线的研究与设计陈洁基于ADS的阵列天线的研究与设计.docx
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线的研究与设计陈洁基于ADS的阵列天线的研究与设计
Contents
中文摘要
天线是无线通信系统中不可或缺的组成部分。
阵列天线具有高增益、低旁瓣、波束控制等特性,因此得到了广泛应用。
然而,天线单元间的互耦会导致阵列天线方向图旁瓣电平升高以及增益降低等问题,因此在阵列天线设计中,必须要降低天线单元之间的互耦。
传统的降低天线单元之间互耦的方法有采用缺陷地结构、加载谐振器以及中和线等,这些方法结构复杂,通常只适用于窄带天线,而且难以应用到大规模阵列中。
阵列天线解耦表面(ADS)是一种新的解耦方法,具有保持原始天线单元的辐射特性和匹配条件,宽带解耦,易于设计的优点,适用于大规模阵列。
本文的主要内容如下:
1.设计了一种基于ADS的单频缝隙阵列天线。
在接地板上刻蚀长度为半波长的弯折形缝隙产生一个2.4GHz的谐振。
ADS由四组金属反射贴片组成,用来降低单元间的互耦。
结果表明,天线的相对带宽为7.7%,单元之间的隔离度大于15dB,天线具有良好的辐射特性。
2.设计了一种基于ADS的双频单极子阵列天线。
天线的辐射单元由两个弧形条带组成,较长的弧形条带实现低频,较短的弧形条带实现高频。
ADS包括四组金属条带,每组条带由对称放置的长条带和短条带组成。
长金属条带减小低频处的互耦,短金属条带降低高频处的互耦。
结果表明,天线两个频带的相对带宽分别为5.2%和20.2%,包含WLAN的2.4-2.484GHz和5.15-5.35GHz工作频段,单元间的隔离度大于15dB,天线具有良好的辐射特性。
3.设计了一种基于ADS的宽带单极子阵列天线。
天线的辐射单元是一个圆形贴片,采用缺陷地结构改善高频时的辐射方向图。
ADS包含四组金属条带,每组金属条带由对称放置的长度不同的条带组成,用来降低单元间的互耦。
结果表明天线的相对带宽为96.7%,包含WLAN和WiMAX的所有工作频段,单元间的隔离度大于15dB,天线具有良好的辐射特性。
关键词:
阵列天线;互耦;阵列天线解耦表面;辐射方向图
ABSTRACT
Antennaisanessentialpartofwirelesscommunicationsystem.Thearrayantennaiswidelyappliedduetoitshighgain,lowsidelobeandbeamcontrol.However,themutualcouplingbetweentheantennaelementswillcauseproblemssuchasanincreaseinthesidelobelevelofthearrayantennapatternandadecreaseingain.Therefore,themutualcouplingbetweentheantennaelementsmustbereducedinthedesignofarrayantenna.Thetraditionalmethodstoreducethemutualcouplingincludeemployingthedefectedgroundstructure,loadingaresonator,loadinganeutralizationline,andsoon.Thesemethodsaresuitablefornarrowbandantennasanddifficulttobeappliedforlargescalearrayantennasbecauseoftheircomplicatedstructures.Array-antennadecouplingsurface(ADS)isanewdecouplingmethod,whichhastheadvantagesofmaintainingtheradiationcharacteristicsandmatchingconditionsoftheoriginalantennaunit,widebanddecoupling,andeasytodesign.Itissuitableforlargescalearrays.Themaincontentsofthispaperaresummarizedasfollows:
1.AsinglebandslotarrayantennabasedonADSisproposed.Ahalf-wavelengthbendingslotisetchedonthegroundplanetoproducearesonanceat2.4GHz.ADSconsistsoffourgroupsofmetalreflectionpatches,whichareemployedtoreducethemutualcouplingbetweentheantennaelements.Theresultsindicatethattherelativebandwidthofthearrayantennais7.7%andtheisolationisgraterthan15dB.Ithasgoodradiationcharacteristics.
2.AdualbandmonopolearrayantennabasedonADSispresented.Theradiatingelementoftheantennaconsistsoftwoarcstrips.Thelowerfrequencyisgeneratedbythelongerarcstrip,andtheupperfrequencyisproducedbytheshorterarcstrip.ADSconsistsoffourgroupsofmetalstrips,inwhichlongandshortstripsareplacedsymmetrically.Themutualcouplingatthelowerandupperfrequenciesisreducedbythelongandshortmetalstrips,respectively.Theresultsindicatethattherelativebandwidthoftheantennaintwobandsis5.2%and20.2%,whichcoversthe2.4-2.484GHzand5.15-5.35GHzofWLAN.Theisolationbetweentheantennaelementsisgraterthan15dB.Goodradiationcharacteristicsarealsoobtained.
