CN117498026B - 一种法布里-珀罗谐振腔微带天线阵列解耦的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种法布里‑珀罗谐振腔微带天线阵列解耦的方法，利用仿真软件获得目标法布里‑珀罗谐振腔双单元天线阵列的耦合参数，包括反射耦合幅度和反射耦合相位；在天线单元加入解耦中和线，并依据抵消公式对解耦中和线参数进行设计，得到中和线耦合幅度和中和线耦合相位；将设计完参数的解耦中和线置入天线阵列模型中，得到实现理想频点解耦的天线阵列。本发明通过使用解耦中和线和谐振腔中反射波的抵消实现天线单元间的耦合降低，使用本方法在天线的阻抗匹配、方向图、扫描特性、天线效率皆有所提升，且解耦结构简单，便于设计；本发明中的解耦中和线对非相邻单元间耦合同样有明显改善，无需增加新的解耦结构。

Description

一种法布里-珀罗谐振腔微带天线阵列解耦的方法

技术领域

本发明涉及天线领域，特别涉及一种法布里-珀罗谐振腔微带天线阵列解耦的方法。

背景技术

在天线设计中，常采用在天线上覆盖部分反射表面的方式实现法布里-珀罗谐振腔天线，使用谐振腔中的部分多次反射的电磁波来增加天线等效辐射面积从而提高天线增益。但运用在阵列天线中时，反射波带来的天线单元间的耦合不可避免，这将会引起天线阵列的增益下降、辐射效率降低以及方向图变形等问题。常规解决方案为增加阵列单元间距，不仅会增加天线尺寸，在波束扫描时还会出现不可控的高旁瓣。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明目的是提供一种法布里-珀罗谐振腔微带天线阵列解耦的方法，使用解耦中和线和谐振腔中反射波的抵消实现天线单元间的耦合降低，在天线的阻抗匹配、方向图、扫描特性、天线效率皆有所提升。

技术方案：本发明的一种法布里-珀罗谐振腔微带天线阵列解耦的方法，包括如下步骤：

步骤1，利用仿真软件获得目标法布里-珀罗谐振腔双单元天线阵列的耦合参数，包括反射耦合幅度和反射耦合相位；

步骤2，在天线单元加入解耦中和线，并依据抵消公式对解耦中和线参数进行设计，得到中和线耦合幅度和中和线耦合相位；

步骤3，将设计完参数的解耦中和线置入天线阵列模型中，得到实现理想频点解耦的天线阵列。

进一步，在天线单元加入解耦中和线的步骤包括：

当天线单元数量为2时，解耦中和线放置在两天线单元的对称轴线处；

当天线单元数量超过2时，通过依次上、下交错放置的解耦中和线实现相邻与非相邻单元间的去耦工作，且每一个解耦中和线放置在相邻两天线单元的对称轴线处。

进一步，抵消公式如下：

其中，表示天线阵列中相邻天线单元中由中和线产生的中和线耦合幅度，表示由反射面耦合产生的反射耦合幅度，/>表示由中和线产生的中和线耦合相位，/>表示由反射面耦合产生的反射耦合相位。

进一步，解耦中和线包括第一耦合枝节、第二耦合枝节、第一传输线、第二传输线、第三传输线、第四传输线、第五传输线、第六传输线和第七传输线，第一耦合枝节的中点连接第一传输线的一端，第一传输线的另一端连接第二传输线的一端，第二传输线的另一端连接第三传输线的一端，第三传输线的另一端连接第四传输线的一端，第四传输线的另一端连接第五传输线的一端，第五传输线的另一端连接第六传输线的一端，第六传输线的另一端连接第七传输线的一端，第七传输线的另一端连接第二耦合枝节的中点。

进一步，解耦中和线为对称结构，第一传输线和第七传输线关于解耦中和线的对称轴对称设置，第二传输线和第六传输线关于解耦中和线的对称轴对称设置，第三传输线和第五传输线关于解耦中和线的对称轴对称设置，第一耦合枝节和第二耦合枝节关于解耦中和线的对称轴对称设置；

