CN112736458A - 多元阵列宽频带解耦合网络 - Google Patents

多元阵列宽频带解耦合网络 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多元阵列宽频带解耦合网络，属于有源相控阵天线和Massive MIMO(Massive multiple‑input and multiple‑output，大规模多输入多输出)阵列天线技术领域。本发明所述的解耦合网络结构紧凑；易于集成、易于加工；可实现宽频带内低损耗、有效解耦合；本发明所述包含群时延节的宽频带解耦合网络模型，可广泛适用于线性阵列(不受辐射单元类型、工作频段、单元数目以及阵列布局限制)；不牺牲阵列辐射单元原有的辐射、极化以及阻抗匹配特性；应用于多元阵列时，优势突出，在有效削减任意相邻单元间耦合效应的前提下，并不牺牲非相邻单元间的端口隔离度(通常，在多元线性阵列中，非相邻单元之间已具备足够的隔离度)。

Description

多元阵列宽频带解耦合网络
技术领域
本发明属于有源相控阵天线和Massive MIMO(Massive multiple-input andmultiple-output，大规模多输入多输出)阵列天线技术领域，具体涉及一种结构紧凑、易于集成且广泛适用于平面宽角扫描相控阵或线性Massive MIMO天线的宽频带解耦合网络。
背景技术
相比于机械扫描天线，有源相控阵波束切换灵活，可实现无惯性的快速电扫描，具备灵敏度高、可靠性强、机动性强、数据率高等明显优势，在卫星通信和雷达领域受到广泛、密切的关注。平面宽角扫描阵列因其宽视场范围特点备受青睐，目前，此类阵列的宽带化设计成为研究热点。为拓展阵列扫描范围和缓和波束切换过程中峰值增益的波动，所提出的一种重要的技术手段是采用半功率波束宽度(即3-dB波束宽度)较宽的单元来构建阵列，这通常意味着阵列环境中较强的耦合效应。互耦效应带来的不利影响包括：1)有源单元方向图(active element pattern，缩略为AEP)的畸变，进而影响阵列波束赋形，使波束峰值与零点偏离预定方向；2)馈电端口有源阻抗随扫描角度发生变化，即影响宽角阻抗匹配性能，甚至导致扫描盲点，影响后端发射/接收(T/R)模块的性能；3)压缩有效的、可用的波束扫描范围；4)加剧波束切换过程中峰值增益的不稳定性；5)通道校准和阵列故障诊断的难度增大。因此，在宽频带内控制或补偿阵列耦合效应显得尤为重要。
现有文献中可查的解耦合网络，多数仅适用于二元、三元阵列解耦合，而对于大规模阵列或耦合效应复杂的阵列束手无策；多数解耦合网络仅能够在较窄的频率范围内实现解耦合，无法在阵列单元的整体工作频段内实现解耦合。此外，加载人工电磁带隙结构、加载极化转换结构、加载近场谐振结构以及覆盖解耦合超材料层等去耦策略通常面临适用范围窄、结构冗余、难以集成等问题，甚至牺牲辐射单元原有的阻抗带宽、远场方向图与极化特性。设计结构紧凑、广泛适用于多元阵列(单元数目超过三个)天线的宽带解耦合网络仍然极富挑战性。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种多元阵列宽频带解耦合网络，结构紧凑、易于集成，可广泛适用于多元阵列，且加载该解耦合网络并不牺牲辐射单元既有的匹配性能、辐射性能和极化特性。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：
一种多元阵列宽频带解耦合网络，包括两个宽带定向耦合器、群时延节、相位延迟传输线和两个电阻性负载；
