CN112906188A - 一种阵列天线的曲线槽解耦结构形状优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通讯天线领域，涉及一种阵列天线的曲线槽解耦结构形状优化设计方法。采用本发明的方法使得含有曲线槽解耦结构的阵列天线在满足特定频段设计需求的同时，还具有良好的解耦性能。所述的曲线槽解耦结构整体结构简单、尺寸小，其结构形式是通过建立了一种曲线槽解耦结构形状优化的设计方法来实现的。决定其结构形式的曲线形状参数是由该曲线与对应直线槽解耦结构直线间的隐式距离函数通过多阶三角函数离散后获得的。本发明的设计方法设计范围广、适用性强，通过设计曲线槽的曲线形状参数来减少阵列天线的互耦效应，极大地提高了阵列天线阵元间的隔离度，从而实现阵列天线的解耦性能。

Description

一种阵列天线的曲线槽解耦结构形状优化设计方法

技术领域

本发明属于无线通讯天线领域，涉及一种阵列天线的曲线槽解耦结构形状优化设计方法。

背景技术

随着无线通讯系统飞速发展，越来越多的新技术具有容量大、传输率高和可靠性强的特点。在这众多的新技术当中，多输入多输出(MIMO)技术无疑是目前移动通信领域最具潜力的无线通讯技术之一，它对于提高信道容量和数据传输速率有着独特的优势。MIMO阵列天线在接收端和发射端各自具有多个端口同时传输，需要同时处理多个信道的复杂信息流，往往会使得阵列天线系统体积过大无法满足当前通讯设备小型化的设计需求，但如果将复杂的MIMO阵列天线系统压缩在狭小的体积内，势必导致阵列天线阵元的间距过小(通常阵列天线阵元间距需大于二分之一波长)，产生较强的相互耦合效应，严重影响MIMO阵列天线的辐射特性和解耦性能。因此，针对阵列天线体积和强互耦的设计矛盾，在有限的空间内设计具有良好辐射特性和解耦性能的MIMO阵列天线成为当前研究热点问题。

目前，在阵元间距过近的MIMO阵列天线中设计不同形式的解耦结构是解决这类问题一种有效的方式。研究表明，解耦结构可以抑制阵列天线阵元间的表面波干扰，减少阵元间的互耦效应，提高阵元间的隔离度及辐射性能。例如专利(CN109713448A)中提出了一种用于改善双极化阵列天线隔离度的解耦结构及带有该结构的天线，该解耦结构采用若干完全相同的交叉C型解耦结构单元，通过调整C型解耦结构的尺寸和位置，可以改善双极化阵列天线各端口间的隔离度。但该解耦结构的结构形式较为复杂，往往难以加工和制造。

在现有的专利和文献的研究当中，MIMO阵列天线解耦的方式大多采用电磁带隙结构(Electromagnetic Band Gap Structure,EBG)，缺陷地结构(Defected GroundStructure,DGS)等，都获得了良好的解耦性能。其中，DGS是MIMO阵列天线极具代表性的解耦结构之一。DGS结构的解耦机理是通过在接地板开槽的方式改变阵列天线表面电流分布，继而通过调控阵列天线的隔离度相关系数来减少阵元间的互耦效应。例如文献“Design ofTri-Band MIMO Antenna with Improved Isolationusing DGS and Vias”等利用设计的DGS解耦结构减少了超过12dB阵元间的互耦效应，但是该设计的DGS解耦结构构型十分复杂且设计手段较为单一。除此之外，文献“High port isolation of a dual polarizedmicrostripantenna array using DGS”等研究了在双极化微带贴片天线接地板上设计方头十字形DGS解耦结构，并实现了良好的解耦性能，虽然设计的DGS解耦结构构型简单，但是仍存在设计手段单一的问题。

综合研究发现，在实现减少MIMO阵列天线互耦效应方面，DGS还存在结构形式复杂、设计手段单一的问题。因此，为满足DGS实际应用中的需求，设计结构形式简单、尺寸小的DGS解耦构型并研究设计手段灵活的解耦结构优化设计方法具有十分重要的意义。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种阵列天线的曲线槽解耦结构形状优化设计方法；采用本发明方法使得曲线槽解耦结构具有良好的解耦性能，同时使得多输入多输出(MIMO)阵列天线满足WLAN频段的设计需求，阵列天线整体结构简单、尺寸小。本发明的设计方法设计范围广、适用性强，该设计方法通过设计曲线槽的曲线形状参数来减少MIMO阵列天线的互耦效应，极大地提高了阵列天线阵元间的隔离度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术手段如下：

