电磁耦合调控天线技术研究

发布时间：2020-05-12 05:49

【摘要】：随着现代移动通信技术的飞速发展,各种无线业务和宽带数据业务需求爆炸性增长,目前正朝着第五代移动通信渐进,对系统信道容量等也更加苛刻。当下,多输入多输出技术(MIMO)通过在输入端和输出端安装多个天线,产生多个独立数据流,该技术作为提高系统信道容量的方法之一,已成为未来无线通信系统中不可或缺的一部分。MIMO特别是Massive MIMO,要求天线阵列在有限的空间内安装上百个天线,无论在基站或者终端上,设备空间是极其狭小的,天线阵列必须要紧凑的。因此,研究MIMO中的电磁耦合抑制是很有必要的。此外,通信频段越来越多,需在同一设备上安装众多窄带天线,作为增大系统信道容量的另外一种途径,宽带化研究也是天线设计的紧迫要求。本文结合科研课题和移动通信系统中的热点及难点问题,基于电磁耦合等相关调控问题,是该利用耦合还是该抑制耦合等方面进行研究;对解决天线系统信道容量的两类方法,采用MIMO技术或展宽系统带宽,分别进行讨论。本文,首先介绍了在MIMO系统中抑制电磁耦合的相关研究,之后对基于阻抗调控的天线宽带化设计进行讨论。所做的成果,概括如下三部分:1.基于枝节的电磁耦合调控技术,研究枝节的耦合抑制性能。分析基于解耦枝节的高隔离技术,阵列互耦产生的原因及计算方法。a)通过对变形结构的单极子阵列天线分析研究,利用一根简单的连接线,在特定的频段将天线隔离性能达到所需的要求,之后将S参数导入商业仿真软件ADS中进行联合仿真,并在两个馈电点处各增加一个匹配电路,改善双端口天线的匹配性能,最终实现了一阶高隔离MIMO阵列。该成果已经发表在APCAP(国际会议),并获最佳论文提名奖。b)基于交指耦合线,将原有的短接线改成交指耦合线,并与一个开口谐振环联合响应,分析其对单极阵列隔离性能的影响,无需额外的匹配电路设计,实现抑制阵列电磁耦合的二阶解耦技术。该成果已经发表在核心外文期刊上。2.基于覆层的电磁耦合调控技术,研究超表面的耦合抑制性能。先简要说明超材料应用于阵列解耦的背景,及重要参数提取方法。a)通过分析谐振环单元的特性,计算出人工单元的负磁导率区间,将超表面放置于互耦阵列上方,比较前后的隔离性能,研究该超表面对电磁波传输的影响,继而抑制阵列间电磁耦合。在详细的理论分析之后,实物加工与测试,验证该MAAD技术对天线阵列解耦的有效性。为进一步分析上层超表面覆层大小对电磁波解耦性能的影响,通过改变谐振单元的数量,如6×4,7×5,8×6,进一步研究其对隔离性能的影响,得出最合适的单元数目。为进一步验证该技术对Massive MIMO的可行性,将其应用于1×4,1×8阵列中,进一步仿真分析覆层耦合抑制技术。提出的基于负磁导率超表面的高隔离设计方法,已发表于核心期刊Scientific Reports上。b)此前,有关在两天线间增加EBG,DGS或其他谐振结构的高隔离设计,鉴于很多情况天线间距小,不能给设计师留足够的空间去添加一些去耦结构,考虑将周期性磁环(MCR)环绕在阵列周围,通过改变电流耦合路径,实现一种设计高隔离阵列的新方法。3.基于阻抗调控技术,研究天线宽带化。提高系统信道容量另外一种方案,本章主要围绕宽带化展开讨论。a)通过对原有结构进行改进,利用馈线与主辐射体之间的电磁耦合响应,设计了一款应用于射频识别领域的超高频二阶宽带天线,并对其工作机理进行详细推导,为设计宽带天线提供了思路,并已发表核心期刊。b)作为对比a,基于短路针加载,对天线阻抗进行调控,实现另一种宽带RFID天线。c)鉴于超宽带频段与其他通信频段的交叉会产生信号的干扰。基于电磁耦合技术,通过调节两个非对称的蘑菇状结构与馈电线之间的耦合,以及寄生枝节与主辐射体之间的耦合等,对阻抗特性灵活调控,实现了一款在三个窄频带内具有带阻特性的UWB天线。对影响三个频段的一些关键参数进行了分析,需要指出的是,在第二个带阻频段,实现了完美的方形,该优点在窄波带阻领域比较少见。
【图文】：

解耦技术,单缝,单频

西安电子科技大学博士学位论文及形状对天线的耦合情况影响都会比较大。OuYang 等人提出仅在地板上刻蚀一条简单的缝隙的方法[26]，实现一款工作在 WLAN 5.8 GHz 频段的MIMO双天线，如图 1.1。天线为两个同一极化方向的微带贴片天线, 两个馈电点之间的间距为 0.33λ，其中缝隙的长度大约为中心谐振频点的λ/2。此λ/2 槽谐振结构让耦合的能量更多的辐射到自由空间当中，阻止了耦合的能量从一个天线到另外一个天线，更遏制了后瓣辐射，且在 5.8 GHz 点频处隔离提高了 40 dB。Shin 等人通过在地板上不同位置，刻蚀两条宽度长度不等的λ/4谐振缝隙，如图1.2，产生了一个覆盖在5.2 GHz和5.8 GH（z41.4%）的双频的解耦阵列，并且能提供克服多径衰落的空间分集[27]。而后， Chiu 等人对多缝隙结构的解耦技术进行了详细的综述，如图 1.3 单极子，微带，，PIFA 为例，通过合理的设计缝隙的个数，长度，排列方法，天线互耦显著改善[28]。

解耦技术,双缝

宽度长度不等的λ/4谐振缝隙，如图1.2，产生了一个覆盖在5.2 GHz和5.8 GH（z41.4%）的双频的解耦阵列，并且能提供克服多径衰落的空间分集[27]。而后， Chiu 等人对多缝隙结构的解耦技术进行了详细的综述，如图 1.3 单极子，微带，PIFA 为例，通过合理的设计缝隙的个数，长度，排列方法，天线互耦显著改善[28]。图1.1 OuYang 等人设计的单缝单频解耦技术[26]
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN828

【参考文献】