CN103346398B

CN103346398B - 一种应用于四元紧凑型天线阵的去耦网络

Info

Publication number: CN103346398B
Application number: CN201310169041.9A
Authority: CN
Inventors: 于彦涛; 蒋颖; 冯文江; 陈世勇
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2013-05-09
Filing date: 2013-05-09
Publication date: 2015-09-16
Anticipated expiration: 2033-05-09
Also published as: CN103346398A

Abstract

本发明公开了一种应用于四元紧凑型天线阵的去耦网络，属于无线通信技术领域。该去耦网络，包括用于分别连接4个天线的4个端口1-4；每个端口分别串联一个电抗元件jX₁，然后在相邻的两个端口之间并联一个电抗元件jB₁，之后每个端口再串联一个电抗元件jX₂，形成四个新的端口1’-4’；这四个新端口再分别并联一个电抗元件jB₂，这四个电抗元件jB₂另一端连接在一起；所述电抗元件jX₁、jB₁、jX₂、jB₂的值采用特征模式分析方法求取。本发明所述的应用于四元紧凑型天线阵的去耦网络结构简单、紧凑，本去耦网络的端口可以由常规的L节匹配网络进行匹配，能够有效消除四元天线阵的互耦效应。

Description

一种应用于四元紧凑型天线阵的去耦网络

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种应用于四元紧凑型天线阵的去耦网络。

背景技术

多天线通信技术由于能够提供更高的数据传输速率、更大的系统容量和稳定的信道特性而被广泛应用于第三代、第四代移动通信系统中。多天线系统的设计要求所用的天线阵具有相互隔离的端口和非相关的辐射方向图。通常的方法是使天线阵元之间保持足够大的距离，即1/2波长的间隔，以限制互耦效应的影响。但是，对于越来越小的移动终端设备来讲，平台上留给天线阵列的空间非常有限，难以达到1/2波长间隔的要求。缩小的阵元间距必然会使得阵元间的互耦效应增强，从而对系统性能造成严重影响。

紧凑型和轻量化是当今天线设计的趋势之一。因此，减小天线阵元间的电磁互耦是所面临的一个关键问题。关于互耦问题的研究始于几十年前，国内外的学者们提出了许多消除或减小天线互耦效应的方案。比如，利用电磁带隙结构、电磁超材料或在天线接地板上切割谐振缝隙都可以降低互耦效应；使用90度或180度混合耦合器构建的模式分解网络也可以消除互耦的影响。另外一种方法就是在输入端口和天线阵端口之间连接由电抗元件构成的无耗网络，也就是去耦网络，来消除阵元间的互耦影响。这些关于天线互耦及去耦问题的研究，大多是针对二阵元或三阵元的天线阵，而较少有针对四阵元及以上的天线阵去设计其去耦网络。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种应用于四元紧凑型天线阵的去耦网络，该去耦网络由电容、电感通过串、并联连接组成，能够有效消除四元天线阵的互耦效应。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种应用于四元紧凑型天线阵的去耦网络，包括用于分别连接4个天线的4个端口1-4；每个端口分别串联一个电抗元件jX₁，然后在相邻的两个端口之间并联一个电抗元件jB₁，之后每个端口再串联一个电抗元件jX₂，形成四个新的端口1’-4’；这四个新端口再分别并联一个电抗元件jB₂，这四个电抗元件jB₂另一端连接在一起；所述电抗元件jX₁、jB₁、jX₂、jB₂的值采用特征模式分析方法求取。

进一步，所述四元紧凑型天线阵为均匀分布的圆形天线阵。

本发明的有益效果在于：本发明所述的应用于四元紧凑型天线阵的去耦网络结构简单、紧凑，本去耦网络的端口可以由常规的L节匹配网络进行匹配，能够有效消除四元天线阵的互耦效应。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本去耦网络的结构示意图；

图2为本去耦网络的等效电路图；

图3为四元单极子天线阵的S参数；

图4为接入去耦匹配网络的四元单极子天线阵的S参数。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为本去耦网络的结构示意图，如图1所示，本去耦网络由电容、电感通过串、并联连接组成，包括用于分别连接4个天线的4个端口1-4；每个端口分别串联一个电抗元件jX₁，然后在相邻的两个端口之间并联一个电抗元件jB₁，之后每个端口再串联一个电抗元件jX₂，形成四个新的端口1’-4’；这四个新端口再分别并联一个电抗元件jB₂，这四个电抗元件jB₂另一端连接在一起。这样就构成了一个应用于四阵元天线阵的去耦网络，此去耦网络在新的端口1’-4’处可以采用常规的L节匹配网络进行匹配。

