CN113571917B - 一种多馈点极化可重构天线的设计方法 - Google Patents

一种多馈点极化可重构天线的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种结合理想功率分配器散射矩阵与最大功率传输效率法的多馈点极化可重构天线的设计方法，应用于多馈多极化天线设计。通过将需要设计的多馈点天线作为发射天线，用一个普通正交双馈贴片天线作为接收天线，构建天线收发系统，将极化匹配转化为能量传输问题，并在接收天线端引入理想功率分配器，通过调整理想功率分配器的散射矩阵来设计接收天线的极化方式，就可以得到发射天线物理特性允许范围内达到接收天线同样极化方式所需要的最佳激励分布，而且该方法通过改进接收天线形式达到了仅需一次仿真参数就可设计任意极化的效果，相比于以往需要更换不同极化的接收天线的方法，该方法具有高效性与便捷性。

Description

一种多馈点极化可重构天线的设计方法
技术领域
本发明涉及通信技术中的天线设计技术，尤其涉及一种多馈点极化可重构天线的设计方法。
背景技术
在无线通信系统中，天线承载着信号收发功能，它的性能直接影响整个系统性能的好坏，极化可重构天线可以使用同一个天线根据通信需求来切换天线的极化方式(线极化、圆极化、45°极化等)，它不但能更多的系统需求和复杂多变的环境要求，而且还能减少天线数量，缩小系统体积。
一种实现极化可重构天线的方式是利用多馈电天线来实现的，通过调整阵列天线不同单元的馈电幅度和相位来实现不同的辐射极化，即通过可重构馈电网络激励出不同的极化方式。但对于一些复杂或者不对称结构的天线结构时，难以从天线结构本身分析出相应极化方式的激励分布。本发明提出一种方法，可以在不考虑天线自身结构特性的情况下，在天线物理特性允许范围内直接计算出任意极化方式的激励分布，解决了不规则或复杂结构的多馈点极化重构天线设计时激励难以计算的问题。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种高效、便捷的多馈点极化可重构天线的设计方法。
技术方案：本发明的多馈点极化可重构天线的设计方法，包括如下步骤：
(1)先准备一款待设计的多馈电点天线作为发射天线，该天线可以是任意不规则形状的，再准备一款普通形式的正交双馈方形贴片天线作为接收天线和一款全波电磁仿真软件；
(2)确定所需设计天线的馈电点数n及工作频率f0，然后调整接收天线的尺寸，使其谐振频率接近接收天线的谐振频率；
(3)通过仿真软件计算谐振频率f0点处得到n发射2接收端口网络的S参数；
(4)将理想功率分配器与双馈接收天线级联，将2端口的接收天线转化为1端口的接收天线，通过调整理想功率分配器的散射矩阵，可以将接收天线切换为需要的极化方式，通过散射矩阵级联公式计算出n发射1接收端口的S参数；
(5)将前面得到的数据带入特征方程计算出最大特征值及其对应的特征向量，该特征向量即为天线馈电的最佳激励分布，再根据计算出的激励分布设计对应的馈电网络，实现多馈点极化可重构天线的设计。
进一步地，步骤(1)中，所述接收天线形式固定为正交双馈贴片天线。
进一步地，步骤(1)中，所述发射天线与接收天线组成的收发系统分解为两个网络：即由n馈点发射天线与双馈接收天线组成的n+2端口网络；由双馈接收天线与理想功率分配器组成的2+1端口网络。
进一步地，n馈点发射天线与双馈接收天线组成的n+2端口网络，式中，t表示发射，r表示接收：
Figure BDA0003160137180000021
其中：
[at]＝[a1,a2,…,an]T,
[ar]＝[an+1,an+2]T,
[bt]＝[b1,b2,…,bn]T,
[br]＝[bn+1,bn+2]T,
Figure BDA0003160137180000022
Figure BDA0003160137180000023
[Srt]＝[Str]T,
Figure BDA0003160137180000024
进一步地，双馈接收天线与理想功率分配器组成的2+1端口网络，式中S功表示理想功率分配器的散射矩阵,i表示输入，o表示输出：