两个宽带定向耦合器的结构参数相同，第一宽带定向耦合器的耦合端、群时延节、相位延迟传输线和第二宽带定向耦合器的耦合端依次连接；第一宽带定向耦合器的隔离端通过第一电阻性负载接地，第二宽带定向耦合器的隔离端通过第二电阻性负载接地。
第一宽带定向耦合器的直通端连接第一辐射单元，第二宽带定向耦合器的直通端连接第二辐射单元，两个辐射单元相同；第一宽带定向耦合器的输入端作为第一辐射单元的馈电端口，第二宽带定向耦合器的输入端作为第二辐射单元的馈电端口。
进一步的，调节解耦合网络中定向耦合器的电压耦合因数，使得辐射单元间直接耦合效应和由解耦合网络引入的附加耦合的耦合系数幅度相等。
进一步的，调节解耦合网络中引入的群时延节，使得辐射单元间直接耦合效应和解耦合网络的附加耦合路径的群时延匹配。
进一步的，调节解耦合网络中引入的相位延迟传输线，使得辐射单元间直接耦合效应和解耦合网络的附加耦合路径所对应的耦合系数的相位差介于150°～210°之间。
优选的，多元阵列宽频带解耦合网络还包括两个相同的阻抗匹配电路，第一宽带定向耦合器的输入端连接第一阻抗匹配电路，第二宽带定向耦合器的输入端连接第二阻抗匹配电路，两个阻抗匹配电路的输入端作为两个辐射单元的馈电端口。
群时延节和相位延迟传输线的次序可根据设计需求调换，理论上，互换两种的位置并不影响解耦合网络性能。
基于上述多元阵列宽频带解耦合网络，本发明还提供了一种多元阵列低剖面微带式宽频带解耦合网络，包括N个输入链路、N+1个附加链路、介质基板和金属地板，N≥3；输入链路位于相邻的两个附加链路中间；N个输入链路和N+1个附加链路位于介质基板的上表面，金属地板位于介质基板的下表面；
输入链路为阶梯状的微带传输线；附加链路包括紧凑的曲折微带式群时延节、相位延迟微带线、两个相同的耦合线和两个相同的贴片电阻；曲折微带式群时延节的一端连接第一耦合线，另一端连接相位延迟微带线；相位延迟微带线的另一端连接第二耦合线；第一耦合线连接第一贴片电阻，第二耦合线连接第二贴片电阻；两个贴片电阻通过接地金属化通孔接地；
耦合线和相邻的输入链路形成宽带定向耦合器；
输入链路的起始端作为馈电端口，终端连接辐射单元。
进一步的，调节输入链路和耦合线间的距离，使得相邻辐射单元间直接耦合效应和由解耦合网络引入的附加耦合的耦合系数幅度相等。
进一步的，调节曲折微带式群时延节分段的数目和的各分段的长度，使得相邻辐射单元间直接耦合效应和解耦合网络的附加耦合路径的群时延匹配。
进一步的，调节解耦合网络中引入的相位延迟微带线的电长度，使得相邻辐射单元间直接耦合效应和解耦合网络的附加耦合路径的耦合系数的相位差介于150°～210°之间。
更优的，与输入链路距离最近的两个宽带定向耦合器对应的金属地板刻蚀有矩形环状缝隙，矩形环状缝隙跨越两个宽带定向耦合器。
本发明的有益效果是：
本发明所述的解耦合网络结构紧凑；易于集成、易于加工；可实现宽频带内低损耗、有效解耦合；本发明所述包含群时延节的宽频带解耦合网络模型，可广泛适用于线性阵列(不受辐射单元类型、工作频段、单元数目以及阵列布局限制)；不牺牲阵列辐射单元原有的辐射、极化以及阻抗匹配特性；应用于多元阵列时，优势突出，在有效削减任意相邻单元间耦合效应的前提下，并不牺牲非相邻单元间的端口隔离度(通常，在多元线性阵列中，非相邻单元之间已具备足够的隔离度)。
附图说明
图1为本发明所述多元阵列宽频带解耦合网络的组成示意图；
图2为本发明所述多元阵列低剖面微带式宽频带解耦合网络的
图3为本发明所述多元阵列低剖面微带式宽频带解耦合网络中附加链路的结构示意图；
图4为实施例二中辐射单元及阵列结构示意图；
图5为实施例二所述解耦合网络应用于辐射单元及阵列的结构示意图；
