[发明专利]天线阵元间隔离度优化方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种天线阵列中的互耦影响，具体涉及移动通讯系统中一种天线阵元间隔离度优化方法。

背景技术

随着电子技术的发展，无线电系统的应用日益广泛。各种功能无线电设备密集布置的场合愈来愈多，与无线电系统密集布置相伴的是严重的无线电干扰。无线电系统间电磁干扰主要传输途径是天线间的耦合。常用隔离度来定量表征这种耦合的强弱程度，它定义为一个天线发射功率与另一天线所接收功率之比。天线间隔离度越大，天线相互作用越小，系统间干扰越小。抑制天线阵元间的耦合有利于天线阵列的副瓣控制，可以提高来波方向估计精度，同时也有利于减小MIMO天线的单元间距。近来，降低天线阵元间的耦合引起了研究者的较多关注。在天线阵中，天线阵元间的耦合主要由表面波耦合和近场耦合引起的。由于单元间彼此靠近，一个天线阵元产生的场将改变其他阵元上的电流分布，同于单元在自由空间孤立存在时的电流，从而导致天线输入阻抗发生变化，这就是互耦作用。根据天线理论，当多个天线同时存在于空间时，它们之间会发生电磁耦合。其中任一个天线的阻抗由于受到周围其它天线的影响，将不同于它单独存在时的阻抗值；此时每一阵元的阻抗包括自身的自阻抗和受其它阵元影响产生的互阻抗两部分。一个天线位于另一个天线的近场区域内，就会产生近场耦合。如果基板介电常数较低、基板较薄、天线间距较小，则近场耦合很强，表面波耦合比较弱，近场耦合成为耦合的主要因素；反之表面波耦合占主导地位。当前，减弱天线阵元间耦合的主要方法是在天线阵元之间添加电磁带隙EBG结构，通过抑制表面波达到抑制耦合的目的。这类方法主要适用于基板介电常数较高、介质层较厚的场合。又由常常涉及到较多的过孔或者双层介质，不易加工，成本也相对较高。

由于工作频带在移动通信中已经是非常拥挤，因此，要求采用先进的技术有效地利用有限的频率资源，满足高速率、大容量的业务需求，同时克服高速数据在无线信道下的多径衰落，并且由于移动端天线受到体积、重量、成本等诸多限制，提高系统通信质量的技术和措施很多靠基站端天线来实现的。因此在无线通信系统的实现过程中，选择合适的天线对整个无线通信网络的性能至关重要，这是因为空间无线信号的发射和接收都是依靠天线来完成的。通常天线阵列结构设计合理的馈网可以减轻相邻馈线间的互藕，提高端口间隔离度和耦合效率，进而降低交叉极化电平。由于频谱资源日益紧张的现代通信领域迫切需要天线具有双极化功能，因为双极化可使它的通信容量增加一倍。移动通信中可通过采用双极化天线实现极化分集接收，以减小多径传播现象对系统性能的影响。双极化天线不仅能够提供极化多样化，可以减少接收信号的多径衰落，降低损耗、减小干扰，还能减少天线数量，节省基建投资。移动通讯系统要求基站天线具有高端口隔离度与低交叉极化和稳定的宽带特性，包括增益、波束宽度和辐射方向图特性在相对带宽百分几至几十的频带内相对稳定。改善阵元间的隔离度，主要是改善相邻阵元间的隔离度。其中影响互耦较大的是相邻的同极化端口；其次，现在的基站系统都采用极化分集的方式来增加信道容量，要求天线阵具有双极化特性，对2个极化的输入端口隔离度和交叉极化电平都有一定的要求。首要任务是实现高端口隔离度指标，其次是实现低交叉极化电平。天线阵的端口隔离度取决于每个单元的端口隔离度。然而常用的微带天线或振子天线单元组成的阵列存在相邻阵元间隔离度低缺点。随着设备小型化，功能多样化的发展需求，天线阵越来越小，阵元间距越来越近，天线阵元间的互耦影响越来越大，严重影响了阵元尤其是相邻阵元间的隔离度。如何提高两个极化端口间的隔离度、抑制交叉极化是天线设计的重点和难点。改善阵元间的隔离度，主要就是改善相邻阵元间的隔离度。在图4所示的常规微带天线阵中，相邻单元之间的端口隔离度是最差的，当微带天线单元间距极小时，近场耦合占主导地位。单元间不仅有通过地板的传导电流引起的耦合，而且有近场位移电流引起的耦合，后者的影响要大于前者。

针对上述问题，已有研究者提出采用高隔离度天线单元，例如磁偶极子天线来保证天线阵元间的隔离度，但这会增加天线单元结构的复杂度，难以实现真正的工程应用。

发明内容

本发明的目的是针对已有的常规微带天线或振子天线单元组成的阵列存在的相邻阵元间隔离度低的问题，提供一种结构简单，易于加工，成本低廉，甚至不需要改变原有的天线阵面，即可实现相邻阵元间隔离度优化，同时不影响相邻阵元的驻波及增益和方向图等电性能的天线阵元间隔离度优化方法。