CN116151038A - 一种圆极化mimo微带天线阵列自解耦技术的分析方法 - Google Patents
一种圆极化mimo微带天线阵列自解耦技术的分析方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种圆极化MIMO微带天线阵列自解耦技术的分析方法，包括：建立圆极化MIMO微带天线阵列，得出模态显著性及特征角曲线；观察四种基础特征模式的模式电流与模式电场；选择特征角相差90度且模态显著性值相近的一对基础特征模式作为正交模式；计算出耦合贴片单元的零场区；计算出激励贴片单元的弱值区；放置馈电端口；对圆极化MIMO微带天线阵列进行仿真，取得‑52dB的优良解耦水平。本发明在整个MIMO天线馈电点的设计中完全采用特征模理论作为指导，充分发挥了该理论用于多模态同频激励、多模态合成等优势，在该类型天线设计上具有较好的指导作用；馈电位置的分析与确定也在天线的软件仿真上减少了优化工作的体量，具有直观且简单的优势。
Description
技术领域
本发明涉及MIMO微带天线技术领域，尤其是一种圆极化MIMO微带天线阵列自解耦技术的分析方法。
背景技术
多输入多输出MIMO技术以其高信道容量和快速传输速度，在第五代5G移动通信中发挥着核心作用。然而，值得注意的是，采用MIMO阵列的整个***的性能往往会由于单元之间的面波和空间波的耦合效应而降低。为了缓解这一问题，人们对天线元件之间的相互耦合进行了广泛的研究。
随着解耦技术的广泛应用，许多的学者做了针对研究，其中比较经典的方式有如利用电磁带隙结构、缺陷地结构、解耦网络法、中和线去耦、超材料结构去耦等等需要对天线额外加设去耦装置或者需要对天线本身进行特殊加工处理的方式，相应地，其成本较高，加工难度较大，结构也较为复杂。自解耦作为一种不需要额外增加解耦网络，仅依靠天线自身特性实现解耦效果而不损害自身辐射性能的技术，也近年来被人们广泛关注，许多方案被提出，有如使用本征模理论经过优化激励位置得到特定弱场，也有利用共差模理论对于模式做到相互抵消，合成弱场，也有利用特征模理论分析并激发高阶模，将能量分散实现解耦效果。但是很多的分析其对于馈电的位置没有清晰的指导，最佳馈电位置是基于了大量的结构优化而确定，特征模理论仅存在于模式分析，或者使用地较为抽象，不够具体。
发明内容
为解决额外增加解耦结构对天线性能的影响以及自解耦技术中需要通过大量优化确定馈电位置的缺陷，本发明的目的在于提供一种在未加设馈电的条件下分析得出具有良好解耦性能的馈电位置，简化仿真优化流程，具有清晰的理论依据，并且有利于指导同类型的自解耦天线设计的圆极化MIMO微带天线阵列自解耦技术的分析方法。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种圆极化MIMO微带天线阵列自解耦技术的分析方法，该方法包括下列顺序的步骤：
（1）建立包含耦合贴片单元、激励贴片单元的圆极化MIMO微带天线阵列，并基于特征模理论对圆极化MIMO微带天线阵列进行分析，得出模态显著性及特征角曲线；
（2）根据模态显著性及特征角曲线所反映的谐振特性，确定圆极化MIMO微带天线阵列的四种基础特征模式，观察四种基础特征模式的模式电流与模式电场；
（3）在四种基础特征模式中，于5.5GHz频点选择特征角相差90度且模态显著性值相近的一对基础特征模式作为正交模式；
（4）基于解耦的要求，计算出圆极化MIMO微带天线阵列的耦合贴片单元上正交模式的模式电场和的零场区；
（5）基于正交模式同时激励的要求，计算出圆极化MIMO微带天线阵列的激励贴片单元上正交模式的模式电流差的弱值区；