图6为实施例二中加载解耦合网络之后，单元馈电端口反射系数以及端口间耦合系数仿真结果示意图；
图7为实施例二中加载解耦合网络之后，单元辐射方向图仿真结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
实施例一
本实施例提供一种多元阵列宽频带解耦合网络，包括两个宽带定向耦合器、群时延节、相位延迟传输线和两个电阻性负载；
两个宽带定向耦合器的结构参数相同，第一宽带定向耦合器的耦合端、群时延节、相位延迟传输线和第二宽带定向耦合器的耦合端依次连接；第一宽带定向耦合器的隔离端通过第一电阻性负载接地，第二带定向耦合器的隔离端通过第二电阻性负载接地。
第一宽带定向耦合器的直通端连接第一辐射单元，第二宽带定向耦合器的直通端连接第二辐射单元，两个辐射单元相同；第一宽带定向耦合器的输入端作为第一辐射单元的馈电端口，第二宽带定向耦合器的输入端作为第二辐射单元的馈电端口。
进一步的，未加载解耦合网络的情形下，考察相邻辐射单元之间直接耦合效应(具体指辐射单元之间存在的近场耦合、远场耦合或者表面波耦合效应，本实施例中统称为直接耦合效应，体现在辐射单元馈电端口处，即为耦合系数或互阻抗)，仿真或测试此时相邻辐射单元各输入端口处的耦合系数。依据耦合系数的幅度随频率变化的曲线，调节解耦合网络中定向耦合器的电压耦合因数，使得辐射单元间直接耦合效应和由解耦合网络引入的附加耦合的耦合系数幅度相等。
进一步的，仿真或测试不加载解耦合网络时相邻辐射单元各输入端口处耦合系数的群时延(对应于辐射单元间的直接耦合效应)。依据仿真或测试所得群时延曲线，调节解耦合网络中引入的群时延节，使得辐射单元间直接耦合效应和解耦合网络的附加耦合路径的群时延匹配。
进一步的，调节解耦合网络中引入的相位延迟传输线，使得辐射单元间直接耦合效应和解耦合网络的附加耦合路径所对应的耦合系数的相位差介于150°～210°之间。
优选的，多元阵列宽频带解耦合网络还包括两个相同的阻抗匹配电路，第一宽带定向耦合器的输入端连接第一阻抗匹配电路，第二宽带定向耦合器的输入端连接第二阻抗匹配电路，两个阻抗匹配电路的输入端作为两个辐射单元的馈电端口。
群时延节和相位延迟传输线的次序可根据设计需求调换，理论上，互换两种的位置并不影响解耦合网络性能。
若辐射单元之间的直接耦合效应与解耦合网络所引入的附加耦合在相邻的辐射单元的馈电端口处呈现如下情形：1)工作频段内任意频率点对应的耦合系数幅度基本一致；2)任意频率点处的相位差介于150°～210°，上述两种耦合效应相互抵消，实现宽频带内的有效解耦合。对于常见的由宽波束单元构成的阵列，直接耦合效应所对应的耦合系数的幅度在工作频段内表现出相对稳定且缓慢下降趋势，因此采用宽带定向耦合器合符合理论需求。采用插入损耗低、传输群时延在宽频带内稳定且易于精细调整的群时延节，其意义在于：在阵列馈电端口处，确保由解耦合网络引入的附加耦合效应与辐射单元之间的直接耦合效应于任意工作频点处体现反相特征。
实施例二
基于实施例一所述多元阵列宽频带解耦合网络，本实施例提供了一种多元阵列低剖面微带式宽频带解耦合网络，包括N个输入链路、N+1个附加链路、介质基板和金属地板，N≥3；输入链路位于相邻的两个附加链路中间；N个输入链路和N+1个附加链路位于介质基板的上表面，金属地板位于介质基板的下表面；
输入链路为阶梯状的微带传输线；附加链路包括紧凑的曲折微带式群时延节、相位延迟微带线、两个相同的耦合线和两个相同的贴片电阻；曲折微带式群时延节的一端连接第一耦合线，另一端连接相位延迟微带线；相位延迟微带线的另一端连接第二耦合线；第一耦合线连接第一贴片电阻，第二耦合线连接第二贴片电阻；两个贴片电阻通过接地金属化通孔接地；