一种阵列天线的曲线槽解耦结构形状优化设计方法，包括以下的步骤：

第一步：设计直线槽解耦结构：依据特定频段及阵列天线构型确定直线槽解耦结构的尺寸(包括直线槽长度W_S、宽度L_S)和位置X_S：

具体方法是：通过尺寸参数设计的方法，对阵列天线的接地板(3)上的直线槽解耦结构的基本尺寸和位置进行具体设计。

第二步：确定曲线槽解耦结构(4)的曲线距离函数；

确定曲线槽解耦结构(4)的曲线距离函数并通过多阶三角函数展开式进行离散：

具体方法是：依据第一步的直线槽解耦结构的尺寸和位置，在W_S的区域内设计曲线槽解耦结构(4)的曲线形式，并保证曲线槽的宽度始终为L_S，曲线槽解耦结构(4)的曲线形式需设计曲线距离函数来确定，曲线距离函数的隐式函数形式为：

f＝L_m(x)

曲线距离函数可通过多阶三角函数展开式进行离散，并以此对曲线槽解耦结构进行参数化建模，在具体通过多阶三角函数展开式进行离散的距离函数形式为：

其中：L_m是曲线距离函数，q_i是曲线形状参数，q_i＝{q₁,q₂,...,q_n}，L_i是三角函数展开式中的振幅，t是沿条形长度方向的参数变量，t∈[0,1]，n是曲线形状离散精度，根据所需的n确定曲线形状参数的个数。根据所需的q_i来确定取值范围。

第三步：提取曲线距离函数中的曲线形状参数q_i，定义优化问题，建立优化列式：

具体方法是：根据第二步中的参数化模型提取曲线形状参数q_i并构造优化问题。该设计方法的优化问题是优化阵列天线曲线槽解耦结构中的曲线形状参数q_i＝{q₁,q₂,...,q_n}，保证阵列天线在所需频带内正常工作(反射系数S₁₁小于-10dB)的同时，最小化阵列天线的隔离度相关系数S₂₁。反射系数S₁₁表征阵列天线辐射性能的优劣；隔离度相关系数S₂₁表征阵列天线解耦性能的优劣。

根据提出的优化问题列出解决该优化问题的优化列式，该优化列式如下：

其中：Φ为适应度函数，Z为阵列天线的特征阻抗矩阵，V为激励电压，J为待求的表面电流，α，β为权重因子，曲线形状参数q_i的取值范围为

第四步：计算第三步中的优化列式，获得最优曲线形状参数q_i；

获得曲线形状参数的最优解，具体方法是：通过所述的优化列式，利用HighFrequency Structure Simulator(HFSS)仿真软件计算控制方程并利用遗传算法(GeneticAlgorithm)求解优化列式，获得最优的q₁,q₂,...,q_n并计算阵列天线的辐射及解耦性能(S-parameters)，最终实现特定频段的辐射性能和解耦性能需求。

所述的曲线槽解耦结构(4)关于y轴对称分布，可利于阵列天线及其解耦结构形式的简化，减少计算量，改善阵列天线所需带宽并抑制其表面波的干扰。

由阵列天线的曲线槽解耦结构形状优化设计方法设计的包含曲线槽解耦结构的阵列天线，包括：上层的M个矩形微带贴片(1)、中层的FR4介质基板(2)、下层的接地板(3)、曲线槽解耦结构(4)及M个同轴馈电端口(5)。

同轴馈电端口(5)经导体材料(6)一端连接在矩形微带贴片(1)上，一端连接在接地板(3)上；激励电压经同轴馈电端口(5)馈电，再经导体材料(6)、FR4介质基板(2)、矩形微带贴片(1)和接地板(3)向空间辐射需求频段的电磁波。

所述的M个矩形微带贴片(1)中心轴对称依次排列，相邻矩形微带贴片(1)之间设有间距；所述的M个同轴馈电端口(5)依次排列。

所述的接地板(3)的长宽与FR4介质基板(2)的长宽相同。

所述M个矩形微带贴片结构关于x轴对称分布。

本发明由于采用以上技术方案，其具有以下优点：

1)本发明所设计的一种用于多输入多输出阵列天线的曲线槽解耦结构，所述的曲线槽解耦结构具有良好的解耦性能，同时使得MIMO阵列天线满足WLAN频段，阵列天线整体结构简单、尺寸小、易于加工制造；

