天线阵子，所述天线阵列75之间的间距小于等于预设值。
这里，两组以上天线阵列75之间的间距小于等于预设值够过满足小型化天线结构的要求。
本发明实施例中，所述去耦网络72包括N级可调去耦单元，N为正整数；其中，
第1级可调去耦单元的输入端经相位延迟网络与所述天线端口71相连，第N级可调去耦单元的输出端经相位延迟网络与所述馈电网络73的输入端相连。
这里，N的具体数值可以根据实际去耦参数而确定。
本发明实施例中，第i级可调去耦单元与第i+1级可调去耦单元之间通过耦合调谐网络相连，1≤i≤N-1。
本发明实施例中，所述可调去耦单元包括两个以上谐振网络，其中，谐振网络之间通过耦合调谐网络相连。
本发明实施例中，所述第i级可调去耦单元与第i+1级可调去耦单元之间通过耦合调谐网络相连，具体为：
第i级可调去耦单元中的谐振网络通过耦合调谐网络与第i+1级可调去耦单元中的谐振网络相连。
本发明实施例中，所述耦合调谐网络为耦合调谐螺钉，所述耦合调谐螺钉用于调节谐振网络中的相位。
本发明实施例中，所述谐振网络包括：谐振腔、位于所述谐振腔内的柱状谐振体、与所述柱状谐振体同轴的频率调谐螺钉，所述频率调谐螺钉用于调节谐振网络中的频率。
本发明实施例中，所述天线端口71的端口数和两组以上天线阵列75的阵列数均为M，相应地，所述可调去耦单元具有M个输入端和M个输出端，M≥2。
本发明实施例的去耦天线架构通过去耦网络实现天线去耦功能。该去耦天线架构可以按预先设计的去耦参数完成去耦网络中各网络的设计，然后在天线端口与所述馈电网络之间加入相应的去耦网络，通过调节去耦网络中的谐调螺钉实现天线端口去耦的目的。
以下结合具体应用实例对本发明实施例的方案做进一步详细描述。
如图1所示，对于传统MIMO天线系统，假设其有M个天线通道，每个天线通道间相互独立。通常情况下，MIMO天线系统通过增大天线阵列之间的空间间距来降低天线阵列之间的互耦，此时，MIMO天线系统的网络特征矩阵表现为所有矩阵元素接近于零。随着天线阵列数增加，天线阵列之间的距离减小，天线阵列之间的互耦增大，此时，MIMO天线系统的网络矩阵变成一个非零矩阵，其特征为主对角线元素接近于零，而非主对角线元素不为零。为了使得MIMO天线系统既能满足小型体积的要求，又能满足信号匹配的要求，需要在MIMO天线系统的后端引入可调的去耦网络，如图2所示的CNDN，去耦网络的网络矩阵SD是一个N×N的矩阵，该矩阵的元素可调。
结合图3所示的参数传递示意图，本发明实施例对去耦天线架构中的各网络矩阵定义如下：
S为加入去耦网络后的天线系统的网络参数，这里，天线系统是指两组以上天线阵列；
SD为去耦网络的网络参数；
SA为天线系统的网络参数；
Γin为加入去耦网络后的天线系统S的反射系数；
ΓL为天线系统SA的反射系数。
基于以上定义，去耦网络的网络参数SD可以通过散射参数矩阵表示，如公式(1)所示：
其中，S11代表去耦网络中第一个端口的反射系数、S22代表去耦网络中第二个端口的反射系数，S12代表第一个端口到第二个端口的传输系数，S21代表第二个端口到第一个端口的传输系数。
在天线端口与馈电网络之间加入去耦网络后，根据微波网络理论，可以用矩阵SD和矩阵SA来表征矩阵S，其表达式为公式(2)：
S＝SDSA (2)
加入去耦网络后的天线系统S的反射系数Γin表达式为公式(3)：
Γin＝S11+S12(1-S22ΓL)-1S21ΓL (3)
本发明实施例的目的是设计出合理的去耦网络SD，使得加入去耦网络后的天线系统S的反射系数Γin等于或接近零矩阵，Γin代表了天线阵列之间信号的耦合程度。
由此，当Γin＝0(消除全部耦合的理想条件)时，可得到天线系统SA的反射系数ΓL与去耦网络的网络参数SD的关系为：
