CN110401032A - 一种增益可调控的双向端射天线及其优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增益可调控双向端射天线及其优化方法。属于天线技术领域，本发明不限定天线的单元形式、工作频率及单元数量，本发明在功率传输效率最大化理论的基础上引入加权矩阵从而实现对接收天线功率的人为分配，即实现了对发射阵列各波束增益的调控；采用上述设计方法可将单元间的耦合以及复杂环境的影响包含在散射矩阵中，更加方便灵活的配置阵列单元，减轻阵列天线设计的工作负担；本发明提出的设计方法与传统阵列设计方法相比具有明显优势，不仅达到在保证端射增益不变的情况下，大幅减小天线尺寸的目的，还能够将复杂的电磁环境考虑其中，极大地简化了天线设计过程，而且还实现双向端射增益的人为调控的作用。

Description

一种增益可调控的双向端射天线及其优化方法

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种增益可调控双向端射天线及其优化方法。

背景技术

目前，双向端射天线由于其高增益及双向辐射的特性在窄、长、直的通信场景中(例如长街道、长桥、隧道、公路、铁路、地铁及走廊等)被广泛应用。双向端射天线常被用作微波中继，以抑制多径效应，提高链路效率。传统的阵列设计中，人们很大程度上依赖于天线阵因子，而天线阵因子是建立在一些简化和假设的基础上。因此，为了使用天线阵因子概念，有时需要额外的工作量，例如单元去耦。传统的实现双向端射辐射的方法是将两个天线阵背对背放置，例如将两个八木天线朝向相反的方向放置，然而，这种设计方法无疑会使天线的体积加倍，但与单向八木天线设计相比，增益却减少了大约3dB，且到目前为止没人做过有关双向端射天线的端向辐射增益调控研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以在功率传输效率最大化理论的基础上引入加权矩阵从而实现对接收天线功率的人为分配，即实现了对双向端射天线两个波束增益的调控。

本发明的技术方案是：一种增益可调控双向端射天线，包括介质基板，天线阵列及馈电网络电路板；所述的介质基板上刻蚀天线阵列作为天线基板，所述馈电网络电路板的输出激励端口与天线单元的馈电端口通过信号线相连接。

所述的天线阵列由四个尺寸相同，间隔一致的半波印刷偶极子纵向排列而成。

所述天线基板，由激光雕刻机根据天线阵列的形状尺寸将铜皮刻蚀在介质基板上得出。

所述的馈电网络电路板由一分四功分器分出四个支路，每个支路上包括移相器、衰减器及升压电路。

该方法包括如下步骤：

(1)、根据天线单元的数量及尺寸间距，设计出工作频率f的天线辐射单元；

(2)、将步骤(1)的天线辐射单元组成发射天线阵列，计算远场距离，并在天线阵列两端的远场分别放置接收天线；

(3)、利用加权功率传输效率最大化理论，优化发射天线阵列各单元的激励分布情况；

(4)、根据步骤(3)中优化得到的不同加权系数情况下各单元的激励分布情况，使用馈电网络电路板调出阵列天线各单元所需的最佳激励；

(5)、做出实物并进行实际测量，对比实测结果与仿真结果；当对比实测结果与仿真结果不符合要求，重复步骤(1)至步骤(5)，直到设计出符合要求的天线。

在步骤(3)中，利用加权功率传输效率最大化理论，优化发射天线阵列各单元的激励分布情况；其具体操作方法如下：

首先，设计一个传输系统，为一个n端口的发射天线阵列和m个测试接收天线构成一个功率传输系统；所述整个传输系统是一个n+m端口网络，用(n+m)×(n+m)散射矩阵表示，如式(1)所示：

(1)式中

[a_t]＝[a₁,a₂,...,a_n]^T,

[a_r]＝[a_n+1,a_n+2,...,a_n+m]^T,

[b_t]＝[b₁,b₂,...,b_n]^T,

[b_r]＝[b_n+1,b_n+2,...,b_n+m]^T,

其中，特征向量[a_t]表示发射天线归一化入射波，a₁,a₂,...,a_n分别表示1,2,…，n端口对系统的归一化入射波，特征向量[a_r]表示接收天线归一化入射波，a_n+1,a_n+2,...,a_n+m表示n+1,n+2,…，n+m端口对系统的归一化入射波，特征向量[b_t]表示发射天线归一化反射波，b₁,b₂,...,b_n分别表示1,2,…，n端口对系统的归一化反射波，特征向量[b_r]表示接收天线归一化反射波，b_n+1,b_n+2,...,b_n+m表示n+1,n+2,…,n+m端口对系统的归一化反射波，上标T表示矩阵的转置，S_tt表示发射阵列各单元之间的散射矩阵，S_tr表示各接收天线与发射天线阵列各单元之间的散射矩阵，S_rt表示发射阵列各单元到各接收天线之间的散射矩阵，S_rr表示各接收天线的散射系数；设整个传输系统匹配良好，则有[a_r]＝0，代入式(1)得：