（6）在耦合贴片单元的零场区和激励贴片单元的弱值区之间的几何公共区域作为馈电位置选择区，放置馈电端口；
（7）确定馈电端口位置后，对圆极化MIMO微带天线阵列进行仿真，取得-52dB的优良解耦水平。
所述步骤（1）具体是指：建立圆极化MIMO微带天线阵列，该阵列由两个相同的矩形微带天线组成，两个矩形微带天线分别作为激励贴片单元和耦合贴片单元，矩形微带天线的长为14.93mm、宽为16.3mm、距离为6.71mm，两个矩形微带天线并排印制在厚度为1.50mm、介电常数为2.65的单层介质衬底上；
基于矩量法和电场积分方程推导加权特征方程如下所示：
其中，R、X代表由电场和表面电流关系所求出的阻抗矩阵的实部和虚部，Jn代表特征电流，λn是对应的特征值，经过积分计算，模态显著性被定义为：
因此，模态显著性MS和特征值λn有关，当λn<0时，称作电容模式；当λn> 0时，称作电感模式；当λn =0时，称作谐振模式；
在模态显著性MS值等于1时，代表此模式辐射最完全，使用CST Studio Suite软件，对于天线阵列进行不加激励的特征模式分析，经仿真获得模态显著性曲线和特征角曲线。
所述步骤（2）具体是指：在经过特征模分析后根据模态显著性的定义，幅值越接近于1，其模式被激发的潜力越大，在5.2至5.8GHz频带中有四个模式表现为显著性高水平，将它们分别命名为第一基础特征模式、第二基础特征模式、第三基础特征模式和第四基础特征模式。
所述步骤（3）具体是指：所述特征角的定义为：
式中，λn是特征值，在β<180°时，该特征值所对应的特征模式能够储存磁能；在β>180°时，该特征值所对应的特征模式能够储存电能；在β=180°时，该特征值所对应的特征模式处于谐振状态；
为实现天线的圆极化辐射，需要相位差为90°且幅度相同的模式作为正交模式去合成辐射场，在近5.5GHz处，第一基础特征模式与第四基础特征模式的模态显著性相同，表示在该频点处，第一基础特征模式与第四基础特征模式在合适的激励下能够产生幅值相近的辐射效果；同时第一基础特征模式与第四基础特征模式在此频点处特征角相差90°，表明这两种模式相互正交，因此选择第一基础特征模式与第四基础特征模式为正交模式。
所述步骤（4）具体是指：选择正交模式后，利用CST Studio Suite软件中的场计算器，将正交模式电场进行相加处理，在激励贴片单元和耦合贴片单元上均产生合成的零场区，为使耦合效应最大程度减小，在激励贴片单元安装馈电端口时，耦合贴片单元上的馈电端口需要位于合成场的零场区内，选择耦合贴片单元上电场值为零的区域即零场区作为激励端口的备选区域。
所述步骤（5）具体是指：选择正交模式后，利用CST Studio Suite软件中的场计算器，将正交模式电流进行相减处理，靠近矩形的四角处存在弱值区，此区域代表正交模式的两种模式电流在此处分布情况相近，若此处安装馈电端口，两种模式对于激励的辐射反应相似，即相近程度下激励出两种模式，选择激励贴片单元上电流的弱值区作为激励端口的备选区域。
所述步骤（6）具体是指：在分别得到用于去耦合和同时激励的两个备选区域后，由于激励贴片单元和耦合贴片单元的形状相同，在耦合贴片单元的零场区和激励贴片单元的弱值区对应的几何交集区域中作为期望的馈电位置选择区，放置馈电端口。
所述步骤（7）具体是指：将馈电位置选择区的所有坐标作为同轴馈电坐标利用HFSS仿真软件对圆极化MIMO微带天线阵列进行仿真并得到电磁性能，选择辐射、结构、圆极化和解耦效果最好的位置，最佳解耦效果在5.45GHz处达到-52dB，具有很好的圆极化和自解耦的性能。