Figure BDA0003160137180000031
Figure BDA0003160137180000032
其中：
[Sii]＝[Sn+5,n+5],
[Sio]＝[Sn+5,n+3Sn+5,n+4],
[Soi]＝[Sio]T,
Figure BDA0003160137180000033
进一步地，步骤(4)中，所述理想功率分配器的散射矩阵与对应的极化方式具体为下表：
Figure BDA0003160137180000034
7、根据权利要求1所述的多馈点极化可重构天线的设计方法，其特征在于，步骤(4)中，所述调整理想功率分配器的散射矩阵具体包括：
由理想功率分配器的散射矩阵满足的等量关系：
bn+1＝an+3,an+1＝bn+3,an+2＝bn+4,bn+2＝an+4
整个系统的传输矩阵方程可表示为：
Figure BDA0003160137180000041
利用散射矩阵级联理论可将系统传输方程化简为以下形式：
Figure BDA0003160137180000042
其中：
[A]＝[Stt]；
[B]＝[Srt][Sio]；
[C]＝[Soi][Str]；
[D]＝[Soi][Srr][Sio].。
进一步地，步骤(5)中，所述特征方程形式为：
[G][at]＝PTE[at]
式中，PTE表示系统传输功率，其中：
[G]＝([I]-[A]H[A])-1([C]H([I]-[D]H[D])[C])。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：本发明可以不考虑天线自身结构，将天线极化设计问题转化为能量传输问题，适用于任何多馈天线的极化设计，为不规则或复杂结构多馈点极化可重构天线设计提出了新的设计思路。同时，引入理想功率分配器实现接收天线的任意形式极化切换，仅需一次仿真结果就可得出所有极化方式的激励分布的效果，大大简化了天线设计的复杂度，减少了天线设计时间。
附图说明
图1为正交双馈天线示意图；
图2为n馈电发射天线与正交双馈接收天线组成的n+2端口网络图；
图3为加入理想功率分配器后整个系统端口网络示意图；
图4为发射天线结构示意图：(a)正面图(b)中层地面图(c)底部图(d)侧面图；
图5为接收天线结构示意图：(a)正面图(b)侧面图；
图6为发射天线反射系数仿真结果图；
图7为接收天线反射系数仿真结果图；
图8为极化辐射方向图：(a)线极化(b)45°极化(c)圆极化。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明提供了一种基于理想功率分配器的散射矩阵以及最大功率传输效率法的多馈点极化可重构天线的设计方法。转换传统的设计思路，即通过构建天线收发系统，将天线极化设计转化为能量传输问题。使用正交双馈方形贴片天线作为接收天线，结构如图1所示，利用理想功率分配器的散射矩阵灵活切换接收天线极化特性，利用最大传输效率法计算出最佳馈电的幅度与相位，完成设计。通过该方法设计出的极化效果会更加准确，相较传统的设计方法，极大地节省了该类天线设计的时间与成本。
上述的方法可以简化为一个由n馈电点的发射天线和一个正交双馈方形贴片接收天线组成的收发系统(如图2所示)。在接收天线端引入等效理想功率分配器(如图3所示)，整个收发系统分解为两个网络：即由n馈点发射天线与双馈接收天线组成的n+2端口网络；由双馈接收天线与理想功率分配器组成的2+1端口网络。则上述传输方程可分解为：
(1)n馈点发射天线与双馈接收天线组成的n+2端口网络(t表示发射，r表示接收):
Figure BDA0003160137180000051
其中：
[at]＝[a1,a2,…,an]T,
[ar]＝[an+1,an+2]T,
[bt]＝[b1,b2,…,bn]T,
[br]＝[bn+1,bn+2]T,
Figure BDA0003160137180000052
Figure BDA0003160137180000061
/>