[b_r]＝[S_rt][a_t] (2)

为控制发送天线阵列在远场区的功率分布，引入权重矩阵[W]＝diag(w₁,w₂,...,w_m)可得：

[b′_r]＝[W][b_r]＝[w₁b_n+1,w₂b_n+2,...,w_mb_n+m]^T (3)

其中，w₁,w₂,...,w_m为相应的测试天线n+1,n+2,…,n+m的权重系数，有式(2)和(3)可得：

[b′_r]＝[W][S_rt][a_t]＝[S′_rt][a_t] (4)

其中，由于测试天线放置在发送阵列的远场区，故各接收天线两两之间的相位差忽略不计，将发射天线阵列与接收天线之间的功率传输效率T_array定义为接收天线负载所接收的功率与发射天线输入功率的比值，即：

当功率传输效率最大时，得到下式：

[A′][a_t]＝T_array[a_t] (6)

其中[A′]＝[S′_rt]^H[S′_rt]；由式(6)求出的特征值中得出，最大特征值为该传输系统实现的最大传输效率，最大特征值对应的特征向量即为各天线单元所需的最佳激励。

本发明的有益效果是：本发明不限定天线的单元形式以及工作频率；本发明也不限定单元数量，根据需求调整单元数量；本发明在功率传输效率最大化理论的基础上引入加权矩阵从而实现对接收天线功率的人为分配，即实现了对发射阵列各波束增益的调控；采用上述设计方法可将单元间的耦合以及复杂环境的影响包含在散射矩阵中，更加方便灵活的配置阵列单元，减轻阵列天线设计的工作负担；本发明提出的设计方法与传统阵列设计方法相比具有明显优势，不仅达到在保证端射增益不变的情况下，大幅减小天线尺寸的目的，还能够将复杂的电磁环境考虑其中，极大地简化了天线设计过程，而且还实现双向端射增益的人为调控的作用。

附图说明

图1是本发明中的天线实物图及各参数示意图；

图2是本发明中的天线仿真与实测反射系数示意图；

图3是本发明中的天线仿真与实测辐射方向图。

具体实施方式

本发明；一种增益可调控双向端射天线，包括介质基板，天线阵列及馈电网络电路板；所述的介质基板上刻蚀天线阵列作为天线基板，所述馈电网络电路板的输出激励端口与天线单元的馈电端口通过信号线相连接。

所述的天线阵列由四个尺寸相同，间隔一致的半波印刷偶极子纵向排列而成。

其中，所述天线基板选用Rogers 4003基板，馈电网络电路板的介质基板选用FR-4基板；

所述天线基板，由激光雕刻机根据天线阵列的形状尺寸将铜皮刻蚀在介质基板上得出；所述的介质基板为Rogers 4003介质基板。

所述的馈电网络电路板由一分四功分器分出四个支路，每个支路上包括移相器、衰减器及升压电路，并且移相器、衰减器及升压电路焊接在FR-4基板上。

优选的，该方法包括如下步骤：

(1)、根据天线单元的数量及尺寸间距，设计出工作频率f的天线辐射单元；

(2)、将步骤(1)的天线辐射单元组成发射天线阵列，计算远场距离，并在天线阵列两端的远场分别放置接收天线；

(3)、利用加权功率传输效率最大化理论，优化发射天线阵列各单元的激励分布情况；

(4)、根据步骤(3)中优化得到的不同加权系数情况下各单元的激励分布情况，使用馈电网络电路板调出阵列天线各单元所需的最佳激励；

(5)、做出实物并进行实际测量，对比实测结果与仿真结果；当对比实测结果与仿真结果不符合要求，重复步骤(1)至步骤(5)，直到设计出符合要求的天线。

在步骤(3)中，利用加权功率传输效率最大化理论，优化发射天线阵列各单元的激励分布情况；其具体操作方法如下：

首先，设计一个传输系统，为一个n端口的发射天线阵列和m个测试接收天线构成一个功率传输系统；所述整个传输系统是一个n+m端口网络，用(n+m)×(n+m)散射矩阵表示，如式(1)所示：