3.AwidebandmonopolearrayantennabasedonADSisproposed.Acircularpatchisusedastheradiatingelementoftheantenna,andadefectedgroundstructureisemployedtoimprovetheradiationpatternattheupperband.ADSiscomposedoffourgroupsofmetalstrips.Eachgroupconsistsofseveralstripswithdifferentlengthsplacedsymmetrically,whichareusedtoreducethemutualcouplinginthewideband.Theresultsindicatethattherelativebandwidthofthearrayantennais96.7%,coveringthewholeworkingbandofWLANandWiMAX.Theisolationbetweentheelementsisgraterthan15dB,andtheantennaexhibitsgoodradiationcharacteristics.
Keywords:
Arrayantenna;Mutualcoupling;Array-antennadecouplingsurface;Radiationpattern
第一章绪论
1.1研究背景与意义
随着无线通信技术的快速发展,对天线的辐射效率和增益的要求越来越高,由于阵列天线可以实现提高增益、增强方向性、提高辐射效率、降低副瓣、形成赋形波束和多波束等特性,阵列天线越来越多地应用于各个领域,不论是军事领域、医疗领域还是民用领域,其发展都与阵列天线息息相关。
阵列天线技术在提高天线增益、改善天线辐射性能方面具有显著的优越性,对于提高通信系统性能具有深远的意义[1-9]。
然而,天线单元间的互耦会使天线性能恶化,消除互耦是一个必须解决的问题。
降低互耦可以提高系统的信噪比,降低动态反射系数,提高单元天线的增益,提高多波束性能。
由于空间限制,难以通过增加天线单元之间的间隔来减少互耦效应,因此常在阵列天线中采用解耦技术[10-18]。
传统的降低天线单元之间互耦的方法有采用缺陷地结构、解耦网络、加载谐振器以及中和线等。
常用的解耦技术结构复杂,通常只适用于窄带天线,而且难以应用到大规模阵列中。
阵列天线解耦表面(ADS)是一种新的解耦方法,具有保持原始天线单元的辐射特性和匹配条件,宽带解耦,易于设计的优点,可以消除天线单元间的耦合,适用于具有各种天线形式的大规模阵列。
因此,研究和设计阵列天线解耦表面,具有显著的现实意义以及广阔的应用前景。
1.2国内外研究现状
根据改善天线单元之间隔离度的方法,阵列天线可以分为七类:
基于缺陷地结构(DGS)的阵列天线、基于解耦网络的阵列天线、基于电磁带隙(EBG)的阵列天线、基于寄生单元的阵列天线、基于谐振器的阵列天线、基于中和线的阵列天线以及基于ADS的阵列天线。
(1)基于缺陷地结构的阵列天线
缺陷地结构可以看作接地板上的滤波器,能够滤除接地板上天线单元间的表面电流,提高天线的隔离度[19]。
文献[20]设计了一种具有缺陷地结构的阵列天线,在相邻的阵列单元之间采用紧凑的哑铃形缺陷地结构,通过抑制表面波减少单元间的互耦,单元间距为0.47λ0。
结果表明,在天线的工作频率处,单元之间的互耦降低了35.6dB。
文献[21]设计了一种四单元贴片阵列天线,在接地板上刻蚀T形缝隙和矩形缝隙,用来降低阵列天线单元之间的互耦。
使用缺陷地结构后,单元间互耦最大降低了14.4dB。
文献[22]采用交替方向S形缺陷地结构(ADS-DGS)设计了一种二单元低互耦阵列天线,结构如图1.1所示,由两个尺寸相同的矩形贴片和一对刻蚀在接地板上的ADS-DGS组成,在接地板上刻蚀ADS-DGS减少两个天线单元间的电流干扰。