耦合线和相邻的输入链路形成宽带定向耦合器；
输入链路的起始端作为馈电端口，终端连接辐射单元。
电阻性负载由贴片电阻实现，其阻抗与定向耦合器的隔离端的特性阻抗匹配。
阵列中辐射单元均采用微带传输线馈电，各个阶梯状的微带传输线的结构参数一致且长度至少达到λg/4，λg为阵列单元中心工作频率所对应的传输线工作波长；仿真或者测试未加载解耦合网络时，相邻单元馈电端口间的耦合系数，对应于辐射单元间的直接耦合效应，具体关注耦合系数的幅度与相位在工作频带内随频率变化的趋势。
调节输入链路和耦合线间的距离，使得相邻辐射单元间直接耦合效应和由解耦合网络引入的附加耦合的耦合系数幅度相等。
调节曲折微带式群时延节分段的数目和的各分段的长度，使得相邻辐射单元间直接耦合效应和解耦合网络的附加耦合路径的群时延匹配。群时延节可实现宽频带内传输群时延的精细调节；群时延节具备极低的插入损耗；群时延节基于紧凑的曲折微带传输线实现，各分段的长度接近工作波长的四分之一；通过增加或削减曲折微带传输线的分段数目，实现传输群时延的宽范围调整；通过微调各分段的长度，实现传输群时延的精细调节。
调节解耦合网络中引入的相位延迟微带线的电长度，使得相邻辐射单元间直接耦合效应和解耦合网络附加耦合路径的耦合系数的相位差介于150°～210°之间。
更优的，与输入链路距离最近的两个宽带定向耦合器对应的金属地板刻蚀有矩形环状缝隙，矩形环状缝隙跨越两个宽带定向耦合器。宽带定向耦合器由微带平行线耦合器演化而来，通过在金属底板的优选位置蚀刻矩形环状缝隙，使得各设定端口在宽频带内分别体现稳定的匹配、传输、耦合与隔离特征；定向耦合器具备低插入损耗特性。
图4为辐射单元及阵列结构示意图，将本实施例所述解耦合网络应用于图4所述的阵列，加载解耦合网络的三单元阵列结构示意图如图5所示。阵列的辐射单元基于由微带传输线馈电的基片集成波导腔(substrate integrated waveguide cavity,英文缩写为SIC)，并在SIC金属镀层蚀刻多条串行缝隙。单元从自上至下，由涂覆于基片上表面且蚀刻狭窄缝隙的金属薄层、介质基片、规则排布的金属化通孔和涂覆于基片下层的金属薄层(视为“接地面”)构成。阵列单元的结构参数为(单位：毫米)：D1＝2.7,D2＝2.9,D3＝1.5,La＝46,Wa＝13,Ws＝12.6,W4＝2。
任意相邻辐射单元间加载本实施例所述解耦合网络，考虑到辐射单元采用长度为至少λg/4的微带传输线馈电，宽带定向耦合器中包含输入端和直通端的单侧耦合线可由上述馈电传输线替代。对网络中的群时延节和附加传输线参数进行优化、更新。解耦合网络结构参数为：A＝6,B＝1.5,C＝0.4,D＝1.5,W1＝3,W2＝1.2,W3＝2.4,Dc＝0.3,Dy＝7.7。
图6为本实施例中加载解耦合网络的阵列反射系数和耦合系数仿真结果示意图。利用CST Microwave Studio对加载解耦合网络的阵列进行仿真，得到：在9.6GHz至10.6GHz频段内S11参数低于-10dB；而在9.6GHz至10.6GHz频段内，S21与S31幅值均低于-20dB，更优的，在9.7GHz至10.7GHz频段内，S21与S31幅值均低于-25dB。验证了阵列宽带工作性能，验证了解耦合网络实现的宽频带解耦合效果。
图7为实施例中加载解耦合网络之后阵列中间单元的辐射方向图示意图。利用CSTMicrowave Studio软件仿真，端口二与端口三接匹配负载，对端口一馈电。该辐射方向图为10.2GHz时E面辐射方向图，在E面-90度至+90度范围内，交叉极化比低于-12dB。
