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1、(10)申请公布号 CN 102856646 A (43)申请公布日 2013.01.02 CN 102856646 A *CN102856646A* (21)申请号 201210340165.4 (22)申请日 2012.09.14 H01Q 1/52(2006.01) H01Q 21/00(2006.01) (71)申请人 重庆大学 地址 400044 重庆市沙坪坝区沙坪坝正街 174 号 (72)发明人 于彦涛 冯文江 王品 蒋颖 (74)专利代理机构 北京同恒源知识产权代理有 限公司 11275 代理人 赵荣之 (54) 发明名称 用于紧凑型天线阵的去耦匹配网络 (57) 摘要 用于紧。
2、凑型天线阵的去耦匹配网络， 所述去 耦匹配网络包括有一个刻蚀在天线的基板的下表 面上的宽度为Wr的微带环， 该微带环由三段半径 为R、 弧度为的弧段组成， 三段弧段的圆心均位 于同一点， 还包括有三段宽度为W微带线， 三段微 带线等间距的贯穿微带环， 并且三段微带线的延 长线穿过弧段的圆心， 在微带线上设置有长度为 Lo、 宽度为Wo的微带开路支节， 微带开路支节平行 于微带线的切线， 微带开路支节距离为L1。 本发明 提出的去耦匹配网络结构简单紧凑， 易实现， 能够 有效地对紧凑型天线阵进行去耦和匹配。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 (19)中华人。
3、民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 1/1 页 2 1. 用于紧凑型天线阵的去耦匹配网络， 其特征在于 ： 所述去耦匹配网络包括有一个刻 蚀在天线的基板的下表面上的宽度为Wr的微带环， 该微带环由三段半径为R、 弧度为的 弧段组成， 三段弧段的圆心均位于同一点， 还包括有三段宽度为W的微带线， 三段微带线等 间距的贯穿微带环， 并且三段微带线的延长线穿过弧段的圆心， 三段微带线位于微带环内 的端部与天线阵三个端口直接连接， 在微带线上设置有长度为Lo、 宽度为Wo的微带开路支 节， 微带开路支节平行于微带线的切线， 微带开路支节距离为。
4、L1。 2. 如权利要求 1 所述的用于紧凑型天线阵的去耦匹配网络， 其特征在于， 所述去耦匹 配网络的初始参数分配为 ： 根据所选择的基板， 包括基板的介电常数、 厚度和平面尺寸， 在 天线的中心工作频率f计算特征阻抗为 50 的微带线的宽度W。 3. 如权利要求 2 所述的用于紧凑型天线阵的去耦匹配网络， 其特征在于， 所述去耦匹 配网络的初始参数分配为 ： 微带环的宽度Wr根据电路刻蚀设备所能制作的最小宽度进行限 制。 4. 如权利要求 3 所述的用于紧凑型天线阵的去耦匹配网络， 其特征在于， 所述去耦匹 配网络的初始参数分配为 ： 微带环的半径R的取值大于天线阵的三个端口所组成的圆的半。
5、 径。 5. 如权利要求 4 所述的用于紧凑型天线阵的去耦匹配网络， 其特征在于， 所述去耦匹 配网络的初始参数分配为 ： 微带开路支节的宽度Wo的最小取值为电路刻蚀设备所能制作的 最小宽度， 其长度Lo的取值在接收无线信号的半个波长以内。 6. 如权利要求 5 所述的用于紧凑型天线阵的去耦匹配网络， 其特征在于 ： 所述去耦匹 配网络的初始参数分配完毕后， 对初始参数进行优化， 使天线阵与去耦匹配网络相连接后 的新输入端口在工作频率上的反射系数S11和耦合系数S12都尽可能地小。 权 利 要 求 书 CN 102856646 A 2 1/4 页 3 用于紧凑型天线阵的去耦匹配网络 技术领域 。
6、0001 本发明涉及无线通信领域， 特别是一种去耦匹配网络刻蚀在天线基板上的天线 阵。 背景技术 0002 新一代的无线通信系统要求天线阵列可容纳更高的数据速率， 提供更大的容量， 并具有稳定强大的信道特性。智能天线和多输入多输出 （MIMO） 天线系统有能力满足这些 要求。如果空间不受限制， 在固定终端安装多个天线很容易实现。然而， 在移动设备中， 平 台的尺寸非常有限， 这样很难将多个天线集成在移动平台上。这是因为当天线阵元间距变 小时， 阵元间的互耦效应变得很强。互耦效应可以造成系统性能的重大衰退， 如增益减小、 信噪比降低、 带宽减小以及合成远场方向图的畸变等。 0003 为了消除或减。
