[发明专利]基于微带天线的紧凑型低耦合三极化回溯阵及三极化MIMO天线单元

说明书

本发明公开了一种基于微带天线的紧凑型低耦合三极化回溯阵及三极化MIMO天线单元，包括多个天线对，每个天线对均由两个通过传输线连接的关于回溯阵中心对称的三极化回溯阵列单元构成，所述传输线的长度相等或相差传输线波长的整数倍；所述三极化回溯阵列单元通过发射和接收三个正交极化分量的电磁波，使其构成的三极化回溯阵对任意极化方向的来波进行回溯；所述三极化回溯阵列单元在同一谐振频率下具有三个相互正交的辐射模式，包括两个微带天线辐射模式和一个单极子天线辐射模式，所述单极子天线辐射模式与微带天线辐射模式的方向图互补，通过单极子天线辐射模式与微带天线辐射模式的方向图的角度分集来扩宽构成的三极化回溯阵产生回溯效果的入射角度范围。

技术领域

本发明涉及通信技术的天线领域，具体涉及一种基于微带天线的紧凑型低耦合三极化回溯阵及三极化MIMO天线单元。

背景技术

回溯阵系统最显著的特性是，在接收到某方向的入射波后，不需要任何入射波到达方向的先验信息就可以自动跟踪入射波方向，并将阵列主波束对准来波方向，实现定向辐射。这种阵的回溯功能是通过对阵元相位的控制来实现的，等效于对入射信号的时域反转和频域的相位共轭。这种回溯和能量的空间聚焦功能以及较高的链路增益和波束自跟踪功能特别适合应用于近年来兴起的远场无线功率传输(wireless power transmission，WPT)系统，可以对处于不同位置的设备实现自动无线充电。此外，回溯阵还具有结构简单、反应迅速和不需要复杂信号处理等优势，可广泛用于地面移动通信系统、卫星通信系统、车辆导航与防撞系统、微波成像和探测系统，以及RFID等系统。

下面以远场WPT系统为例，对其工作原理和天线阵设计的挑战进行阐述。与基于感应耦合的近场WPT系统不同，远场WPT系统要求电子设备和充电单元的天线都可以在各自的远场范围工作，最大的难点是要求充电单元的天线能够在尽量宽的角度范围内进行探测并自动跟踪一个移动用户，同时要求天线能够直接、定向、高效地向被充电设备辐射能量以避免不必要的电磁辐射功率和干扰，并减小对人体的电磁辐射。而回溯阵可以很好地解决这个问题，当需要充电的设备发出一个信标信号被回溯阵接收到以后，回溯阵可以自动向入射信号方向发射信号，完成无线充电的功能。为了使此系统能够更灵活、方便和高效地为处于不同方位的用户服务，对其充电单元的天线设计提出了一些挑战：1)要求形成一个高指向性的天线，并且能够自动向入射信号方向逆向辐射，2)要求天线阵在尽量宽的角度内具有回溯功能，3)为了减少极化失配，要求天线阵对入射信号的极化不敏感，即对各个极化方向的入射信号都具有良好的回溯性能。

回溯阵可以通过很多方式来实现，比如角反射器、Van Atta阵和相位共轭阵(PON阵)等。其中Van Atta阵是一种结构简单、成本较低的实现方式，并具有很好的回溯和功率聚焦能力。Van Atta阵是由L.C.Van Atta在1959年提出的，通过传输线两两连接关于天线阵中心对称的阵元，传输线的长度相等或相差传输线波长的整数倍，使其可以在来波方向上获得最大的散射场。此外，它不需要任何外部处理来实现相位共轭的功能，使电路的设计更加简化。

为了满足上面所提出的回溯阵在WPT和其他应用中所面临的挑战，目前在回溯阵设计中所面临和急需解决的问题主要可以归纳为以下二方面：1)回溯角度范围有限，2)极化失配问题，尤其是能够同时解决这两个问题的设计还很缺乏。