由上述技术方案可知，本发明的有益效果为：第一，本发明与其他自解耦天线设计方法不同，从天线的结构、电磁属性出发，在整个MIMO天线馈电点的设计中完全采用特征模理论作为指导，充分发挥了该理论用于多模态同频激励、多模态合成等优势，从原理上解释了圆极化以及去耦效果的原因，在该类型天线设计上具有较好的指导作用；第二，馈电位置的分析与确定也在天线的软件仿真上减少了优化工作的体量，具有直观且简单的优势；第三，本发明具有较大的拓展潜力，对于合成弱场类的自解耦方式有重要的指导作用，并可未来拓展于更复杂结构的分析；第四，本发明可用于分析天线的辐射类别可以不仅限定于圆极化，对于线极化、双极化等MIMO天线皆可适用，且分析成本较低。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明中圆极化MIMO微带天线阵列的主视图；
图3为本发明中圆极化MIMO微带天线阵列的俯视图；
图4为本发明的模态显著性曲线图；
图5为本发明的特征角曲线图；
图6为本发明基础模式电场分布图；
图7为本发明的基础模式电流分布图；
图8为本发明的正交模式电场和分布图；
图9为本发明的正交模式电流差分布图；
图10为本发明的轴比以及S11、S21参数曲线示意图；
图11为本发明在5.54GHz时xoz面的圆极化方向图；
图12为本发明在5.54GHz时yoz面的圆极化方向图。
具体实施方式
如图1所示，一种圆极化MIMO微带天线阵列自解耦技术的分析方法，该方法包括下列顺序的步骤：
（1）建立包含耦合贴片单元2、激励贴片单元1的圆极化MIMO微带天线阵列，并基于特征模理论对圆极化MIMO微带天线阵列进行分析，得出模态显著性及特征角曲线；
（2）根据模态显著性及特征角曲线所反映的谐振特性，确定圆极化MIMO微带天线阵列的四种基础特征模式，观察四种基础特征模式的模式电流与模式电场；
（3）在四种基础特征模式中，于5.5GHz频点选择特征角相差90度且模态显著性值相近的一对基础特征模式作为正交模式；
（4）基于解耦的要求，计算出圆极化MIMO微带天线阵列的耦合贴片单元2上正交模式的模式电场和的零场区；
（5）基于正交模式同时激励的要求，计算出圆极化MIMO微带天线阵列的激励贴片单元1上正交模式的模式电流差的弱值区；
（6）在耦合贴片单元2的零场区和激励贴片单元1的弱值区之间的几何公共区域作为馈电位置选择区，放置馈电端口3；
（7）确定馈电端口3位置后，对圆极化MIMO微带天线阵列进行仿真，取得-52dB的优良解耦水平。
所述步骤（1）具体是指：首先建立如图2、3所示的圆极化MIMO微带天线阵列，设空间直角坐标系o-xyz包括：原点o、x轴、y轴、z轴；MIMO阵列平行于空间直角坐标系xoy面。建立圆极化MIMO微带天线阵列，该阵列由两个相同的矩形微带天线组成，两个矩形微带天线分别作为激励贴片单元1和耦合贴片单元2，矩形微带天线的长为14.93mm、宽为16.3mm、距离为6.71mm，两个矩形微带天线并排印制在厚度为1.50mm、介电常数为2.65的单层介质衬底上；
特征模理论是一种用于分析和设计天线***的数学方法，该理论基于电磁场的矢量势理论，可以用于预测天线***的辐射和阻抗特性，以及通过调整几何形状来优化天线性能。模态显著性作为特征模理论的重要指标，是指天线结构中每个特征模式（也称为基模式）对于总电磁场的贡献程度，在模拟过程中，可以通过改变天线的几何形状，来调整每个特征模式的权重，以优化天线的性能，例如增加辐射效率、降低驻波比等。
基于矩量法和电场积分方程推导加权特征方程如下所示：
其中，R、X代表由电场和表面电流关系所求出的阻抗矩阵的实部和虚部，Jn代表特征电流，λn是对应的特征值，经过积分计算，模态显著性被定义为：