(1)式中

[a_t]＝[a₁,a₂,...,a_n]^T,

[a_r]＝[a_n+1,a_n+2,...,a_n+m]^T,

[b_t]＝[b₁,b₂,...,b_n]^T,

[b_r]＝[b_n+1,b_n+2,...,b_n+m]^T,

其中，特征向量[a_t]表示发射天线归一化入射波，a₁,a₂,...,a_n分别表示1,2,…，n端口对系统的归一化入射波，特征向量[a_r]表示接收天线归一化入射波，a_n+1,a_n+2,...,a_n+m表示n+1,n+2,…，n+m端口对系统的归一化入射波，特征向量[b_t]表示发射天线归一化反射波，b₁,b₂,...,b_n分别表示1,2,…，n端口对系统的归一化反射波，特征向量[b_r]表示接收天线归一化反射波，b_n+1,b_n+2,...,b_n+m表示n+1,n+2,…,n+m端口对系统的归一化反射波，上标T表示矩阵的转置，S_tt表示发射阵列各单元之间的散射矩阵，S_tr表示各接收天线与发射天线阵列各单元之间的散射矩阵，S_rt表示发射阵列各单元到各接收天线之间的散射矩阵，S_rr表示各接收天线的散射系数；设整个传输系统匹配良好，则有[a_r]＝0，代入式(1)得：

[b_r]＝[S_rt][a_t] (2)

为控制发送天线阵列在远场区的功率分布，引入权重矩阵[W]＝diag(w₁,w₂,...,w_m)可得：

[b′_r]＝[W][b_r]＝[w₁b_n+1,w₂b_n+2,...,w_mb_n+m]^T (3)

其中，w₁,w₂,...,w_m为相应的测试天线n+1,n+2,…,n+m的权重系数，有式(2)和(3)可得：

[b′_r]＝[W][S_rt][a_t]＝[S′_rt][a_t] (4)

其中，由于测试天线放置在发送阵列的远场区，故各接收天线两两之间的相位差忽略不计，将发射天线阵列与接收天线之间的功率传输效率T_array定义为接收天线负载所接收的功率与发射天线输入功率的比值，即：

当功率传输效率最大时，得到下式：

[A′][a_t]＝T_array[a_t] (6)

其中[A′]＝[S′_rt]^H[S′_rt]；由式(6)求出的特征值中，最大特征值就是系统可能实现的最大传输效率，最大特征值对应的特征向量即为各天线单元所需的最佳激励。

优选的，双向端射天线的优化设计方法可以总结为以下几个步骤：

(1)、选取在轴向方向上有较大辐射增益的天线结构作为阵列的单元，并沿着端射方向将所选单元纵向排列组成n端口阵列，同时在天线阵列产生双向端向辐射的两端的远场位置各放置一个接收天线(测试天线)，从而构成n+2端口的无线功率传输系统；

(2)、通过电磁仿真软件(HFSS)对整个n端口天线阵列行仿真，并获得相应的散射参数；

(3)、将求得的散射参数带入能量传输最优化理论的特征式方程式(6)中求解，得到最大传输效率及对应的特征向量，即可得到最优激励对应的幅值和相位，通过改变接收天线的权重系数获得不同功率分配比下的最优激励分布；

(4)、根据优化得到激励分布的调节射频电路获得各端口所需的幅值、相位分布；

(5)、将馈电电路和阵列天线连接起来，构成完整阵列天线系统，通过对比实验测得的数据和仿真结果研究所设计的天线的相关性质。

优选的，步骤(5)中的实际测量办法，测得的辐射方向图如图3所示，当接收天线的权重比从0增加到1时，双向端射天线方向图的E平面中的其中一个方向上的端射增益从1.5变化到10.2dBi，且当双向增益相等时，即权重比为1时，双向端射天线的增益均为9.3dBi，由于该天线阵列的结构是对称的，因此此处仅给出一个方向端射增益的调整情况；当-y轴方向上(θ＝90°,)的端射增益随权重比的增加而逐渐增加时，+y轴方向上(θ＝90°,)的端射增益的变化非常小，保持在1dB以内；从图3中可以找出其中的原因，不难发现在-y轴方向(θ＝90°,)端射增益变大同时，从图中可以看出-y方向的旁瓣在逐渐变小；因此，致使-y轴方向(θ＝90°,)端射增益增加的能量大部分是由-y方向的旁瓣所提供，而不是来自+y轴方向；因此，当两个端射方向中其中一个轴向上的端射增益变化时，对另一个相反的轴向上的端射增益的影响并不是很大，几乎保持在1dB以内；测量需要的具体步骤如下：