第一耦合枝节和第二耦合枝节分别设置在相邻两天线单元的中线处，且和两天线单元存在间隙，实现间隙耦合。

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：本发明通过使用解耦中和线和谐振腔中反射波的抵消实现天线单元间的耦合降低，使用本方法在天线的阻抗匹配、方向图、扫描特性、天线效率皆有所提升，且解耦结构简单，便于设计；本发明中的解耦中和线对非相邻单元间耦合同样有明显改善，无需增加新的解耦结构；解耦中和线适用于两单元间解耦以及多单元天线间解耦，无需重新调参，大大节约设计时间。

附图说明

图1为法布里-珀罗谐振腔微带天线阵列解耦的方法流程图；

图2为法布里-珀罗谐振腔天线阵列示意图；

图3为实施例中单个解耦中和线解耦示意图；

图4为实施例中多个解耦中和线解耦示意图；

图5为解耦中和线的结构示意图；

图6为中和线耦合与反射耦合比较图；

图7为1×2阵列去耦仿真结果图；

图8为1×8阵列去耦仿真结果图；

图9为去耦前后单元方向图比较；

图10为去耦前后1×2阵列合成方向图比较；

图11为波束扫描时的增益与旁瓣结果图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。

如图1所示为本实施例所述的一种法布里-珀罗谐振腔微带天线阵列解耦的方法流程图，该方法具体包括如下步骤：

步骤1，利用仿真软件获得目标法布里-珀罗谐振腔双单元天线阵列的耦合参数，包括反射耦合幅度和反射耦合相位。

在一个示例中，如图2所示为法布里-珀罗谐振腔天线，是一种传统的高增益天线，其由带有金属地板的发射源天线(如馈源I和馈源II)和用以构成谐振腔的周期型部分反射表面(partially reflecting surface，PRS)两部分组成，通过PRS对天线辐射波的多次部分反射增加天线等效辐射面积以此提高增益，其中为保证反射后的辐射波能够同相叠加，谐振腔高度h需满足以下公式：

其中，表示PRS单元的反射相位，λ₀表示工作频率的对应波长。

可以使用全波电磁仿真软件得到目标法布里-珀罗谐振腔双单元天线阵列的耦合参数，即S21的幅度和相位，如图4所示。

步骤2，在天线单元加入解耦中和线，并依据抵消公式对解耦中和线参数进行设计，得到中和线耦合幅度和中和线耦合相位。

在如图2所示的法布里-珀罗谐振腔天线阵列中，天线间直接耦合量级较小，而部分反射表面带来的反射波远高于直接耦合，对天线单元间耦合有显著影响，从而导致增益降低与方向图变形等诸多问题，为解决该问题，本实施例中采用在天线单元间设计解耦中和线的方式引入单元间的额外耦合，并通过分析和设计得到理想耦合中和线的幅度和相位，从而达到与反射波抵消的效果。

在一个示例中，在天线单元加入解耦中和线的步骤包括以下两种情况：

当天线单元数量为2时，解耦中和线放置在两天线单元的对称轴线处；

当天线单元数量超过2时，通过依次上、下交错放置的解耦中和线实现相邻与非相邻单元间的去耦工作，且每一个解耦中和线放置在相邻两天线单元的对称轴线处。

在具体的示例中，如图3所示，当天线单元数量为2时，在两个天线单元的对称轴处放置一解耦中和线，可选的可以放在天线的上方或下方；当天线单元数量为多个时，如图4所示以1×8天线阵列为例，在天线1和天线2的下方、对称轴线处放置一解耦中和线，在天线2和天线3的上方、对称轴线处放置另一解耦中和线，依次类推，在天线7和天线8的下方、对称轴线处放置一解耦中和线。

在一个示例中，上述抵消公式如下：

其中，表示天线阵列中相邻天线单元中由中和线产生的中和线耦合幅度，表示由反射面耦合产生的反射耦合幅度，/>表示由中和线产生的中和线耦合相位，/>表示由反射面耦合产生的反射耦合相位。通过步骤1中获得S21的幅度和相位，进而设计解耦中和线的耦合幅度和相位。