该缺陷地结构可以在天线的工作频带上降低30dB的互耦。
文献[23]提出了一种使用缺陷地结构实现高隔离度的多输入多输出天线。
缺陷地结构由在接地板上刻蚀弯折的缝隙形成,通过抑制表面波降低单元间的互耦,由-11.1dB降低到-15.5dB。
文献[24]提出一个使用缺陷地结构实现双频解耦的二元缝隙多输入多输出天线,在接地板上刻蚀一个宽缝隙和一对窄缝隙,这些缝隙扰乱了接地板的表面电流分布和端口间的路径长度,使端口间的电磁耦合减小,因此实现良好的隔离度。
宽缝隙用于降低高频处的互耦,宽缝隙和一对窄缝隙共同用于减小低频处的互耦。
图1.1使用缺陷地结构的贴片天线阵列[22]
(2)基于解耦网络的阵列天线
解耦网络是指在天线端口间添加由电路元件或者微带线组成的网络结构,从网络分析的角度看,解耦网络的实质是使天线单元间的互阻抗为零,以降低单元间的互耦[25]。
赵鲁豫教授于2014年首次提出了一种利用耦合谐振器解耦网络(CRDN)对宽带天线进行解耦的概念,设计了基于CRDN的阵列天线[26],天线结构如图1.2所示。
通过在两个紧密放置的天线单元中增加一个耦合谐振器解耦网络增加隔离度。
结果表明所提出的CRDN方案可以显著提高辐射效率,减少相关性,改善信道容量,适用于对称和非对称阵列。
文献[27]设计了一种使用紧凑的双频带CRDN的阵列天线。
CRDN由一对双频带开口谐振环组成。
通过适当设计两对耦合谐振器之间的耦合系数,可以同时有效地减少两个频带内的互耦。
该方案易于在集成设备中实现,并且对实际的MIMO应用非常有吸引力。
文献[28]设计了一种使用解耦馈电网络的二元阵列天线,解耦网络由两个定向耦合器和两条传输线组成,通过连接两个耦合器,引入了具有幅度和相位受控的间接耦合,可抵消阵列天线单元间的空间波和表面波引起的直接耦合,在中心频率处的互耦降低到了-58dB以下,同时对回波损耗和辐射方向图的影响很小。
(a)解耦前(b)解耦后
图1.2使用双频耦合谐振器解耦网络的天线阵列[26]
(3)基于电磁带隙结构的阵列天线
由于电磁带隙结构(EBG)具有电磁波频率带隙特性,能够有效抑制表面波,从而提高天线的隔离度[29]。
文献[30]设计了一种背腔阵列天线,EBG可以抑制E面的TM表面波,降低60GHz处两个紧密放置的背腔天线单元之间的相互耦合。
结果表明57-66GHz频段上的互耦降低了2.1-4dB。
文献[31]设计的阵列天线,使用蘑菇状电磁带隙结构来减少孔径耦合微带天线单元之间的表面波耦合。
在孔径耦合微带天线中,EBG结构可以与天线的介质集成而不会干扰馈电网络。
通过一排EBG结构,谐振频率处的互耦降低了16.4dB。
文献[32]设计了一种紧凑的贴片天线阵列,天线结构如图1.3所示。
该阵列使用一排EBG结构和接地板上的三个十字缝隙作为解耦结构,位于两个辐射贴片之间。
与传统的蘑菇状EBG结构相比,该天线提出的没有过孔的EBG结构更容易制造。
文献[33]设计了一个超宽带平面单极天线阵列,提出了新型的小型化双层EBG结构,该结构采用两个紧密耦合的阵列,一个由线性导电贴片组成,另一个由接地板的缝隙组成。
这两个阵列印刷在非常薄的介质的两侧,在两个导电层之间会出现强电场,相当于高电容。
缝隙相对于导电贴片旋转,以使耦合和等效电容最大化。
文献[34]介绍了一种采用EBG结构的低互耦MIMO天线,天线阵列由介质基板上的两个矩形贴片天线和三个EBG单元组成。
EBG结构位于两个天线单元之间,由典型的蘑菇状EBG结构加载缝隙演变而来,具有高阻抗表面形成表面波频带隙,可以降低MIMO天线的互耦效应,使天线具有较高的隔离度。
(a)正视图(b)底视图
(c)侧视图
图1.3使用电磁带隙结构的贴片天线阵列[32]
(4)基于寄生单元的阵列天线
天线中加载寄生单元引入新的耦合路径,与天线单元之间的耦合路径方向相反,可以抵消部分互耦,从而达到提高天线单元之间隔离度的目的。