因此，模态显著性MS和特征值λn有关，当λn<0时，称作电容模式；当λn> 0时，称作电感模式；当λn =0时，称作谐振模式；在指导天线设计时，倾向于天线的谐振模式并且尽可能的抑制电感和电容模式。在模态显著性MS值等于1时，代表此模式辐射最完全，使用CSTStudio Suite软件，对于天线阵列进行不加激励的特征模式分析，经仿真获得模态显著性曲线和特征角曲线。
所述步骤（2）具体是指：在经过特征模分析后根据模态显著性的定义，幅值越接近于1，其模式被激发的潜力越大，在5.2至5.8GHz频带中有四个模式表现为显著性高水平，将它们分别命名为第一基础特征模式、第二基础特征模式、第三基础特征模式和第四基础特征模式。特征模分析后可得如图4所示的模态显著性MS曲线、如图5所示特征角曲线，根据曲线可得在频率分别为5.25GHz、5.31 GHz、5.68 GHz、5.71 GHz处的数值接近1，所以该四种模式确定基础模式。该四种模式的模式电场与模式电流分别如图6、图7所示。
所述步骤（3）具体是指：所述特征角的定义为：
式中，λn是特征值，在β<180°时，该特征值所对应的特征模式能够储存磁能；在β>180°时，该特征值所对应的特征模式能够储存电能；在β=180°时，该特征值所对应的特征模式处于谐振状态；
为实现天线的圆极化辐射，需要相位差为90°且幅度相同的模式作为正交模式去合成辐射场，在近5.5GHz处，第一基础特征模式与第四基础特征模式的模态显著性相同，表示在该频点处，第一基础特征模式与第四基础特征模式在合适的激励下能够产生幅值相近的辐射效果；同时第一基础特征模式与第四基础特征模式在此频点处特征角相差90°，表明这两种模式相互正交，因此选择第一基础特征模式与第四基础特征模式为正交模式。
所述步骤（4）具体是指：选择正交模式后，利用CST Studio Suite软件中的场计算器，将正交模式电场进行相加处理，在激励贴片单元1和耦合贴片单元2上均产生合成的零场区，为使耦合效应最大程度减小，在激励贴片单元1安装馈电端口3时，耦合贴片单元2上的馈电端口3需要位于合成场的零场区内，选择耦合贴片单元2上电场值为零的区域即零场区作为激励端口的备选区域。
所述步骤（5）具体是指：选择正交模式后，利用CST Studio Suite软件中的场计算器，将正交模式电流进行相减处理，靠近矩形的四角处存在弱值区，此区域代表正交模式的两种模式电流在此处分布情况相近，若此处安装馈电端口3，两种模式对于激励的辐射反应相似，即相近程度下激励出两种模式，选择激励贴片单元1上电流的弱值区作为激励端口的备选区域。
所述步骤（6）具体是指：在分别得到用于去耦合和同时激励的两个备选区域后，由于激励贴片单元1和耦合贴片单元2的形状相同，在耦合贴片单元2的零场区和激励贴片单元1的弱值区对应的几何交集区域中作为期望的馈电位置选择区，放置馈电端口3。
所述步骤（7）具体是指：将馈电位置选择区的所有坐标作为同轴馈电坐标利用HFSS仿真软件对圆极化MIMO微带天线阵列进行仿真并得到电磁性能，选择辐射、结构、圆极化和解耦效果最好的位置，最佳解耦效果在5.45GHz处达到-52dB，具有很好的圆极化和自解耦的性能。
将正交模式中的第一基础特征模式与第四基础特征模式的电场进行相加处理，其电场分布如图8所示，在耦合贴片单元2上选择电场值为零的稳定的弱场区域，即虚线区域，代表该处合成电场相互抵消，无电场效果影响，作为耦合贴片单元2上的馈电位置的备选区域。
将正交模式中的第一基础特征模式与第四基础特征模式的电流进行相减处理，其电流分布如图9所示，在激励贴片单元1上选择电流值为零的弱值区域，即虚线区域，代表该处两种模式电流相近，若此处激励，可相近程度地同时激励出第一基础特征模式与第四基础特征模式模式，作为激励贴片单元1上的馈电位置的备选区域。