如图5所示，解耦中和线包括第一耦合枝节1、第二耦合枝节9、第一传输线2、第二传输线3、第三传输线4、第四传输线5、第五传输线6、第六传输线7和第七传输线8，第一耦合枝节1的中点连接第一传输线2的一端，第一传输线2的另一端连接第二传输线3的一端，第二传输线3的另一端连接第三传输线4的一端，第三传输线4的另一端连接第四传输线5的一端，第四传输线5的另一端连接第五传输线6的一端，第五传输线6的另一端连接第六传输线7的一端，第六传输线7的另一端连接第七传输线8的一端，第七传输线8的另一端连接第二耦合枝节9的中点。解耦中和线为对称结构，第一传输线2和第七传输线8关于解耦中和线的对称轴对称设置，第二传输线3和第六传输线7关于解耦中和线的对称轴对称设置，第三传输线4和第五传输线6关于解耦中和线的对称轴对称设置，第一耦合枝节1和第二耦合枝节9关于解耦中和线的对称轴对称设置。第一耦合枝节1和第二耦合枝节9分别设置在相邻两天线单元的中线处，且和两天线单元存在间隙，实现间隙耦合。

如图3所示，其中两个耦合枝节的长度表示为L_c，第一传输线和第七传输线的长度表示为D_c，第二传输线和第六传输线的长度表示为D_z，第三传输线和第五传输线的长度表示为H_c，第四传输线的长度表示为L_z。

本实施例中通过选择适当尺寸的解耦中和线可以在天线端口间引入耦合电流，通过改变解耦中和线长度控制耦合电流的相位，为方便调整耦合电流幅度，采用电容耦合的方式，通过调整中和线位置和电容枝节的长度控制耦合电流的幅度，以达到引入与反射耦合电流幅度相同、相位相反的中和线耦合电流的设计目的。

下面结合实例对本发明做进一步说明。

在一个示例中提供一种新颖的法布里-珀罗谐振腔天线阵列去耦方法，采用一种简单的微带天线阵列进行原理验证。谐振腔结构如图2所示，其中部分反射表面选用10×10周期型金属贴片结构(周期p，贴片边长s)，部分反射表面基板选用厚度为Hp的FR-4(介电常数ε＝4.3，损耗角正切tanδ＝0.025)；如图3所示，选用工作在10GHz的天线单元，单元为边长Wp的方形贴片天线，在距离贴片底部Dp的位置进行同轴馈电，单元间间距为常见的0.5λ，其中λ表示波长，天线基板选用厚度为Hg的Rogers RT/duroid 5880(介电常数ε＝2.2，损耗角正切tanδ＝0.0009)，谐振腔高度和中和线总长度由抵消公式理论得出。中和线宽度为Wc，最终通过微调确定中和线参数。上述结构参数如图3所示，d为两个天线单元中线之间的距离。

步骤3，将设计完参数的解耦中和线置入天线阵列模型中，得到实现理想频点解耦的天线阵列。

在一个具体示例中，将设计完参数的解耦中和线置入天线阵列模型中，如图6所示，黑线分别为中和线耦合和部分反射面耦合的幅度比较，灰线为相位比较，可以看到在谐振频率10GHz，两种耦合的幅度相等，相位相反，经过调整的中和线耦合能够在10GHz完美地与谐振腔耦合抵消。将中和线模型置于谐振腔模型中并进行仿真，结果如图7所示，可以看出在预想频点上实现了耦合从-6.9dB降低至-28.9dB。

本实施例中通过上述步骤完成了指定频点(如10GHz)的耦合抵消，在模型本身耦合已知的情况下即可实现类似法布里-珀罗谐振腔天线阵列下任意理想频点的去耦工作。

将该解耦中和线上下交错放置于多天线单元中，图8展示了增加解耦中和线后天线端口之间的耦合，观察到在10GHz相邻天线单元间耦合(S21、S43)降低至-30dB以下，同时对于非相邻单元间耦合(S31、S53)也达到同样效果。较于其他解耦方式，本实施例方法有两大明显优势：其一，对非相邻单元间耦合同样有明显改善，无需增加新的解耦结构；其二，两单元间解耦结构同样适用于多天线单元见解耦，无需重新调参，大大节约设计时间。