也就是说，在实际去耦天线架构的设计过程中，只要通过设计一个去耦网络SD来实现消除天线阵列之间产生的互耦信号。
本发明实施例中，去耦网络SD能够根据具体的天线架构进行动态调节，如何实现去耦网络SD参数可调，可参照图4。图4为本发明实施例的四端口去耦网络的拓扑图，去耦网络的可以用一个四端口耦合矩阵来表示：
其中，Mp为一个4×4端口的直接耦合零矩阵；Mn为一个6×6谐振耦合矩阵；Mpn为输入/输出(I/O)口耦合矩阵。
本发明实施例中，谐振耦合矩阵网络参数Sm可以表示为：
其中，I为4×4的鉴相矩阵；
s为去耦网络频率变量，s＝jf0/BW×(f/f0-f0/f)，f0为去耦网络中心频率，BW为去耦网络带宽。
根据微波网络理论，可调去耦网络参数SD表述如下：
[SD]＝[P12][Sm][P34] (7)
其中，
在图4中，谐振耦合矩阵Mn可表示为：
其中，M11、M22、M33、M44、M55、M66表示各谐振腔体自耦合矩阵参数；M12＝M21、M23＝M32、M34＝M43、M45＝M54、M56＝M65、M25＝M52、M16＝M61、表示相邻腔体互耦合矩阵参数；其它耦合参数在这里均用为0表示。该谐振耦合矩阵Mn中自耦合矩阵参数和互耦合矩阵参数通过可调因子βn实现参数可调。通过改变矩阵Mn矩阵参数来实现去耦网络SD参数可调。
图5为去耦网络的实物模型图，其中，对于矩阵中每个自耦合元素M11、M22、M33、M44、M55、M66参数通过频率可调螺钉来改变其数值变化量；对于矩阵中每个互耦合元素：
M12＝M21、M23＝M32、M34＝M43、M45＝M54、M56＝M65、M25＝M52、M16＝M61、通过耦合可调螺钉改变其数值变化量，通过控制可调螺杆的深度改变谐振耦合矩阵Mn模型参数，达到与天线网络SA匹配的目的，从而使得加入可调去耦网络SD后的新型多天线系统端口反射系数Γin近似为零。
图6为本发明实施例的去耦网络的效果图，如图6所示，横坐标代表频率，纵坐标代表耦合程度，本示例中，假设天线端口为两端口，S21代表了两个端口之间的耦合程度，从图中可见，在加入去耦网络之前(对应S21相消前的曲线)耦合程度较高，在加入去耦网络之后(对应S21相消后的曲线)耦合程度明显降低，从而实现了消除天线端口中的互耦信号，进而可以设计出小空间的天线阵列结构。
图8为本发明实施例的去耦天线架构的去耦方法的流程图，如图8所示，所述方法包括：
步骤801：在天线端口与馈电网络之间设置去耦网络。
本发明实施例中，所述在天线端口与馈电网络之间设置去耦网络，包括：
在天线端口与馈电网络之间设置N级可调去耦单元，N为正整数；其中，
第1级可调去耦单元的输入端经相位延迟网络与所述天线端口相连，第N级可调去耦单元的输出端经相位延迟网络与所述馈电网络的输入端相连。
步骤802：通过所述去耦网络将两组以上天线阵列之间产生的互耦信号消除。
本发明实施例中，所述可调去耦单元包括两个以上谐振网络，其中，谐振网络之间通过耦合调谐网络相连。第i级可调去耦单元中的谐振网络通过耦合调谐网络与第i+1级可调去耦单元中的谐振网络相连。
本发明实施例中，所述耦合调谐网络为耦合调谐螺钉；所述谐振网络包括：谐振腔、位于所述谐振腔内的柱状谐振体、与所述柱状谐振体同轴的频率调谐螺钉；
所述通过所述去耦网络将两组以上天线阵列之间产生的互耦信号消除，包括：
通过所述耦合调谐螺钉调节谐振网络中的相位，通过所述频率调谐螺钉调节谐振网络中的频率，将两组以上天线阵列之间产生的互耦信号消除。
对于本领域相关技术人员来说，可以根据本发明实施例的技术方案及其构思对该天线架构以组合或更换，设计出其它组合网络架构，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求保护范围。