7、小互耦效应对紧凑型天线阵的不利影响， 学者们提出了许多互耦补 偿的方法或数学模型。去耦可以通过改变天线的几何结构或者天线阵的阵列结构来实现。 信号处理技术可以使用天线阵的耦合矩阵来消除自适应阵列接收的信号向量的互耦影响。 加载缺陷地结构也可以减小阵元间的互耦效应。另外， 无源无耗的去耦匹配网络可以将耦 合的天线端口转换成独立且匹配的端口。 学界提出了各种去耦匹配网络的实现方法。 例如， 二元阵列的去耦网络设计。对于三元天线阵， 去耦网络可以用简单的电抗元件来设计。但 是， 实际中通常没有与计算值所对应的集总电抗元件可以使用。 因此， 用电抗元件设计的三 元阵列的去耦网络可以通过微带线和微带支节。
8、来实现。然而， 这种微带去耦匹配网络比较 复杂。 虽然对微带线进行了弯曲设计， 但其总体尺寸相比天线阵尺寸显得过大， 使得这种设 计难以在较小的终端上应用。另外一种增强紧凑天线端口隔离度的紧凑型网络结构， 去耦 网络结构简单， 只有一个微带环形结构。 但是此环形结构也使得设计的自由度减小， 较难得 到即满足系统性能要求， 又具有较小尺寸的设计。 发明内容 0004 本发明的目的就是提供一种用于紧凑型天线阵的去耦匹配网络， 它可以有效的对 紧凑型天线阵进行去耦和匹配。 0005 本发明的目的是通过这样的技术方案实现的， 它包括有一个刻蚀在天线的基板的 下表面上的宽度为Wr的微带环， 该微带环由三。
9、段半径为R、 弧度为的弧段组成， 三段弧段 的圆心均位于同一点， 还包括有三段宽度为W的微带线， 三段微带线等间距的贯穿微带环， 并且三段微带线的延长线穿过弧段的圆心， 三段微带线位于微带环内的端部与天线阵三个 端口直接连接， 在微带线上设置有长度为Lo、 宽度为Wo的微带开路支节， 微带开路支节平行 于微带线的切线， 微带开路支节距离为L1。 0006 进一步， 所述去耦匹配网络的初始参数分配为 ： 根据所选择的基板， 包括基板的介 电常数、 厚度和平面尺寸， 在天线的中心工作频率f计算特征阻抗为 50 的微带线的宽度 W。 说 明 书 CN 102856646 A 3 2/4 页 4 00。
10、07 进一步， 所述去耦匹配网络的初始参数分配为 ： 微带环的宽度Wr根据电路刻蚀设 备所能制作的最小宽度进行限制。 0008 进一步， 所述去耦匹配网络的初始参数分配为 ： 微带环的半径R的取值大于天线 阵的三个端口所组成的圆的半径。 0009 进一步， 所述去耦匹配网络的初始参数分配为 ： 微带开路支节的宽度Wo的最小取 值为电路刻蚀设备所能制作的最小宽度， 其长度Lo的取值在接收无线信号的半个波长以 内。 0010 进一步， 所述去耦匹配网络的初始参数分配完毕后， 对初始参数进行优化， 使天线 阵与去耦匹配网络相连接后的新输入端口在工作频率上的反射系数S11和耦合系数S12都尽 可能地小。
11、。 0011 由于采用了上述技术方案， 本发明具有如下的优点 ： 本发明提出的去耦匹配网络结构简单紧凑， 易实现， 能够有效地对紧凑型天线阵进行 去耦和匹配。 0012 本发明的其他优点、 目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述， 并 且在某种程度上， 基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的， 或者可 以从本发明的实践中得到教导。 本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要 求书来实现和获得。 附图说明 0013 本发明的附图说明如下。 0014 图 1 为本发明的结构示意图 ； 图 2 为三元单极子天线阵的 S 参数随频率变化图 ； 图 3 为去耦匹配后的三。
12、元单极子天线阵的 S 参数随频率变化图。 0015 图中 ： 1. 微带环 ； 2. 弧段 ； 3. 微带线 ； 4. 微带开路支节。 具体实施方式 0016 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。 0017 用于紧凑型天线阵的去耦匹配网络， 所述去耦匹配网络包括有一个刻蚀在天线的 基板的下表面上的宽度为Wr的微带环1， 该微带环1由三段半径为R、 弧度为的弧段2组 成， 三段弧段2的圆心均位于同一点， 还包括有三段宽度为W微带线3， 三段微带线3等间距 的贯穿微带环 1， 并且三段微带线 3 的延长线穿过弧段 2 的圆心， 三段微带线 3 位于微带环 1内的端部与天线阵三个端口直接连接，。