本实施例所述解耦合网络中，由于宽带定向耦合器内单侧耦合线的终端连接了阻抗与之相匹配的电阻性负载，因此规避了在多元阵列中采用解耦合网络时可能造成的非相邻单元间的信号串扰，且最大程度削减了非必要的能量损耗。具体地，若宽带定向耦合器各端口性能越优异、定向耦合器单侧传输线终端与电阻性负载匹配越好，则相邻单元间耦合效应抑制效果越好、非相邻单元间引入额外信号串扰的可能性越低、馈电能量损耗越低。本实施例所述解耦合网络可实现多元阵列中任意相邻单元间的解耦合，且采用该解耦合网络并不牺牲非相邻单元间端口隔离度。

Claims (4)

1.一种多元阵列宽频带解耦合网络，其特征在于，包括两个宽带定向耦合器、群时延节、相位延迟传输线和两个电阻性负载；
两个宽带定向耦合器的结构参数相同，第一宽带定向耦合器的耦合端、群时延节、相位延迟传输线和第二宽带定向耦合器的耦合端依次连接；第一宽带定向耦合器的隔离端通过第一电阻性负载接地，第二宽带定向耦合器的隔离端通过第二电阻性负载接地；
第一宽带定向耦合器的直通端连接第一辐射单元，第二宽带定向耦合器的直通端连接第二辐射单元，两个辐射单元相同；第一宽带定向耦合器的输入端作为第一辐射单元的馈电端口，第二宽带定向耦合器的输入端作为第二辐射单元的馈电端口。
调节解耦合网络中定向耦合器的电压耦合因数，使得辐射单元间直接耦合效应和由解耦合网络引入的附加耦合的耦合系数幅度相等。
调节解耦合网络中引入的群时延节，使得辐射单元间直接耦合效应和解耦合网络的附加耦合路径的群时延匹配。
调节解耦合网络中引入的相位延迟传输线，使得辐射单元间直接耦合效应和解耦合网络的附加耦合路径所对应的耦合系数的相位差介于150°～210°之间。
2.根据权利要求1所述的多元阵列宽频带解耦合网络，其特征在于，多元阵列宽频带解耦合网络还包括两个相同的阻抗匹配电路，第一宽带定向耦合器的输入端连接第一阻抗匹配电路，第二宽带定向耦合器的输入端连接第二阻抗匹配电路，两个阻抗匹配电路的输入端作为两个辐射单元的馈电端口。
3.一种多元阵列低剖面微带式宽频带解耦合网络，其特征在于，包括N个输入链路、N+1个附加链路、介质基板和金属地板，N≥3；输入链路位于相邻的两个附加链路中间；N个输入链路和N+1个附加链路位于介质基板的上表面，金属地板位于介质基板的下表面；
输入链路为阶梯状的微带传输线；附加链路包括紧凑的曲折微带式群时延节、相位延迟微带线、两个相同的耦合线和两个相同的贴片电阻；曲折微带式群时延节的一端连接第一耦合线，另一端连接相位延迟微带线；相位延迟微带线的另一端连接第二耦合线；第一耦合线连接第一贴片电阻，第二耦合线连接第二贴片电阻；两个贴片电阻通过接地金属化通孔接地；
耦合线和相邻的输入链路形成宽带定向耦合器；
输入链路的起始端作为馈电端口，终端连接辐射单元；
调节输入链路和耦合线间的距离，使得相邻辐射单元间直接耦合效应和由解耦合网络引入的附加耦合的耦合系数幅度相等。
调节曲折微带式群时延节分段的数目和的各分段的长度，使得相邻辐射单元间直接耦合效应和解耦合网络的附加耦合路径的群时延匹配。
调节解耦合网络中引入的相位延迟微带线的电长度，使得相邻辐射单元间直接耦合效应和解耦合网络的附加耦合路径的耦合系数的相位差介于150°～210°之间。
4.根据权利要求3所述的多元阵列低剖面微带式宽频带解耦合网络，其特征在于，与输入链路距离最近的两个宽带定向耦合器对应的金属地板刻蚀有矩形环状缝隙，矩形环状缝隙跨越两个宽带定向耦合器。
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