CN108400438A - 一种三阵元单极子均匀圆形天线阵列的微带去耦网络 - Google Patents

一种三阵元单极子均匀圆形天线阵列的微带去耦网络 Download PDF

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李萌
赵国强
陈世勇
黄天聪
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Abstract

本发明涉及一种三阵元单极子均匀圆形天线阵列的微带去耦网络，属于无线通信技术领域，包含介质基板，接地平面，三个单极子天线阵元和微带去耦网络结构，三个所述单极子天线阵元关于所述介质基板的中心互成120°夹角中心对称分布，所述接地平面印刷在所述介质基板的上表面上，所述微带去耦网络结构印刷在介质基板的下表面，所述微带去耦网络结构用于对天线阵的阵元进行馈电。本发明所提出的微带去耦网络结构简单紧凑，不会增加原天线阵列的尺寸，易于实现。

Description

一种三阵元单极子均匀圆形天线阵列的微带去耦网络
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及一种三阵元单极子均匀圆形天线阵列的微带去耦网络。
背景技术
随着新一代无线通信系统的发展，为了更高效地利用频谱资源、达到更高的数据传输速率以及更大的通信信道容量，多输入多输出(MIMO)天线系统获得了广泛的应用。但是，随着移动通信设备的日益小型化，天线阵列各个单元之间的距离受到限制，使得阵元之间的相互耦合愈发严重，保证各个端口之间的高隔离度变得愈发困难。阵列单元间的耦合效应严重地影响到天线的辐射性能，导致天线阵列的增益降低、天线阵列的方向图畸变、主波束方向产生偏移，进而影响系统的信息传输速率和信道容量。
因此，解决多端口天线阵列的耦合问题是实现MIMO技术的关键部分。通过研究多端口天线阵列的去耦方法，在放置尽可能多的天线数目的条件下，减小由于缩短天线之间的间距引起的耦合效应，保证天线阵列良好的辐射性能，成为多天线技术的研究热点。从当前移动通信系统发展的现状及需求来看，研究多端口天线阵列的去耦方法具有十分重要的意义和商业应用价值。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种三阵元单极子均匀圆形天线阵列的微带去耦网络，通过添加此微带去耦网络结构，三阵元单极子均匀圆形天线阵列阵元之间的隔离度在工作频段上得到了明显的提升。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种三阵元单极子均匀圆形天线阵列的微带去耦网络，包含介质基板，接地平面，三个单极子天线阵元和微带去耦网络结构，三个所述单极子天线阵元关于所述介质基板的中心互成120°夹角中心对称分布，所述接地平面印刷在所述介质基板的上表面上，所述微带去耦网络结构印刷在介质基板的下表面，所述微带去耦网络结构用于对天线阵的阵元进行馈电。
进一步，所述介质基板采用FR4材料制成。
进一步，所述介质基板呈正六边形，三个所述单极子天线阵元的微带线的末端分别相交于介质基板边的中点。
进一步，三阵元单极子均匀圆形天线阵列的阻抗矩阵满足：
其中，表示天线阵元1的自阻抗，表示天线阵元1和天线阵元2之间的互阻抗，阻抗矩阵的特征值分别为对应的特征向量分别为ea＝[1,1,1]，eb＝[0,1,-1]和ec＝[2,-1,-1]。
进一步，将特征向量ea、eb作为天线阵列的激励，对应的加载模式定义为模式a和模式b，则模式a和模式b下天线阵列端口处的输入阻抗满足：
其中，j为虚数单位，Z1表示微带去耦网络结构中串联微带线的特性阻抗，Z2表示微带去耦网络结构中并联微带线的特性阻抗，θ1表示微带去耦网络结构中串联微带线的电长度，θ2表示微带去耦网络结构中并联微带线的电长度，令Zina＝Zinb，计算出串并联微带线的电长度θ1和θ2。
进一步，在求解的微带线的电长度的基础上增加特性阻抗为Z0的并联微带支节对天线阵列进行匹配。
本发明的有益效果在于：本发明通过在三阵元单极子均匀圆形天线阵列之间加载微带去耦网络，使得天线阵元之间的隔离度在工作频段得到很大的提升。本发明所提出的微带去耦网络结构简单紧凑，不会增加原天线阵列的尺寸，易于实现。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明的结构示意图；