2)本发明所设计的一种阵列天线的曲线槽解耦结构，所述的解耦结构不仅形式新颖，还有效地减少了阵列天线的互耦效应，限制了阵列天线间的表面波干扰，极大地提高了阵列天线间的隔离度。除此之外，曲线槽型的解耦结构拓展了当前阵列天线解耦结构的设计领域，具有良好且广泛的应用前景。

3)本发明所建立的一种具有曲线槽解耦结构的形状优化设计方法，所述的设计方法通过优化曲线槽解耦结构的曲线形状参数，可以大幅改善阵列天线的解耦性能同时使得阵列天线的辐射性能几乎不受影响。

4)本发明所建立的一种具有曲线槽解耦结构的形状优化设计方法，所述的设计方法可拓展范围广，适用性强，为曲线槽解耦结构在阵列天线领域的运用提供了新的设计思路，对于其它大型复杂的阵列天线解耦结构的设计亦可以提供借鉴作用。

附图说明

图1为本发明的具体实施方式中具有曲线槽解耦结构阵列天线的三维示意图。

图2为本发明的具体实施方式中具有曲线槽解耦结构阵列天线的二维示意图。

图3为本发明的具体实施方式中具有曲线槽解耦结构阵列天线的侧视图。

图4为本发明的具体实施方式中具有曲线槽解耦结构阵列天线的同轴馈电端口位置图。

图5为本发明的具体实施方式中用于具有直线槽解耦结构阵列天线的二维示意图。

图6为本发明的具体实施方式中曲线槽解耦结构的曲线示意图。

图7为本发明的具体实施方式中无解耦结构、直线槽解耦结构和曲线槽解耦结构的S₁₁曲线对比图。

图8为本发明的具体实施方式中无解耦结构、直线槽解耦结构和曲线槽解耦结构的S₂₁曲线对比图。

图9为本发明的具体实施方式中曲线槽解耦结构在5.725GHz的表面电流分布图。

图10为本发明的具体实施方式中曲线槽解耦结构在5.8GHz的表面电流分布图。

图中：1、矩形微带贴片；2、FR4介质基板；3、接地板；4、曲线槽解耦结构；5、同轴馈电端口；6、导体材料。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的性、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行进一步清楚、完整地描述。

实施例1：

如图1、图2、图3和图4所示，一种用于多输入多输出阵列天线的曲线槽解耦结构4，MIMO阵列天线工作频段为5.725GHz～5.825GHz，馈电方式为同轴馈电，馈电位置是L₁为3.7mm、W₁为0.065mm。MIMO阵列天线结构包括：由上层的两个矩形微带贴片1、中层的FR4介质基板2、下层的接地板3、两个曲线槽解耦结构4及两个同轴馈电端口5组成。同轴馈电端口5经导体材料6一端连接在矩形微带贴片1上，一端连接在接地板上，激励电压经同轴馈电端口5馈电，再经导体材料6、FR4介质基板2、两个矩形微带贴片1和接地板3向空间辐射特定WLAN频段的电磁波。

根据所述频率带宽的设计要求，优化后阵列天线的基本尺寸为：x轴左侧矩形微带贴片1长度L为11.01mm、宽度W为14.52mm和位置X₁为-5.51mm、Y₁为-15.47mm，右侧矩形微带贴片1与左侧贴片是关于x轴对称式分布，基板长度L_sub为24mm、基板宽度W_sub为36.9mm，基板高度h为1.6mm，接地板的长度和宽度尺寸与基板相同。

实施例2：

针对本发明实施例1，该曲线槽解耦结构的形状优化的设计方法，包括以下的步骤：

1)设计直线槽解耦结构的基本尺寸(直线槽长度、宽度)和位置，具体方法是：如图5所示是用于多输入多输出阵列天线的直线槽解耦结构二维示意图，x轴正方向直线槽长度L_s为24mm，厚度W_s为0.5mm、位置X_s为6mm、Y_s为-12mm，由于采用以y轴对称式设计，两个直线槽的基本尺寸和位置均可获得，实现基本的辐射性能和解耦性能需求。

2)确定曲线槽解耦结构的曲线距离函数，离散并提取曲线形状参数，具体方法是：固定直线槽解耦结构的基本尺寸和位置，设置待设计的曲线槽解耦结构的曲线距离函数。曲线距离函数是反映曲线槽解耦结构曲线与直线槽解耦结构直线间距离的隐式函数，可通过多阶三角函数展开式进行离散，具体通过多阶三角函数展开式离散的距离函数形式为：

其中L_m是曲线距离函数，q_i是曲线形状参数，q_i＝{q₁,q₂,...,q_n}，L_i是三角函数展开式中的振幅，t是沿条形长度方向的参数变量，t∈[0,1]。