文献[35]设计了一个用于5GHzWLAN接入点的六端口MIMO天线系统,由带状线馈电的孔径耦合微带天线作为天线单元,三个垂直极化天线单元和三个水平极化天线单元交替安装在六角锥形金属结构上,两个寄生凹槽对称地加载在每个单元两侧,以提高隔离性能。
测量结果表明,在工作频带内,系统的任何两个单元之间均可获得超过45dB的隔离度。
文献[36]设计了一个贴片天线阵列,结构如图1.4所示。
寄生单元由两个简单的微带线组成,分别位于天线的两侧,通过两个寄生单元引入额外的耦合,
图1.4使用寄生单元的贴片天线阵列[36]
以抵消两个贴片天线间的直接耦合改善隔离。
结果表明,两个天线之间的隔离度大于20dB。
文献[37]设计了一种四元单极子阵列天线,在天线单元之间插入寄生单元。
对于给定的阵列单元间距,通过适当选择寄生单元的尺寸和位置,可以在更宽的频带范围内降低单元互耦。
(5)基于谐振器的阵列天线
引入谐振器可以产生间接耦合场,与天线单元间的耦合场互相抵消降低互耦。
文献[38]设计了平面单极子阵列天线,在两个天线单元之间放置嵌套的开口谐振环(SRR)和一维电磁带隙(1-DEBG)结构。
EBG结构分为两列,每列具有8个周期单元,两个SRR嵌套放置在两列EBG结构之间。
SRR和EBG结构分别用作陷波器和反射器,单元间的互耦减少了超过42dB。
文献[39]提出一种多频带四端口分集天线,天线单元是加载L形枝节的弯折形单极子天线,开口谐振环加载于单元的一侧,结果表明单元之间的隔离度均大于22dB。
文献[40]设计了一个贴片天线阵列,结构如图1.5所示。
在两个贴片之间放置一个缝隙弯折线谐振器(SMLR),抑制了谐振频率处的表面电流,将隔离度提高了16dB。
文献[41]设计了一种二元平面倒F天线,天线单元之间的谐振器增加一条新的耦合路径,结果表明单元之间的隔离度增加了22dB。
文献[42]设计了一个微带贴片阵列天线,在两个单元之间插入一对平行耦合线谐振器(PCR),每个PCR由三条耦合线组成,结果表明单元之间的隔离度大于20dB。
文献[43]设计了一个微带贴片阵列天线,插入天线单元之间的非对称共面条带(ACPS)壁引入了额外的电流路径,从而实现隔离改善,天线的隔离度大于35dB。
文献[44]设计了一个贴片阵列天线,在天线单元之间采用耶路撒冷十字周期结构作为FSS减少单元间的互耦。
测量结果表明单元间的隔离度改善了16dB。
(a)天线结构(b)谐振器结构
图1.5使用谐振器的贴片天线阵列[40]
(6)基于中和线的阵列天线
中和线连接两个天线单元,当激励其中一个天线单元时,会有部分电流通过中和线流入另一个天线单元,如果这一部分电流和两个单元间的耦合电流方向相反,那么可以部分抵消两个天线单元的耦合,从而提高两个天线单元间的隔离度[45]。
文献[46]设计了一种紧凑的超宽带多输入多输出天线,天线结构如图1.6所示。
用中和线连接两个天线单元,中和线位于接地板的上方,由两个金属条带和一个金属圆盘组成,在中和线的金属圆盘上刻蚀圆形缝隙,可以将最高解耦频率降低到5GHz。
天线单元之间的隔离度大于22dB。
文献[47]提出了一种用于智能手机的双天线系统,天线单元由一个驱动枝节和一个寄生接地枝节组成,产生一对谐振。
使用两条交叉的中和线减少两个间隔紧密的天线单元间的互耦。
图1.6使用中和线的单极子天线阵列[46]
(7)基于ADS的阵列天线
上述几种解耦方法通过引入隔离结构,均可以有效地将单元之间的隔离度提高到15dB以上。
其中,解耦网络、EBG和谐振器结构通常比较复杂,需要占用较大的空间,不利于天线的小型化;而DGS、寄生单元和中和线技术虽然结构较为简单,但是解耦效果却不如以上几种方法[48]。
此外,这些解耦方法难以应用于由数十或数百个天线单元组成的大规模天线阵列中。
吴克利等人首次提出了阵列天线解耦表面(ADS)的概念,用于减少大规模阵列天线中天线单元之间的互耦。
ADS由多个金属反射片组成,放置在阵列天线前方,使得引入的部分反射波可以有效抵消耦合波,且天线单元的辐射特性及匹配条件受到的影响最小。
