无线通信天线间的同频与异频去耦技术研究

发布时间：2020-07-01 16:51

【摘要】：现如今的移动通信中,不管是在终端还是在基站,天线的数量越来越多,所需的频段也越来越多,但由于通信设备的尺寸限制,小间距下必然会导致天线之间存在较强的互耦问题,将严重影响天线的辐射性能,因此需要对其进行去耦。天线间去耦技术可以分为同频去耦和异频去耦两类。一般来说,同频去耦主要应用于终端设备上小间距多单元MIMO天线,达到降低天线单元的方向图相关性提高通信容量目的;异频去耦则适用多频共口径基站天线中,解决由异频耦合带来的方向图畸变问题,改善通信质量。因此,提高小间距下天线单元间的同频与异频隔离度有巨大意义。本文针对同频及异频去耦进行深入研究,具体内容分为以下两个部分:1.基于方向图分集去耦方法的高隔离MIMO天线。本文提出了一种能应用于多天线单元MIMO天线的去耦方法。该方法利用调节天线电长度的方式来实现方向图分集功能以提高天线隔离度。本文对该去耦方法进行了理论分析和实验验证。一个间距为0.1个波长的2单元MIMO天线在无任何去耦结构的情况下实现了20 d B的隔离。此外,基于所提出的去耦方法,一个8单元MIMO天线阵列在间距为0.066个波长下实现了15 d B的隔离。除了能应用到多单元MIMO天线中,所提出的去耦方法还可以与其他的去耦结构共同设计成双频MIMO天线。本文设计了一款间距只有5 mm的2单元双频MIMO天线,结合四分之一波长开路缝隙的去耦结构,该天线在1.7-2.7 GHz和3.4-3.6GHz的频带内实现了超过20 d B的隔离。2.基于寄生结构的宽带双极化滤波基站天线。在多频基站中使用滤波天线单元是解决异频去耦问题比较好的方法。本文设计两款宽带双极化滤波基站天线来满足多频基站天线中异频去耦需求。第一款滤波天线在不使用复杂滤波电路的情况下,只需两个寄生环即可实现满意的带通滤波功能和宽带匹配性能。两个特定的辐射抑制零点可由两个寄生环单独产生和控制。为了进一步增加天线工作带宽和加强上阻带的选择性,在偶极子的臂上增加了一个简单的开路枝节,天线的带宽可从7.4%增加到47.6%;并且增益从通带边沿2.7 GHz的8.6 d Bi快速在带外2.9GHz处下降至-10 d Bi以下,且带外辐射抑制度大于17 d B。第二款天线则通过在振子臂周围添加简单U型寄生枝节,分别在天线的上下阻带产生1个零点实现带通滤波效果,通过控制寄生枝节的长度和振子臂长度可独立控制两个零点,并且天线实现了超过63%的带宽。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN828.6
【图文】：

两个天线的间距就要大于 200 mm。另外，当它应用多单元 MIMO 天线时，在文献[17]中，如图1-1 所示，尽管一个 10 单元的缝隙 MIMO 天线能实现 10 dB 的隔离，但是天线单元之间的间距需要达到 0.23 个自由空间波长。a） b）图 1-1 空间分集去耦[17]：a)天线结构；b) S 参数2) 极化/方向图分集（Polarization/Pattern Diversity）相比于空间分集，极化/方向图分集能在天线间距较小的情况下实现高隔离。极化分集其通过改变天线的排布方式和相对位置，利用天线单元之间的正交极化来降低天线之间的耦合。其原理是将利用九十度或一百八十度的交叉的紧凑型阵列的散射矩阵对角化。这样使得 S21和 S12为零。其优点是容易运用到 MIMO 天线中，且不必改变天线结构，两个天线间的距离也可以小于半个波长，但极化分集的 MIMO 天线常常为立体结构，有时并不适用于平面结构，如图 1-2 a）所示。而方向图分集则利用每个天线朝不同方向辐射以减小天线之间的相关性，降低耦合。实现方式通常是将定向天线围绕圆心放置如图1-2 b）

4a） b） c）图1-2 极化/方向图分集去耦：a)极化分集天线结构[18]；b) 方向图分集天线结构1[19]；c) 方向图分集天线结构 2[20]a） b）图 1-3 寄生枝节去耦[21]：a)两单元 MIMO；b）三单元 MIMO 天线3) 添加去耦单元（寄生枝节）(parasitic element)这种方法普遍地运用在 MIMO 天线间的去耦，通常在天线单元之间加入一些枝节，该枝节一方面起到隔断或阻绝天线之间的电磁干扰，影响电流分布，以实现去耦效果，另一方面构成一条新的耦合路径与原来的天线耦合抵消，降低天线互耦。其优点是不必改变天线的结构即能将天线的耦合度降低到 20 dB 以下。但其缺点是寄生枝节较难实现，需要满足特定的天线距离，寄生枝节也必须在特定位置和特定长度才能达到去耦目的。并且改方法并不适用于多单元天线中。例如，如图 1-3 中，一个 3 单元的 MIMO 天线尺寸达到了100 mm × 112 mm

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本文编号：2737029