对于四个电抗元件jX₁、jB₁、jX₂和jB₂的求解，可以用特征模式分析的方法进行。四阵元天线阵的阻抗矩阵Z可以由其散射矩阵S求得。

根据天线阵元分布的对称性，阻抗矩阵Z的特征值，也就是天线阵的模式阻抗，可以求得为Z_ma=Z₁₁+2Z₁₂+Z₁₃，Z_mb=Z_mc=Z₁₁-Z₁₃，Z_md=Z₁₁-2Z₁₂+Z₁₃，对应的相互正交的特征向量为v_a=[1,1,1,1]^T，v_b=[1,1,-1,-1]^T，v_c=[1,-1,-1,1]^T，v_d=[1,-1,1,-1]^T。将特征向量所对应的电压加载到去耦网络的四个新端口上，即可分析得出在天线阵四个工作模式下去耦网络的等效电路，如图2所示。

由图2中的等效电路，可以得出新端口处四个工作模式下的等效模式导纳，分别为：

Y₁＝(Z_ma+jX₁+jX₂)^-1

Y₂＝Y₃＝(((Z_mb+jX₁)^-1+j2B₁)^-1+jX₂)^-1+jB₂

Y₄＝(((Z_md+jX₁)^-1+j4B₁)^-1+jX₂)^-1+jB₂

如果使得所有的模式导纳相等，即Y₁=Y₂=Y₃=Y₄，那么此网络就可以对四阵元的均匀圆形天线阵进行解耦。通过上面的方程就可以求解出构建去耦网络的电抗元件jX₁、jB₁、jX₂和jB₂的值。

下面以一个实例来说明本去耦网络的效果。以一个工作在2.4GHz的紧凑型四阵元单极子天线阵为例，验证本发明所述的去耦网络的性能。该单极子天线阵阵元间距为12mm，约为0.1λ，其中λ为2.4GHz的自由空间波长。该天线阵的S参数仿真结果如图3所示。由图3可见，在工作频率2.4GHz，该天线阵的反射系数S₁₁只有-5dB，而耦合系数S₁₂和S₁₃分别为-10dB和-14dB。

下面用图1中的去耦网络对天线阵进行解耦。通过对方程Y₁=Y₂=Y₃=Y₄进行求解，可得各电抗元件X₁、B₁、X₂和B₂的取值，如表1所示。然后，对去耦端口采用常规的L节匹配网络进行匹配，可求得匹配网络中的并联电抗元件B₃和串联电抗元件X₃的取值，其值如表1所示。

元件	取值
		X₁	-32.704
B₁	-0.17272
		X₂	4.066
B₂	0.15907
		B₃	0.0009407
X₃	55.99

表1去耦匹配网络中各电抗元件的取值

该单极子天线阵经过去耦匹配，其S参数如图4所示。在工作频率上，反射系数和耦合系数都被降到-40dB以下。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims

1.一种应用于四元紧凑型天线阵的去耦网络，其特征在于：包括用于分别连接4个天线的4个端口1-4；每个端口分别串联一个电抗元件jX₁，然后在相邻的两个端口之间并联一个电抗元件jB₁，之后每个端口再串联一个电抗元件jX₂，形成四个新的端口1’-4’；这四个新端口再分别并联一个电抗元件jB₂，这四个电抗元件jB₂另一端连接在一起；所述电抗元件jX₁、jB₁、jX₂、jB₂的值采用特征模式分析方法求取；

所述四元紧凑型天线阵为均匀分布的圆形天线阵；

所述电抗元件jX₁、jB₁、jX₂和jB₂的求解，采用特征模式分析的方法进行，具体包括以下步骤：

1)根据天线阵元分布的对称性，阻抗矩阵Z的特征值，也就是天线阵的模式阻抗，可以求得为Z_ma＝Z₁₁+2Z₁₂+Z₁₃，Z_mb＝Z_mc＝Z₁₁-Z₁₃，Z_md＝Z₁₁-2Z₁₂+Z₁₃，对应的相互正交的特征向量为v_a＝[1,1,1,1]^T，v_b＝[1,1,-1,-1]^T，v_c＝[1,-1,-1,1]^T，v_d＝[1,-1,1,-1]^T；

2)将特征向量所对应的电压加载到去耦网络的四个新端口上，即可分析得出在天线阵四个工作模式下去耦网络的等效电路；

3)根据等效电路得出新端口处四个工作模式下的等效模式导纳，分别为：

Y₁＝(Z_ma+jX₁+jX₂)^-1

Y₂＝Y₃＝(((Z_mb+jX₁)^-1+j2B₁)^-1+jX₂)^-1+jB₂

Y₄＝(((Z_md+jX₁)^-1+j4B₁)^-1+jX₂)^-1+jB₂

如果使得所有的模式导纳相等，即Y₁＝Y₂＝Y₃＝Y₄，那么此网络就可以对四阵元的均匀圆形天线阵进行解耦，通过上面的方程就可以求解出构建去耦网络的电抗元件jX₁、jB₁、jX₂和jB₂的值。