[Srt]＝[Str]T,
Figure BDA0003160137180000062
(2)双馈接收天线与理想功率分配器组成的2+1端口网络(S功表示理想功率分配器的散射矩阵,i表示输入，o表示输出)：
Figure BDA0003160137180000063
Figure BDA0003160137180000064
其中：
[Sii]＝[Sn+5,n+5],
[Sio]＝[Sn+5,n+3Sn+5,n+4],
[Soi]＝[Sio]T,
Figure BDA0003160137180000065
对于理想功率分配器散射矩阵，其输入输出的反射均为0，故[Sii]＝[0],[Soo]＝[0]；只需调整Soi与Sio即可改变馈入接收天线的幅值与相位达到调整极化的效果。理想功率分配器散射矩阵对应的部分极化方式如表1所示：
表1
Figure BDA0003160137180000066
Figure BDA0003160137180000071
由理想功率分配器散射矩阵满足的等量关系：
bn+1＝an+3,an+1＝bn+3,an+2＝bn+4,bn+2＝an+4
整个系统的传输矩阵方程可表示为：
Figure BDA0003160137180000072
/>
利用散射矩阵级联理论可将系统传输方程化简为以下形式：
Figure BDA0003160137180000073
其中：
[A]＝[Stt]；
[B]＝[Srt][Sio]；
[C]＝[Soi][Str]；
[D]＝[Soi][Srr][Sio].
写出其特征方程形式(PTE表示系统传输功率)为：
[G][at]＝PTE[at]
其中：
[G]＝([I]-[A]H[A])-1([C]H([I]-[D]H[D])[C])
再根据最大功率传输理论[1]可以求出此收发系统达到最大功率的发射天线的最佳激励分布。求出此特征方程最大特征值及其对应的特征向量，即可得出发射天线物理特性可实现范围内最接近接收天线极化的激励分布，实现设计。
实施例
本实例提供了一种对于不规则双馈极化可重构天线的设计方法，提供一款待设计天线结构如图4所示，该天线属于超表面天线，但其结构并非完全对称，故传统的正交等幅差90°馈电无法满足圆极化设计。提供一款接收天线结构如图5所示，是一款正交双馈的方形贴片天线。上述结构具体的尺寸在表2中给出，介质基板材料均采用Rogers RO4003C(介电常数ε＝3.55，损耗角正切tanδ＝0.002)。
表2
参数 数值(mm) 参数 数值(mm) 参数 数值(mm) 参数 数值(mm)
L 60 Wg2 1.7 d1 0.1 Lk2 30.5
a 9 Lg3 6 d2 0.28 h 3.25
e 2 Wg3 4 D1 9.9 t 0.813
g 1 Lf1 2.9 D2 11.9 Lra 12.8
Lg1 18 Wf1 1 Lc 7.5 Lrs 30
Wg1 5 Lf2 2.35 Wc 1.9 s 4.1
Lg2 14 Wf2 0.45 Lk1 31.5 hr 1
以上各器件的工作方法包括以下步骤：
步骤S1：将待设计天线单独全局仿真，获得S参数如图6所示，这是一个宽带天线，确定中心谐振频率大致为5.45GHz左右,沿天线正上方辐射。然后调整双馈接收天线谐振频率接近发射天线中心频率如图7所示。
步骤S2：将发射天线与接收天线在电磁仿真软件中建立模型，并确定它们之间的传输距离大于r,其中
Figure BDA0003160137180000081
D可理解为天线最大外包球的直径，λ为天线中心频率的自由空间波长。添加四个激励端口，进行收发系统的全波仿真。/>
步骤S3：得出中心频点5.45GHz处的所有S参数，本例中设计三个极化方式：线极化，45°极化，圆极化。将理想功率分配器散射矩阵级联得到的S参数中，各种极化方式对应的理想功率分配器散射矩阵在表1中已给出，构建特征方程求最大特征值及其对应的特征向量。归一化求出此时的激励分布如表3所示。
表3
Figure BDA0003160137180000082
