基于混合结构的多天线去耦合设计技术研究

发布时间：2020-10-13 02:31

　　 随着无线通信以及雷达技术的迅速发展,多天线系统日益受到关注。为实现系统小型化和集成化,通常要求在有限的设计空间内集成更多的天线,天线之间的去耦合设计成为关键。本文围绕新一代移动通信基站天线以及宽带MIMO雷达天线中的去耦合问题,结合离散构型结构进行去耦合设计,并研究了对应的多目标优化策略,论文的研究内容包括:1.从主极化配置和路径抵消两个方面对多天线去耦合理论进行了系统研究。对于路径抵消去耦合技术,本文提出了级联四端口去耦合网络的模型,并给出了网络的约束条件,明确通过降低天线间互阻抗以及未激励天线的表面电流密度,可以实现高隔离,为多天线去耦合电路的设计提供了理论依据。2.提出了采用双同轴馈电结构、基于±45°配置的领结形双极化偶极子5G基站天线单元,给出了主体结构采用规则结构、末端采用离散构型结构的单元天线,通过描述该结构的混合“0-1”设计矩阵,结合相应的多目标优化策略,可以在5G FR1(sub-6GHz)频段内实现双极化单元天线的高隔离设计。对设计单元天线的测试表明,在3.4-3.6GHz频段内可实现20dB的回波损耗和40dB的隔离。3.对于双极化基站阵列天线的去耦合,通过在阵列上方引入离散构型的去耦合结构,采用规则-离散混合构型的多目标整体优化策略,在3.4-3.6GHz频段内,可实现15dB的回波损耗和32dB的单元间隔离,将阵元间同极化天线的隔离度提高了 14dB,阵元间异极化天线的隔离度提高了 l0dB。4.面向紧凑结构宽带MIMO雷达天线的要求,提出了具有不同V-H极化探测能力的领结形MIMO四天线探头。对于分布于四天线间的共地结构,采用极坐标系下的离散构型描述方法,并对规则-离散混合构型结构采用分步迭代的多目标优化策略,在2.6-3.9GHz的宽频带范围(相对带宽达40%)实现了 10dB的回波损耗和30dB的隔离。综上,本文对采用规则-离散混合构型的多天线去耦合开展设计研究,给出了不同的结构描述技术和多目标优化策略,可以有效地进行天线间的去耦合设计,为多天线去耦合提供了一套全新的设计技术。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN828
【部分图文】：

，技术这两个方面开展了大量的研宄工作。主极化配置利用天线空间电场的分布??特征，优化天线的主极化配置，实现高隔离，采用该去耦合技术的主要为定向??天线＿〇】和偶极子天线［１１Ｈ１Ｓ］。??在定向天线方面，Ｙ．?Ｌｕｏ等人采用“Ｈ”形状的定向天线，如图１．１?（ａ）所??示，将四根天线采用方形环的方式配置，利用天线的主辐射方向相互垂直、不??交叠的特性，实现了?１７ｄＢ的隔离［１９］；?Ｈ．－Ｔ．Ｈｕ等人采用两个槽形天线进行定向??天线的设计，如图１．１?（ｂ）所示，利用类似的方环形配置方式，实现了?２２ｄＢ??的隔离Ｒ．Ａｎｉｔｈａ等人采用槽形地实现宽带，如图１．１?（ｃ）所示，通过方环??形配置，实现了?１４ｄＢ的隔离［２１］。??在偶极子天线方面，正交配置的偶极子天线可实现高隔离，大量学者采用??该种配置进行基站天线单元的设计。例如，如图１．１?（ｄ）所示，Ｙ．?Ｃｕｉ等人采??用正交配置的折叠型偶极子天线，实现了?３０ｄＢ的隔离［２２］；为实现更加紧凑的??设计，Ｙ．?Ｌｕｏ等人将正交的偶极子天线进行更加紧凑的配置，如图１．１?（ｅ）所??示，实现了?２５ｄＢ的隔离［２３］；?Ｌ．－Ｈ．?Ｗｅｎ等人采用正交配置的共享型偶极子天线，??如图１．１?（ｆ）所示，实现小型化的同时，达到了?３６ｄＢ的隔离［２４１。??＿?ｈ???????」麵?Ｔｏｐｉａ＞＇？?緣偷气??