根据所得馈电位置设置同轴方式馈电，利用仿真软件进行仿真，可得较好的解耦效果。在没有馈电设置的前提下，根据特征模理论在激励贴片单元1激发圆极化辐射，且同时满足该馈点位于耦合贴片单元2的稳定弱场区域，实现自行减小耦合的效果。经仿真，如图10所示为天线的轴比以及S11、S21、参数曲线示意图，图11为天线在5.54GHz时xoz面的极化方向图，图12为天线在5.54GHz时yoz面的极化方向图。S11指反射系数，S2指传输系数。
将馈电位置选择区的所有坐标作为同轴馈电坐标利用HFSS仿真软件对天线阵列进行仿真并得到电磁性能，选择辐射、结构、圆极化和解耦效果最好的位置，其参数如图10，通过观察的S11、S21、轴比和图11、12的圆极化方向图可得其阻抗带宽（S11<-10dB）达到6.80%（5.26-5.63GHz）,解耦带宽（S21<-20dB）达到1.83%（5.40-5.50GHz），圆极化带宽（AR<3dB）达到2.0%（5.41-5.52GHz），最佳解耦效果可以在5.45GHz处达到-52dB，因此具有很好的圆极化和自解耦的性能。在没有馈电设置以及软件优化的前提下，根据特征模理论在激励贴片单元1中分析最佳馈电位置同时激励出正交模式从而激发圆极化辐射，且该馈点位置也相应位于耦合贴片单元2的稳定弱场区域，合成后的弱场对该激励端口影响较小，模式之间相互抵消，实现自行减小耦合的效果，为该类自解耦天线的设计提供了重要的理论指导思路。
综上所述，本发明与其他自解耦天线设计方法不同，从天线的结构、电磁属性出发，在整个MIMO天线馈电点的设计中完全采用特征模理论作为指导，充分发挥了该理论用于多模态同频激励、多模态合成等优势，从原理上解释了圆极化以及去耦效果的原因，在该类型天线设计上具有较好的指导作用；馈电位置的分析与确定也在天线的软件仿真上减少了优化工作的体量，具有直观且简单的优势。
Claims (8)
1.一种圆极化MIMO微带天线阵列自解耦技术的分析方法，其特征在于：该方法包括下列顺序的步骤：
（1）建立包含耦合贴片单元、激励贴片单元的圆极化MIMO微带天线阵列，并基于特征模理论对圆极化MIMO微带天线阵列进行分析，得出模态显著性及特征角曲线；
（2）根据模态显著性及特征角曲线所反映的谐振特性，确定圆极化MIMO微带天线阵列的四种基础特征模式，观察四种基础特征模式的模式电流与模式电场；
（3）在四种基础特征模式中，于5.5GHz频点选择特征角相差90度且模态显著性值相近的一对基础特征模式作为正交模式；
（4）基于解耦的要求，计算出圆极化MIMO微带天线阵列的耦合贴片单元上正交模式的模式电场和的零场区；
（5）基于正交模式同时激励的要求，计算出圆极化MIMO微带天线阵列的激励贴片单元上正交模式的模式电流差的弱值区；
（6）在耦合贴片单元的零场区和激励贴片单元的弱值区之间的几何公共区域作为馈电位置选择区，放置馈电端口；
（7）确定馈电端口位置后，对圆极化MIMO微带天线阵列进行仿真，取得-52dB的优良解耦水平。
2.根据权利要求1所述的圆极化MIMO微带天线阵列自解耦技术的分析方法，其特征在于：所述步骤（1）具体是指：建立圆极化MIMO微带天线阵列，该阵列由两个相同的矩形微带天线组成，两个矩形微带天线分别作为激励贴片单元和耦合贴片单元，矩形微带天线的长为14.93mm、宽为16.3mm、距离为6.71mm，两个矩形微带天线并排印制在厚度为1.50mm、介电常数为2.65的单层介质衬底上；
基于矩量法和电场积分方程推导加权特征方程如下所示：