Figure BDA0003160137180000091
步骤S4：将得出的激励分布带入仿真软件中验证，对应的方向图如图6所示，可以发现三种不同的馈电方式分别实现了线极化、+45°极化和左旋圆极化，符合本发明的效果预期。

Claims (8)

1.一种多馈点极化可重构天线的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）先准备一款待设计的多馈电点天线作为发射天线，再准备一款普通形式的正交双馈方形贴片天线作为接收天线和一款全波电磁仿真软件；
（2）确定所需设计天线的馈电点数n及工作频率f0，然后调整接收天线的尺寸，使其谐振频率接近接收天线的谐振频率；
（3）通过仿真软件计算谐振频率f0点处得到n发射2接收端口网络的S参数；
（4）将理想功率分配器散射矩阵级联到双馈接收天线S参数中，调整理想功率分配器的散射矩阵，将接收天线切换为需要设计的极化方式；
（5）将前面得到的数据带入特征方程计算出最大特征值及其对应的特征向量，此特征向量即为天线馈电的最佳激励分布，再设计对应的馈电网络，实现多馈点极化可重构天线的设计。
2.根据权利要求1所述的多馈点极化可重构天线的设计方法，其特征在于，步骤（1）中，所述接收天线的形式固定为正交双馈贴片天线。
3.根据权利要求1所述的多馈点极化可重构天线的设计方法，其特征在于，步骤（1）中，所述发射天线与接收天线组成的收发系统分解为两个网络：即由n馈点发射天线与双馈接收天线组成的n+2端口网络；由双馈接收天线与理想功率分配器组成的2+1端口网络。
4.根据权利要求3所述的多馈点极化可重构天线的设计方法，其特征在于，n馈点发射天线与双馈接收天线组成的n+2端口网络，式中，t表示发射，r表示接收：
Figure QLYQS_1
，
其中：
Figure QLYQS_2
，
Figure QLYQS_3
,
Figure QLYQS_4
，
Figure QLYQS_5
，
Figure QLYQS_6
，
Figure QLYQS_7
，
Figure QLYQS_8
，/>
Figure QLYQS_9
。
5.根据权利要求3所述的多馈点极化可重构天线的设计方法，其特征在于，双馈接收天线与理想功率分配器组成的2+1端口网络，式中S功表示理想功率分配器的散射矩阵,i表示输入，o表示输出：
Figure QLYQS_10
，
Figure QLYQS_11
，
其中：
Figure QLYQS_12
，
Figure QLYQS_13
，
Figure QLYQS_14
，
Figure QLYQS_15
。
6.根据权利要求1所述的多馈点极化可重构天线的设计方法，其特征在于，步骤（4）中，所述理想功率分配器散射矩阵与对应的极化方式具体为：
理想功率分配器散射矩阵
Figure QLYQS_16
，对应的极化方式为线极化；
理想功率分配器散射矩阵
Figure QLYQS_17
，对应的极化方式为45°极化；
理想功率分配器散射矩阵
Figure QLYQS_18
，对应的极化方式为圆极化。
7.根据权利要求1所述的多馈点极化可重构天线的设计方法，其特征在于，步骤（4）中，所述调整理想功率分配器的散射矩阵具体包括：
由理想功率分配器的散射矩阵满足的等量关系：
Figure QLYQS_19
，
整个系统的传输矩阵方程可表示为：
Figure QLYQS_20
，
利用散射矩阵级联理论可将系统传输方程化简为以下形式：
Figure QLYQS_21
，
其中：
Figure QLYQS_22
；
Figure QLYQS_23
；
Figure QLYQS_24
；
Figure QLYQS_25
。
8.根据权利要求1所述的多馈点极化可重构天线的设计方法，其特征在于，步骤（5）中，所述特征方程形式为：
Figure QLYQS_26
，
式中，PTE表示系统传输功率，其中：
Figure QLYQS_27
。/>
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