图2为三阵元均匀圆形天线阵列的微带去耦网络结构示意图；
图3为三阵元单极子均匀圆形天线阵列的S参数曲线图；
图4为加载去耦网络和匹配枝节的三阵元单极子均匀圆形天线阵列的S参数曲线图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
本发明为一种三阵元单极子均匀圆形天线阵列的微带去耦网络，如图1所示，包含介质基板3，接地平面2，三个单极子天线阵元1和微带去耦网络结构4，三个所述单极子天线阵元1关于介质基板3的中心互成120°夹角中心对称分布，接地平面2印刷在介质基板3的上表面上，微带去耦网络结构4印刷在介质基板的下表面，微带去耦网络结构4用于对天线阵的阵元进行馈电。
具体实施例
如图1和图2所示，天线阵列的介质基板采用FR4材料，其介电常数为εr＝4.4，损耗角正切为tanδ＝0.02，基板的厚度为t＝1.6mm，基板形状为半径R＝49.5mm，边长W＝49.5mm的正六边形。工作在2.4GHz的单极子天线阵元的长度为h＝30mm,阵元之间的间距为d＝12mm。
由于天线阵列的对称性，三阵元单极子均匀圆形天线阵列的阻抗矩阵可以表示为
其特征值分别为对应的特征向量分别为ea＝[1,1,1]，eb＝[0,1,-1]和ec＝[2,-1,-1]。
分别加载模式a和模式b的特征向量ea＝[1,1,1]和eb＝[0,1,-1]作为天线阵列的激励得到对应模式下端口处的输入阻抗分别为
令两个模式下的输入阻抗相等，也即输入导纳相等，固定串并联微带线的特性阻抗Z1和Z2，可求得串并联微带线的电长度θ1和θ2。
为了保证天线阵列良好的辐射性能，需要添加特性阻抗Z0＝50Ω的微带线作为并联枝节对去耦的天线阵列进行匹配。去耦和匹配电路中的微带线参数见表1。
表1微带去耦网络和匹配枝节的具体参数值
图3、图4分别为添加微带去耦匹配网络前后三阵元单极子天线阵列的S参数曲线图。由图可知，耦合系数S12由去耦前的-8dB下降到了-30dB以下，反射系数S11由-7dB下降到了约-20dB，这说明所设计的微带去耦网络能够有效地抑制天线阵元之间的耦合，提高端口的隔离度，同时保持天线阵列良好的辐射性能。
本发明通过在三阵元单极子均匀圆形天线阵列之间加载微带去耦网络，使得天线阵元之间的隔离度在工作频段得到很大的提升。所提出的微带去耦网络结构简单紧凑，不会增加原天线阵列的尺寸，易于实现。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.一种三阵元单极子均匀圆形天线阵列的微带去耦网络，其特征在于：包含介质基板，接地平面，三个单极子天线阵元和微带去耦网络结构，三个所述单极子天线阵元关于所述介质基板的中心互成120°夹角中心对称分布，所述接地平面印刷在所述介质基板的上表面上，所述微带去耦网络结构印刷在介质基板的下表面，所述微带去耦网络结构用于对天线阵的阵元进行馈电。
2.根据权利要求1所述的一种三阵元单极子均匀圆形天线阵列的微带去耦网络，其特征在于：所述介质基板采用FR4材料制成。
3.根据权利要求1所述的一种三阵元单极子均匀圆形天线阵列的微带去耦网络，其特征在于：所述介质基板呈正六边形，三个所述单极子天线阵元的微带线的末端分别相交于介质基板边的中点。
4.根据权利要求1所述的一种三阵元单极子均匀圆形天线阵列的微带去耦网络，其特征在于：三阵元单极子均匀圆形天线阵列的阻抗矩阵满足：
其中，表示天线阵元1的自阻抗，表示天线阵元1和天线阵元2之间的互阻抗，阻抗矩阵的特征值分别为对应的特征向量分别为ea＝[1,1,1]，eb＝[0,1,-1]和ec＝[2,-1,-1]。
5.根据权利要求4所述的一种三阵元单极子均匀圆形天线阵列的微带去耦网络，其特征在于：将特征向量ea、eb作为天线阵列的激励，对应的加载模式定义为模式a和模式b，则模式a和模式b下天线阵列端口处的输入阻抗满足：
其中，j为虚数单位，Z1表示微带去耦网络结构中串联微带线的特性阻抗，Z2表示微带去耦网络结构中并联微带线的特性阻抗，θ1表示微带去耦网络结构中串联微带线的电长度，θ2表示微带去耦网络结构中并联微带线的电长度，令Zina＝Zinb，计算出串并联微带线的电长度θ1和θ2。
6.根据权利要求5所述的一种三阵元单极子均匀圆形天线阵列的微带去耦网络，其特征在于：在求解的微带线的电长度的基础上增加特性阻抗为Z0的并联微带支节对天线阵列进行匹配。
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