(1)、准备测量需要的设备，包括被测天线、参考天线、传输线、信号发生器和矢量网络分析仪；所述被测天线指的是已设计的天线，所述参考天线选用喇叭天线；

(2)、将参考天线与信号发生器通过传输线连接，矢量网络分析仪与被测天线通过传输线连接，参考天线与被测天线之间的距离为d，参考天线放置在被测天线的远场；

(3)、设置信号发生器频率f，发射功率P_T,dB；

(4)、通过矢量网络分析仪测得参考天线与信号发生器之间传输线的损耗l_T,dB，被测天线与矢量网络分析仪之间传输线的损耗l_R,dB；

(5)、将参考天线与被测天线的高度调整到同一水平面，测出矢量网络分析仪接收到的功率P_R,dB；

(6)、设参考天线工作在频率f时的增益G_T,dB，然后将测得的上述参数代入公式：

(P_R,dB-l_R,dB)-(P_T,dB+l_T,dB)＝G_T,dB+G_R,dB-20log₁₀f-20log₁₀d+147.56经过计算得出被测天线在当前测试角度的增益G_R,dB；

(7)、保持被测天线不动，将参考天线旋转θ角度，重复步骤(5)和步骤(6)；

(8)、将在参考天线调整到不同角度下得到的增益G_R,dB导入函数绘图软件中即可得到被测天线的辐射方向图。

本专利设计由介质基板，天线阵列和馈电网络电路板组成，具有制作简单，费用较低的特点；天线的设计过程中，所有散射参数均由电磁仿真软件HFSS15.0优化设计得到；本发明在功率传输效率最大化理论的基础上引入加权矩阵从而实现对接收天线功率的人为分配，即实现了对发射阵列各波束增益的调控；利用功率传输效率最大化理论进行计算，可以直接得到最大传输效率，这意味着天线的辐射特性达到最佳；这是以往技术方法无法达到的。

为了令双向端射天线拥有良好的端向辐射性能，不仅需要天线阵列的辐射单元在端射方向上用于良好的辐射增益，还需要设计可以为阵元提供所需的相应激励分布的馈电方案。传统的天线阵列一般通过设计与其天线单元端口相匹配的馈电网络对阵列各端口进行馈电从而实现所期望的阵列辐射性能。优秀的馈电网络设计往往具有占用空间小、价格便宜、损耗低、辐射小等优点。但馈电网络因为其不可调性，因此无法实现双向端射增益调控。在馈电电路板设计中，输入信号经过功分器分配给对称的四个支路，为了避免支路信号之间的相互干扰，功分器将支路之间的隔离度控制在-20dB以下；通过旋转各支路上的滑动变阻器改变其阻值，实现对衰减器和移相器的控制电压的调节功能，从而实现对各支路输出的幅值和相位的控制，使其能够输出满足双向端射天线不同权重比情况下各端口的最优幅值相位分布情况；馈电电路各支路中的升压电路的引入是为了增大输出电压的可调范围以及保证电压输出的稳定性，当馈电电路总输入电压为9V时，各支路衰减器的输出电压0～9V范围内变化，各支路移相器的输出电压变化范围是2.5～12V；将输入电压定为9V，可以选择电池来供电，避免了使用电压源过程中测量和携带不便；在使用过程中还需注意，电池在使用过程中电压会降低，所以在每次测量之前，我们都需要检查电池的电量，及时更换电池。

所设计的四单元印刷偶极子阵列是使用激光雕刻机将印刷偶极子单元刻蚀在无金属地的Rogers-4003介质基板上，该型号介质基板的介电常数为ε_r＝3.55，损耗正切值为0.0022；如图1示为四单元中心馈电印刷偶极子天线阵列的加工实物图；该天线阵列各参数尺寸详见表1。

表1四单元中心馈电印刷偶极子天线阵列各参数尺寸

天线实物制作完成后，利用Agilent N9918A(频率30KHz-26.5GHz)矢量网络分析仪测得天线反射系数S₁₁，将其与仿真得到的S₁₁进行对比，如图2所示；天线的实测与仿真基本一致。

本发明不限定天线的单元形式以及工作频率；本发明也不限定单元数量，根据需求调整单元数量；本发明在功率传输效率最大化理论的基础上引入加权矩阵从而实现对接收天线功率的人为分配，即实现了对发射阵列各波束增益的调控；采用上述设计方法可将单元间的耦合以及复杂环境的影响包含在散射矩阵中，更加方便灵活的配置阵列单元，减轻阵列天线设计的工作负担；本发明提出的设计方法与传统阵列设计方法相比具有明显优势，不仅达到在保证端射增益不变的情况下，大幅减小天线尺寸的目的，还能够将复杂的电磁环境考虑其中，极大地简化了天线设计过程，而且还实现双向端射增益的人为调控的作用。