Claims (14)

1.一种去耦天线架构，其特征在于，所述去耦天线架构包括：天线端口、去耦网络、馈电网络、移相网络、两组以上天线阵列；其中，
所述移相网络与所述两组以上天线阵列分别相连；
所述馈电网络的输入端与所述去耦网络相连，所述馈电网络的输出端与所述移相网络相连；
所述去耦网络设置在所述天线端口与所述馈电网络之间，所述去耦网络用于将所述两组以上天线阵列之间产生的互耦信号消除。
2.根据权利要求1所述的去耦天线架构，其特征在于，所述天线阵列包括多个天线阵子，所述天线阵列之间的间距小于等于预设值。
3.根据权利要求1所述的去耦天线架构，其特征在于，所述去耦网络包括N级可调去耦单元，N为正整数；其中，
第1级可调去耦单元的输入端经相位延迟网络与所述天线端口相连，第N级可调去耦单元的输出端经相位延迟网络与所述馈电网络的输入端相连。
4.根据权利要求3所述的去耦天线架构，其特征在于，第i级可调去耦单元与第i+1级可调去耦单元之间通过耦合调谐网络相连，1≤i≤N-1。
5.根据权利要求3或4所述的去耦天线架构，其特征在于，所述可调去耦单元包括两个以上谐振网络，其中，谐振网络之间通过耦合调谐网络相连。
6.根据权利要求5所述的去耦天线架构，其特征在于，所述第i级可调去耦单元与第i+1级可调去耦单元之间通过耦合调谐网络相连，具体为：
第i级可调去耦单元中的谐振网络通过耦合调谐网络与第i+1级可调去耦单元中的谐振网络相连。
7.根据权利要求5所述的去耦天线架构，其特征在于，所述耦合调谐网络为耦合调谐螺钉，所述耦合调谐螺钉用于调节谐振网络中的相位。
8.根据权利要求5所述的去耦天线架构，其特征在于，所述谐振网络包括：谐振腔、位于所述谐振腔内的柱状谐振体、与所述柱状谐振体同轴的频率调谐螺钉，所述频率调谐螺钉用于调节谐振网络中的频率。
9.根据权利要求1所述的去耦天线架构，其特征在于，所述天线端口的端口数和天线阵列的阵列数均为M，相应地，所述可调去耦单元具有M个输入端和M个输出端，M≥2。
10.一种去耦天线架构的去耦方法，其特征在于，所述方法包括：
在天线端口与馈电网络之间设置去耦网络；
通过所述去耦网络将两组以上天线阵列之间产生的互耦信号消除。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述在天线端口与馈电网络之间设置去耦网络，包括：
在天线端口与馈电网络之间设置N级可调去耦单元，N为正整数；其中，
第1级可调去耦单元的输入端经相位延迟网络与所述天线端口相连，第N级可调去耦单元的输出端经相位延迟网络与所述馈电网络的输入端相连。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述可调去耦单元包括两个以上谐振网络，其中，谐振网络之间通过耦合调谐网络相连。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，第i级可调去耦单元中的谐振网络通过耦合调谐网络与第i+1级可调去耦单元中的谐振网络相连。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述耦合调谐网络为耦合调谐螺钉；所述谐振网络包括：谐振腔、位于所述谐振腔内的柱状谐振体、与所述柱状谐振体同轴的频率调谐螺钉；
所述通过所述去耦网络将两组以上天线阵列之间产生的互耦信号消除，包括：
通过所述耦合调谐螺钉调节谐振网络中的相位，通过所述频率调谐螺钉调节谐振网络中的频率，将两组以上天线阵列之间产生的互耦信号消除。
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