学者们在天线间引入了缺陷墙１２５＿、ｒｏ＜３［２９Ｈ３４］、缺陷地［３５Ｈ４６］、??集总元件［４７］＿［５３］、耦合谐振器［５４＞［５８］、中和线｜５９＞１７１］等去耦合结构，实现了高隔离??的设计。例如，ＧＤａｄａｓｈｚａｄｅｈ等人在天线间引入缺陷墙结构，如图１．２?（ａ）所??示，实现了?３５ｄＢ的隔离１２５］；?Ｆ．?Ｙａｎｇ等人在微带天线间引入ＥＢＧ结构，如图??１．２?（ｂ）所示，实现了?２０ｄＢ的隔离［２９］；?Ｃ．－Ｙ．?Ｃｈｉｕ等人在ＰＩＦＡ天线共地区域??进行了周期性矩形槽的设计，如图１．２?（ｃ）所示，实现了?２０ｄＢ的隔离［３５１；?Ｓ．Ｎ．??Ｖｅｎｋａｔａｓｕｂｒａｍａｎｉａｎ等人基于奇偶模等效电路的分析，如图１．２?（ｄ）所示，采用??集总元件进行去耦合，实现了?２０ｄＢ的隔离［４７］；?Ｌ．Ｚｈａｏ等人在天线两端口间并??联耦合谐振器，如图１．２（ｅ）所示，实现了?２０ｄＢ的隔离［５４］；?Ｓ．－Ｗ．Ｓｕ等人提出??在辐射贴片上引入中和线结构，如图１．２?（ｆ）所示，实现了?１９ｄＢ的隔离［５９】。??（ａ）?（ｂ）?（ｃ）??ｎ？ｕｉｆａ）ａ８＞＜〇ｎ??（Ｏ＾ｍｍｏｏｎｓｌ?ｖｎｃｔｔｈ）??！￣￣卜■尽?一１—?Ｘ?ｆ｜?｜ｊ?Ｉ?Ｉ??ｉ?ａ?ｍ?Ｋ＃??Ｉ?＼＼ｉ?一丨一??發?ＳＥＴＳ??ｎｃｍ．Ｋｋ?９ｍ?細?ｔＵｗ?ｏｍ）?ＦＲ４?＆ｕｂ？ｔｒａｌ？）??：＾；－?Ｌｉ＾５?Ｗ

大量学者采用碎片式结构，也就是由碎片组合而成的结构，进行??微波无源器件以及天线的设计。例如，Ｃ．?Ｄｅｌａｂｉｅ等人在１９９７年首次提出了碎??片式结构，设计了一款微带谐振器［７２］，如图１．３?（ａ）所示；Ａ．?Ａ．?Ｍｉｎａｓｉａｎ等??人采用碎片式结构进行了微带天线的设计［７３］，如图１．３?（ｂ）所示；Ｊ．?Ｄｏｎｇ等人??则在近期利用碎片式结构进行了超宽带双带陷天线的设计［７４１，如图１．３?（ｃ）所??示。相对于传统规则结构的设计，这些设计取得了一定的性能提升。??Ｉ?＾?ｉ?ＶＳｋＪｋ??ｍｊｒ＾ｎＬＭ?＇＂ＣｂｉｉＢＰ?ＷＵＭ??（ａ）?（ｂ）?（ｃ）??图１．３碎片式结构的设计??相对于规则结构，碎片式结构更加灵活多变，属于非定拓扑结构，可以打??破常规去耦合电路的拓扑结构，设计自由度大，可能设计出隔离度更高的去耦??合结构；而且理论上如果碎片剖分得足够细小，碎片式结构可以无限逼近规则??结构。因此，本文将引入碎片式结构进行天线间去耦合的设计。??虽然碎片式结构可以取得一定的性能提升
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本文编号：2838614