通过上述方法可以实现多单元微带天线阵列任意频率的去耦结构设计，下面展示解耦中和线结构对天线辐射特性的影响。

在1×2天线阵列中天线单元的方向图如图9所示，去耦前天线单元的方向图发生了明显变形，主波束角度偏向10°，去耦后观察到右半侧方向图得到了修复。为更好体现本发明中去耦方法的优势，选用1×8天线阵列展示合成方向图与波束扫描中的特性改善，由图10看出，在使用等幅同相的馈电方式下，去耦之后的天线阵列相比于去耦前获得1.2dB的增益提高，主要得益于去耦结构对上述单元方向图畸变的修复。波束扫描时的增益与旁瓣结果如图11所示，可以看出，采用该方法改善后的天线阵列不仅获得可观的增益提高，在旁瓣上也有一定程度的降低。此外，对于常见降耦工作中的天线总效率和波束扫描时动态阻抗匹配的改善在本方法中也同样存在。

本发明采用反射能量与耦合能量抵消的基本原理，通过引入中和线结构增加额外的耦合回路，设计出所期望的幅度与相位的耦合波，实现与部分反射面的反射波引起的耦合相抵消，从而解决法布里-珀罗谐振腔天线阵列中反射波引起的高耦合问题。

Claims (3)

1.一种法布里-珀罗谐振腔微带天线阵列解耦的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，利用仿真软件获得目标法布里-珀罗谐振腔双单元天线阵列的耦合参数，包括反射耦合幅度和反射耦合相位；

步骤2，在天线单元加入解耦中和线，并依据抵消公式对解耦中和线参数进行设计，得到中和线耦合幅度和中和线耦合相位；

步骤3，将设计完参数的解耦中和线置入天线阵列模型中，得到实现理想频点解耦的天线阵列；

在天线单元加入解耦中和线的步骤包括：

当天线单元数量为2时，解耦中和线放置在两天线单元的对称轴线处；

当天线单元数量超过2时，通过依次上、下交错放置的解耦中和线实现相邻与非相邻单元间的去耦工作，且每一个解耦中和线放置在相邻两天线单元的对称轴线处；

解耦中和线与天线单元之间通过耦合连接；

抵消公式如下：

其中，表示天线阵列中相邻天线单元中由中和线产生的中和线耦合幅度，表示由反射面耦合产生的反射耦合幅度，/>表示由中和线产生的中和线耦合相位，/>表示由反射面耦合产生的反射耦合相位。

2.根据权利要求1所述的法布里-珀罗谐振腔微带天线阵列解耦的方法，其特征在于，解耦中和线包括第一耦合枝节、第二耦合枝节、第一传输线、第二传输线、第三传输线、第四传输线、第五传输线、第六传输线和第七传输线，第一耦合枝节的中点连接第一传输线的一端，第一传输线的另一端连接第二传输线的一端，第二传输线的另一端连接第三传输线的一端，第三传输线的另一端连接第四传输线的一端，第四传输线的另一端连接第五传输线的一端，第五传输线的另一端连接第六传输线的一端，第六传输线的另一端连接第七传输线的一端，第七传输线的另一端连接第二耦合枝节的中点。

3.根据权利要求2所述的法布里-珀罗谐振腔微带天线阵列解耦的方法，其特征在于，解耦中和线为对称结构，第一传输线和第七传输线关于解耦中和线的对称轴对称设置，第二传输线和第六传输线关于解耦中和线的对称轴对称设置，第三传输线和第五传输线关于解耦中和线的对称轴对称设置，第一耦合枝节和第二耦合枝节关于解耦中和线的对称轴对称设置；

第一耦合枝节和第二耦合枝节分别设置在相邻两天线单元的中线处，且和两天线单元存在间隙，实现间隙耦合。