其中，R、X代表由电场和表面电流关系所求出的阻抗矩阵的实部和虚部，Jn代表特征电流，λn是对应的特征值，经过积分计算，模态显著性被定义为：
因此，模态显著性MS和特征值λn有关，当λn<0时，称作电容模式；当λn> 0时，称作电感模式；当λn =0时，称作谐振模式；
在模态显著性MS值等于1时，代表此模式辐射最完全，使用CST Studio Suite软件，对于天线阵列进行不加激励的特征模式分析，经仿真获得模态显著性曲线和特征角曲线。
3.根据权利要求1所述的圆极化MIMO微带天线阵列自解耦技术的分析方法，其特征在于：所述步骤（2）具体是指：在经过特征模分析后根据模态显著性的定义，幅值越接近于1，模式被激发的潜力越大，在5.2至5.8GHz频带中有四个模式表现为显著性高水平，将它们分别命名为第一基础特征模式、第二基础特征模式、第三基础特征模式和第四基础特征模式。
4.根据权利要求1所述的圆极化MIMO微带天线阵列自解耦技术的分析方法，其特征在于：所述步骤（3）具体是指：所述特征角的定义为：
式中，λn是特征值，在β<180°时，该特征值所对应的特征模式能够储存磁能；在β>180°时，该特征值所对应的特征模式能够储存电能；在β=180°时，该特征值所对应的特征模式处于谐振状态；
为实现天线的圆极化辐射，需要相位差为90°且幅度相同的模式作为正交模式去合成辐射场，在近5.5GHz处，第一基础特征模式与第四基础特征模式的模态显著性相同，表示在该频点处，第一基础特征模式与第四基础特征模式在合适的激励下能够产生幅值相近的辐射效果；同时第一基础特征模式与第四基础特征模式在此频点处特征角相差90°，表明这两种模式相互正交，因此选择第一基础特征模式与第四基础特征模式为正交模式。
5.根据权利要求1所述的圆极化MIMO微带天线阵列自解耦技术的分析方法，其特征在于：所述步骤（4）具体是指：选择正交模式后，利用CST Studio Suite软件中的场计算器，将正交模式电场进行相加处理，在激励贴片单元和耦合贴片单元上均产生合成的零场区，为使耦合效应最大程度减小，在激励贴片单元安装馈电端口时，耦合贴片单元上的馈电端口需要位于合成场的零场区内，选择耦合贴片单元上电场值为零的区域即零场区作为激励端口的备选区域。
6.根据权利要求1所述的圆极化MIMO微带天线阵列自解耦技术的分析方法，其特征在于：所述步骤（5）具体是指：选择正交模式后，利用CST Studio Suite软件中的场计算器，将正交模式电流进行相减处理，靠近矩形的四角处存在弱值区，此区域代表正交模式的两种模式电流在此处分布情况相近，若此处安装馈电端口，两种模式对于激励的辐射反应相似，即相近程度下激励出两种模式，选择激励贴片单元上电流的弱值区作为激励端口的备选区域。
7.根据权利要求1所述的圆极化MIMO微带天线阵列自解耦技术的分析方法，其特征在于：所述步骤（6）具体是指：在分别得到用于去耦合和同时激励的两个备选区域后，由于激励贴片单元和耦合贴片单元的形状相同，在耦合贴片单元的零场区和激励贴片单元的弱值区对应的几何交集区域中作为期望的馈电位置选择区，放置馈电端口。
8.根据权利要求1所述的圆极化MIMO微带天线阵列自解耦技术的分析方法，其特征在于：所述步骤（7）具体是指：将馈电位置选择区的所有坐标作为同轴馈电坐标利用HFSS仿真软件对圆极化MIMO微带天线阵列进行仿真并得到电磁性能，选择辐射、结构、圆极化和解耦效果最好的位置，最佳解耦效果在5.45GHz处达到-52dB，具有很好的圆极化和自解耦的性能。
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