文献[49]设计了基于ADS的八单元线极化贴片阵列天线,天线结构如图1.7所示。
ADS包含八组金属反射器,每组反射器由四个金属贴片组成,可以减小对原始阵列天线辐射方向图的扰动。
文献[50]设计了基于ADS的准八木阵列天线,ADS由多个金属反射条带组成,距离天线阵列约半波长,ADS产生与耦合波幅度相等相位相反的部分反射波,降低了单元之间的互耦。
(a)天线结构(b)ADS单元
图1.7使用ADS的贴片天线阵列[48]
1.3论文的主要工作及结构安排
本文主要针对大规模天线阵列单元之间隔离度的改善问题,研究了基于ADS的阵列天线,可概括为以下三个部分:
(1)设计了一种基于ADS的单频缝隙阵列天线。
ADS的反射波与单元间的耦合波幅度相等、相位相反,相互抵消以减小单元间的互耦。
天线可以工作在WLAN的2.4-2.484GHz,在工作带宽范围内天线单元间的隔离度大于15dB,天线具有全向辐射特性。
(2)设计了一种基于ADS的双频单极子阵列天线。
天线可以工作在WLAN的2.4-2.484GHz和5.15-5.35GHz两个工作频段,在工作带宽范围内天线单元间的隔离度大于15dB,天线具有全向辐射特性。
(3)设计了一种基于ADS的宽带单极子阵列天线。
天线的带宽覆盖2.4-5.85GHz,包含了WLAN和WiMAX的所有工作频段,在工作带宽范围内天线单元间的隔离度大于15dB,天线具有全向辐射特性。
本论文的结构安排如下:
第一章简要介绍了所选课题的研究背景和意义,阐述了阵列天线的研究现状。
第二章设计了一种基于ADS的单频缝隙阵列天线。
ADS由四组金属贴片组成,天线单元之间的隔离度大于15dB。
天线工作在WLAN的2.4-2.484GHz。
第三章设计了一种基于ADS的双频单极子阵列天线。
ADS由四组金属条带组成,较长金属条带减小低频处的互耦,较短金属条带降低高频处的互耦。
天线单元之间的隔离度大于15dB。
天线工作在WLAN的2.4-2.484GHz和5.15-5.35GHz。
第四章设计了一种基于ADS的宽带单极子阵列天线。
ADS包含四组金属条带,每组金属条带由不同长度的条带组成。
天线单元之间的隔离度大于15dB。
天线工作在2.4-5.85GHz。
第五章对全文进行总结,分析了研究中存在的问题并且确定了后续工作的研究方向。
第二章基于ADS的单频阵列天线
2.1引言
通信技术的发展对天线性能提出了越来越高的要求,由于阵列天线具有高增益、高功率、低旁瓣、波束控制等特性,在无线通信、卫星通信、气象预测等方面得到了广泛应用[51]。
在阵列天线设计中,必须要考虑天线单元之间的互耦效应。
互耦效应会改变天线单元原有的电流路径,从而改变其阻抗特性,使天线阵列的性能恶化,包括辐射方向图失真,阻抗失配以及辐射效率降低。
传统的降低天线单元之间互耦的方法有采用缺陷地结构[52-54]、加载谐振器[55-56]以及中和线[57-58]。
文献[53]设计了一种旋转对称多端口天线,通过位于介质底部的缺陷地结构抑制相邻天线单元之间的互耦。
文献[55]设计了一种二元双频微带天线阵列,在天线单元之间插入一个不对称环路谐振器减少互耦。
文献[57]提出了一种用于移动终端的双天线系统,中和线两端与接地板相连降低互耦。
本章设计了一种基于ADS的单频缝隙阵列天线。
缝隙天线单元由微带馈线和刻蚀有弯折形缝隙的接地板组成,ADS包括四组金属反射器,每组反射器由四个金属贴片组成,用来降低天线单元间的互耦。
阵列天线可以工作在WLAN频段,天线单元之间的隔离度大于15dB,且具有良好的辐射特性。
2.2单频缝隙阵列天线
缝隙天线具有结构简单、易加工、成本低、易于集成等优点,在移动终端设备以及无线通信基站中得到广泛应用,因此本章采用缝隙阵列天线。
要求设计
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- 关 键 词:
- 研究 设计 基于 ADS 阵列 天线