如图6所示为曲线槽解耦结构的曲线示意图，根据本发明实施例的离散精度确定曲线形状参数的个数i为5，即{q₁,q₂,...,q₅}，其计算范围均为[0,1]，并且三角函数展开式中振幅{L₁,L₂,...,L₅}的取值均为1，根据所述经多阶三角函数离散的距离函数为L_m＝q₁L₁sin(πt)+q₂L₂sin(2πt)+q₃L₃sin(3πt)+q₄L₄sin(4πt)+q₅L₅sin(5πt)进行参数化建模，利用High Frequency Structure Simulator(HFSS)仿真软件计算阵列天线的辐射性能(S₁₁)和解耦性能(S₂₁)。

3)提出优化问题并建立优化列式，具体方法是：根据所述建立了一种曲线槽解耦结构形状优化的设计方法2)中的参数化模型构造优化问题。该设计方法的优化问题是优化MIMO阵列天线曲线槽解耦结构中的曲线形状参数q_i＝{q₁,q₂,...,q_n}，保证阵列天线在所需频带内正常工作(反射系数S₁₁小于-10dB)的同时，最小化阵列天线的隔离度相关系数S₂₁。根据提出的优化问题列出解决该优化问题的优化列式，该优化列式如下：

其中权重因子α，β取[0,1]，设计变量q_i的取值范围为

4)计算控制方程并求解优化问题，获得曲线形状参数的最优解，具体方法是：通过所述的优化问题及优化列式，利用High Frequency Structure Simulator(HFSS)仿真软件计算控制方程并利用遗传算法(Genetic Algorithm)求解优化问题，获得最优的曲线形状参数q₁＝0.33782，q₂＝-0.25687，q₃＝-0.95512，q₄＝-0.10051，q₅＝0.25581(曲线形状参数取小数点后五位有效数字)，即可根据距离函数获得如图6的曲线形式。

为了比较本发明实施例中具有曲线槽解耦结构的MIMO阵列天线的辐射性能和解耦性能，分别计算了无解耦结构、直线槽解耦结构和曲线槽解耦结构阵列天线的S₁₁和S₂₁性能。如图7和图8所示为无解耦结构、直线槽解耦结构和曲线槽解耦结构阵列天线的S₁₁和S₂₁性能对比图。其中，由图7可以看出无解耦结构、直线槽解耦结构和曲线槽解耦结构的阵列天线在-10dB以下的频段均满足WLAN频段的设计要求，说明三种阵列天线在相应的频段内均可正常工作，具有良好的辐射性能。由图8可以看出无解耦结构的阵列天线在WLAN频段所计算的S₂₁最低为-8.16dB，说明了阵元间距较近的MIMO阵列天线端口间的互耦效应特别严重，也说明了设计MIMO阵列天线解耦结构的必要性；具有直线槽解耦结构的MIMO阵列天线在WLAN频段所计算的S₂₁最低为-23.84dB，相比于无解耦结构的MIMO阵列天线，具有直线槽解耦结构的MIMO阵列天线阵元间的互耦效应减少了15.68dB，这说明具有直线槽解耦结构的MIMO阵列天线其解耦结构经参数设计后具有一定的解耦性能，也说明了缺陷地解耦结构对于减少MIMO阵列天线互耦效应的有效性；具有曲线槽解耦结构的MIMO阵列天线在WLAN频段所计算的S₂₁最低为-45.08dB，较无解耦结构和具有直线槽解耦结构的MIMO阵列天线阵元间的互耦效应分别减少了36.92dB和21.24dB，这不仅充分地说明具有曲线槽解耦结构能够明显地减少MIMO阵列天线阵元间的互耦效应，还说明了本发明实施例中建立的具有曲线槽解耦结构的形状优化设计方法的有效性和可行性。

如图9和图10所示为本发明实施例中具有曲线槽解耦结构的多输入多输出阵列天线在5.725GHz和5.8GHz表面电流分布图，可以清晰地看出提出的MIMO阵列天线由于具有曲线槽解耦结构有效地抑制了表面波的干扰，极大地提高了阵元间的隔离度。