Claims (6)

1.一种增益可调控双向端射天线，其特征在于，包括介质基板，天线阵列及馈电网络电路板；所述的介质基板上刻蚀天线阵列作为天线基板，所述馈电网络电路板的输出激励端口与天线单元的馈电端口通过信号线相连接。

2.根据权利要求1所述的一种增益可调控双向端射天线，其特征在于，所述的天线阵列由四个尺寸相同，间隔一致的半波印刷偶极子纵向排列而成。

3.根据权利要求1所述的一种增益可调控双向端射天线，其特征在于：所述的天线基板，由激光雕刻机根据天线阵列的形状尺寸将铜皮刻蚀在介质基板上得出。

4.根据权利要求1所述的一种增益可调控双向端射天线，其特征在于，所述的馈电网络电路板由一分四功分器分出四个支路，每个支路上包括移相器、衰减器及升压电路。

5.如权利要求1-4所述的一种增益可调控双向端射天线的优化方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

(1)、根据天线单元的数量及尺寸间距，设计出工作频率f的天线辐射单元；

(2)、将步骤(1)的天线辐射单元组成发射天线阵列，计算远场距离，并在天线阵列两端的远场分别放置接收天线；

(3)、利用加权功率传输效率最大化理论，优化发射天线阵列各单元的激励分布情况；

(4)、根据步骤(3)中优化得到的不同加权系数情况下各单元的激励分布情况，使用馈电网络电路板调出阵列天线各单元所需的最佳激励；

(5)、做出实物并进行实际测量，对比实测结果与仿真结果；当对比实测结果与仿真结果不符合要求，重复步骤(1)至步骤(5)，直到设计出符合要求的天线。

6.根据权利要求4所述的一种增益可调控双向端射天线的优化方法，其特征在于：在步骤(3)中，利用加权功率传输效率最大化理论，优化发射天线阵列各单元的激励分布情况；其具体操作方法如下：

首先，设计一个传输系统，为一个n端口的发射天线阵列和m个测试接收天线构成一个功率传输系统；所述整个传输系统是一个n+m端口网络，用(n+m)×(n+m)散射矩阵表示，如式(1)所示：

(1)式中

[a_t]＝[a₁,a₂,...,a_n]^T,

[a_r]＝[a_n+1,a_n+2,...,a_n+m]^T,

[b_t]＝[b₁,b₂,...,b_n]^T,

[b_r]＝[b_n+1,b_n+2,...,b_n+m]^T,

其中，特征向量[a_t]表示发射天线归一化入射波，a₁,a₂,...,a_n分别表示1,2,…，n端口对系统的归一化入射波，特征向量[a_r]表示接收天线归一化入射波，a_n+1,a_n+2,...,a_n+m表示n+1,n+2,…，n+m端口对系统的归一化入射波，特征向量[b_t]表示发射天线归一化反射波，b₁,b₂,...,b_n分别表示1,2,…，n端口对系统的归一化反射波，特征向量[b_r]表示接收天线归一化反射波，b_n+1,b_n+2,...,b_n+m表示n+1,n+2,…,n+m端口对系统的归一化反射波，上标T表示矩阵的转置，S_tt表示发射阵列各单元之间的散射矩阵，S_tr表示各接收天线与发射天线阵列各单元之间的散射矩阵，S_rt表示发射阵列各单元到各接收天线之间的散射矩阵，S_rr表示各接收天线的散射系数；设整个传输系统匹配良好，则有[a_r]＝0，代入式(1)得：

[b_r]＝[S_rt][a_t] (2)

为控制发送天线阵列在远场区的功率分布，引入权重矩阵[W]＝diag(w₁,w₂,...,w_m)可得：

[b′_r]＝[W][b_r]＝[w₁b_n+1,w₂b_n+2,...,w_mb_n+m]^T (3)

其中，w₁,w₂,...,w_m为相应的测试天线n+1,n+2,…,n+m的权重系数，有式(2)和(3)可得：

[b′_r]＝[W][S_rt][a_t]＝[S′_rt][a_t] (4)

其中，由于测试天线放置在发送阵列的远场区，故各接收天线两两之间的相位差忽略不计，将发射天线阵列与接收天线之间的功率传输效率T_array定义为接收天线负载所接收的功率与发射天线输入功率的比值，即：

当功率传输效率最大时，得到下式：

[A′][a_t]＝T_array[a_t] (6)

其中[A′]＝[S′_rt]^H[S′_rt]；由式(6)求出的特征值中得出，最大特征值为该传输系统实现的最大传输效率，最大特征值对应的特征向量即为各天线单元所需的最佳激励。