13、 在微带线3上设置有长度为Lo、 宽度为Wo的微带开 路支节 4， 微带开路支节 4 平行于微带线的切线， 微带开路支节 4 距离为L1。 0018 如图1所示， 本发明被刻蚀在天线基板的下表面上。 其中每个环段的电长度为。 不一定是 120 度， 这将会提高设计的自由度。微带线 3 位于微带环 1 内的端部为内部端 口， 也就是此网络的输出端口， 微带线 3 位于微带环 1 之外的端部为外部端口， 即经过去耦 匹配过的天线阵的新输入端口。 0019 所述去耦匹配网络的初始参数分配为 ： 根据所选择的基板， 包括基板的介电常数、 厚度和平面尺寸， 在天线的中心工作频率f计算特征阻抗为 50 的。
14、微带线的宽度W。 说 明 书 CN 102856646 A 4 3/4 页 5 0020 所述去耦匹配网络的初始参数分配为 ： 微带环 1 的宽度Wr根据电路刻蚀设备所能 制作的最小宽度进行限制。 0021 所述去耦匹配网络的初始参数分配为 ： 微带环的半径R的取值大于天线阵的三个 端口所组成的圆的半径。 0022 所述去耦匹配网络的初始参数分配为 ： 微带开路支节 4 的宽度Wo的最小取值为电 路刻蚀设备所能制作的最小宽度， 其长度Lo的取值在接收无线信号的半个波长以内。 0023 所述去耦匹配网络的初始参数分配完毕后， 对初始参数进行优化， 使天线阵与去 耦匹配网络相连接后的新输入端口在工。
15、作频率上的反射系数S11和耦合系数S12都尽可能地 小。 0024 实施例 ： 以一个工作在2.4 GHz的紧凑型三元单极子天线阵为例验证所提出的去耦匹配网络的 有效性。该单极子天线阵阵元之间的距离为 15 mm， 约为 0.12， 其中 为 2.4 GHz 处的 自由空间波长。每个单极子天线的长度为 28.5 mm， 直径为 1 mm。这些单极子被固定在一 个厚度为 1.6 mm、 半径为 50 mm、 介电常数为 4.4 的圆形 FR4 基板上。FR4 基板的上金属表 面为该单极子阵列的接地面。该单极子阵列通过基板下表面刻蚀的微带线进行馈电。该天 线阵的散射参数仿真结果如图 2 所示。由图。
16、可见， 在工作频率 2.4 GHz， 该天线阵的反射系 数S11只有 -7 dB， 而耦合系数S12将近 -8 dB。强烈的互耦效应导致该阵列的端口既相互耦 合又不匹配。 0025 紧凑型单极子天线阵可以通过图 1 中的网络来进行去耦以及匹配。先将天线阵的 S 参数导入 ADS 软件。在 ADS 中建立图 1 中的去耦匹配网络结构。然后对该去耦匹配网络 的尺寸参数进行优化， 使新输入端口的反射系数和耦合系数都尽可能地小， 以满足去耦匹 配的要求。优化后的网络尺寸参数值如表 1 所示。 0026 表 1 网络结构尺寸参数的优化取值 尺寸参数取值 W3.08mm Wr2.36mm R15.35mm。
17、 L13.4mm Lo16.9mm Wo0.4mm 122.05 通过表 1 可以看到， 去耦匹配网络中微带环的半径仅比天线阵元的间距略大一些。如 此紧凑的去耦匹配网络设计可以应用于较小的移动终端上。另外值得注意的是， 微带环中 三个环段的电长度均为 = 122.05， 大于 120。在去耦匹配网络的实现中， 需要对微 带环段进行弯曲处理以保持其几何角度为120。 该单极子天线阵经过去耦匹配， 其S参数 如图 3 所示。在工作频率上， 耦合系数 S12 被降到 -25dB， 在整个工作频带内则保持在 -20 dB 以下。-30 dB 的良好匹配也得以在工作频率上实现。因此， 本文所提出的网络结。
18、构设 计能够有效地对紧凑型天线阵同时进行去耦和匹配， 使得紧凑型天线阵可以应用于来波测 向、 波束成形等多天线技术。 0027 最后说明的是， 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制， 尽管参照较 佳实施例对本发明进行了详细说明， 本领域的普通技术人员应当理解， 可以对本发明的技 说 明 书 CN 102856646 A 5 4/4 页 6 术方案进行修改或者等同替换， 而不脱离本技术方案的宗旨和范围， 其均应涵盖在本发明 的权利要求范围当中。 说 明 书 CN 102856646 A 6 1/2 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102856646 A 7 2/2 页 8 图 3 说 明 书 附 图 CN 102856646 A 8 。