本发明实施例涉及一种阵列天线的曲线槽解耦结构及其形状优化设计方法。所述的MIMO阵列天线的阵元关于x轴对称分布，通过设计阵列天线的尺寸参数，使得该阵列天线的辐射带宽满足WLAN频段的设计要求。该阵列天线具有两个关于y轴对称分布的曲线槽解耦结构，其结构形式是通过建立了一种曲线槽解耦结构形状优化的设计方法来实现的。决定其结构形式的曲线形状参数是由该曲线与对应直线槽解耦结构条形直线之间的隐式距离函数通过多阶三角函数离散后获得的，并以此来计算具有曲线槽解耦结构阵列天线的辐射特性和解耦性能。本发明通过建立的设计方法来设计曲线槽的曲线形状参数从而实现密集型MIMO阵列天线的解耦性能。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例中所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种阵列天线的曲线槽解耦结构形状优化设计方法，其特征在于，包括以下的步骤：

第一步：设计直线槽解耦结构：依据特定频段及阵列天线构型确定直线槽解耦结构的尺寸和位置X_S；所述的尺寸包括直线槽长度W_S和宽度L_S；

第二步：确定曲线槽解耦结构(4)的曲线距离函数；

确定曲线槽解耦结构(4)的曲线距离函数并通过多阶三角函数展开式进行离散：

具体方法是：依据第一步的直线槽解耦结构的尺寸和位置，在W_S的区域内设计曲线槽解耦结构(4)的曲线形式，并保证曲线槽的宽度始终为L_S，曲线槽解耦结构(4)的曲线形式需设计曲线距离函数来确定，曲线距离函数的隐式函数形式为：

f＝L_m(x)

曲线距离函数可通过多阶三角函数展开式进行离散，并以此对曲线槽解耦结构进行参数化建模，在具体通过多阶三角函数展开式进行离散的距离函数形式为：

其中：L_m是曲线距离函数，q_i是曲线形状参数，q_i＝{q₁,q₂,...,q_n}，L_i是三角函数展开式中的振幅，t是沿条形长度方向的参数变量，t∈[0,1]，n是曲线形状离散精度，根据所需的n确定曲线形状参数的个数；根据所需的q_i来确定取值范围；

第三步：提取曲线距离函数中的曲线形状参数q_i，定义优化问题，建立优化列式：

具体方法是：根据第二步中的参数化模型提取曲线形状参数q_i并构造优化问题；该设计方法的优化问题是优化阵列天线曲线槽解耦结构中的曲线形状参数q_i＝{q₁,q₂,...,q_n}，保证阵列天线在所需频带内正常工作，即反射系数S₁₁小于-10dB的同时，最小化阵列天线的隔离度相关系数S₂₁；反射系数S₁₁表征阵列天线辐射性能的优劣；隔离度相关系数S₂₁表征阵列天线解耦性能的优劣；

根据提出的优化问题列出解决该优化问题的优化列式，该优化列式如下：

其中：Φ为适应度函数，Z为阵列天线的特征阻抗矩阵，V为激励电压，J为待求的表面电流，α，β为权重因子，曲线形状参数q_i的取值范围为

第四步：计算第三步中的优化列式，获得最优曲线形状参数q_i；

获得曲线形状参数的最优解，具体方法是：通过所述的优化列式，利用High FrequencyStructure Simulator(HFSS)仿真软件计算控制方程并利用遗传算法(GeneticAlgorithm)求解优化列式，获得最优的q₁,q₂,...,q_n并计算阵列天线的辐射及解耦性能(S-parameters)，最终实现特定频段的辐射性能和解耦性能需求。

2.如权利要求1所述的曲线槽解耦结构形状优化设计方法，其特征在于，所述的曲线槽解耦结构(4)设计关于y轴对称分布，利于阵列天线及其解耦结构形式的简化，减少计算量，改善阵列天线所需带宽并抑制其表面波的干扰。

3.一种包含权利要求1或2所述方法设计的曲线槽解耦结构的阵列天线，其特征在于，包括：上层的M个矩形微带贴片(1)、中层的FR4介质基板(2)、下层的接地板(3)、曲线槽解耦结构(4)及M个同轴馈电端口(5)；

同轴馈电端口(5)经导体材料(6)一端连接在矩形微带贴片(1)上，一端连接在接地板(3)上；激励电压经同轴馈电端口(5)馈电，再经导体材料(6)、FR4介质基板(2)、矩形微带贴片(1)和接地板(3)向空间辐射需求频段的电磁波；

所述的M个矩形微带贴片(1)中心轴对称依次排列，相邻矩形微带贴片(1)之间设有间距；所述的M个同轴馈电端口(5)依次排列；所述的接地板(3)的长宽与FR4介质基板(2)的长宽相同。

4.如权利要求3所述的阵列天线，其特征在于，所述M个矩形微带贴片(1)关于x轴对称分布。

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