CN104134866B - 基于信号干扰概念的微波宽带去耦网络 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于信号干扰概念的微波宽带去耦网络。该结构以去除耦合天线之间的互耦为设计出发点，通过信号干扰的方法，利用两个相同的宽带定向耦合器相连作为引入路径，天线互耦能量和引入路径的能量在连接线上产生电压零点而抵消，实现宽带去耦网络。该去耦网络为平面微带结构，介质板使用FR4。配合薄膜贴片电阻的使用，结构简单，加工容易，并且成本和重量都很小，因而可以大规模生产。本发明为宽带收发系统前端设计提供了新的技术方案，拓展了微波无源电路之间相互结合的方式。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于去除近距离放置的天线阵列之间互耦的微波平面电路，特别是一种基于耦合器的微波宽带去耦网络。
背景技术
下一代通信系统取得的进步，激发了对信道容量与吞吐量的便携与紧凑终端的紧迫需求。为提高通信系统的信道容量，根据Shannon定理，一个方法是拓宽系统带宽，这被应用于第三代移动电话；另一个方法是使用多输入多输出(MIMO)技术，这个技术在发射端和接收端都使用多个天线来提高信道容量。因此，未来的高容量移动终端需要紧凑的宽带多天线系统。对于便携终端来说，多个天线要放在一个很小的空间里，因此，天线之间的间距远小于半个波长。有限的空间分布不仅增加了空间相关性，而且导致天线之间的强互耦。高的空间相关性将降低信道容量，而强互耦会减小辐射功率，从而减小信噪比，也因此降低了信道容量。
为实现尺寸紧凑的多天线系统和确保合理的信道容量，需要有效的去除耦合技术。在提出的众多技术中，有两种技术近年来非常受人瞩目，下面对此作简单的介绍。根据其作用机理不同，去耦方法的研究主要分为两大类：一种是基于模式的阵列分解法。它利用一个模式分解网络来去相关存在于紧凑阵列的不同模式。这个方法具有系统性，并且理论上容易拓展到任意数目的天线单元。但是，某些模式的匹配带宽和效率会和其他模式不一致；另外一种就是耦合天线之间插入无源元件。这些元件可采用不同形式，包括：电抗负载、人工结构和集总元件。第一个形式的局限在于需要对耦合天线进行微调以满足设计指标。对于第二个，则需要在接地面设计复杂的结构。集总去耦网络的缺点是自身相对窄的去耦带宽，这是因为集总元件具有频率相关的特性。
由上述可知，现有技术的实现方法很难应用于宽带天线，并且对辐射方向图的影响没有给出相应的解释。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种基于信号干扰概念的微波宽带去耦网络，它能在宽频段内去除天线阵列之间的互耦。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于信号干扰概念的微波宽带去耦网络，包括宽带耦合槽线天线、两个对称分布的宽带分支线定向耦合器、微带连接线、介质基板、金属化通孔和贴片电阻；
介质基板的上表面印制两个对称分布的宽带分支线定向耦合器，介质基板的下表面印制宽带耦合槽线天线，所述宽带耦合槽线天线的单元为两个，每个宽带分支线定向耦合器均包括直通口、耦合口和隔离口，其中直通口通过介质基板上的金属化通孔与对应的宽带耦合槽线天线单元相连，进行能量过渡，对称分布的两个耦合口通过微带连接线相连，隔离口通过贴片电阻与介质基板上的接地金属化通孔相连，所述贴片电阻也设置在介质基板的上表面。
所述每个宽带耦合槽线天线单元均包括开路端、短路端和槽线，其中开路端通过槽线与短路端相连，所述开路端为平面喇叭状，短路端为扇形结构；两个单元中心距为0.5λ0-0.75λ0，λ0为自由空间内的波长。
介质基板的介电常数为2.2、3.8、4.4或10.2。介质基板的厚度为0.5mm、0.8mm、1.0mm或1.6mm。介质基板的材料为FR4，其等效介电常数为4.3～4.4，厚度为0.8mm。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明的基于信号干扰概念的微波宽带去耦网络可以用于高阶或者宽带去耦；2)本发明的基于信号干扰概念的微波宽带去耦网络可基于现有的滤波器或耦合器设计理论实现去耦；3)本发明的基于信号干扰概念的微波宽带去耦网络可以改善辐射方向图。
下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的信号干扰原理图。
图2为基于信号干扰概念的微波宽带去耦网络的顶视图。
图3为基于信号干扰概念的微波宽带去耦网络的俯视图。
图4为基于信号干扰概念的微波宽带去耦网络的仿真与测试S参数特性对比图。
图5为基于信号干扰概念的微波宽带去耦网络的测试归一化辐射方向图。
具体实施方式
本发明的基于信号干扰概念的微波宽带去耦网络原理如图1所示，包括宽带耦合槽线天线1、两个对称分布的宽带分支线定向耦合器2、微带连接线4。除了天线本身将电磁波辐射出去的路径之外，虚线表示两个天线之间的互耦3，实线表示在天线馈电处引入另一条路径，圈中部分能量耦合后，能够在这条路径上产生电压零点，从而降低互耦。要设计宽带的去耦网络，需要相应的宽带天线。相比贴片天线，开路槽线天线具有宽带的优势，因此本发明中利用短路的50Ω微带线过渡槽线的方式进行馈电，构成宽带耦合槽线天线1，槽线的开路端1-1做成平面喇叭状，有利于在所需频段内驻波能够较为平坦；槽线的短路端1-3做成扇形，不仅减小电路面积，可以通过调节扇形弧度获得过渡匹配。把一种宽带分支线定向耦合器2应用在电路设计中。和传统的分支线耦合器相比，每个端口为四分之一波长的传输线。隔离口2-3用50Ω贴片电阻8通过金属化通孔7接地进行匹配。
结合图2和图3，本发明的一种基于信号干扰概念的微波宽带去耦网络，包括宽带耦合槽线天线1、两个对称分布的宽带分支线定向耦合器2、微带连接线4、介质基板5、金属化通孔7和贴片电阻8；
介质基板5的上表面印制两个对称分布的宽带分支线定向耦合器2，介质基板5的下表面印制宽带耦合槽线天线1，所述宽带耦合槽线天线1的单元为两个，每个宽带分支线定向耦合器2均包括直通口2-1、耦合口2-2和隔离口2-3，其中直通口2-1通过介质基板5上的金属化通孔与对应的宽带耦合槽线天线1单元相连，进行能量过渡，对称分布的两个耦合口2-2通过微带连接线4相连，隔离口2-3通过贴片电阻8与介质基板5上的接地金属化通孔相连，所述贴片电阻8也设置在介质基板5的上表面。
每个宽带耦合槽线天线1单元均包括开路端1-1、短路端1-3和槽线1-2，其中开路端1-1通过槽线1-2与短路端1-3相连，所述开路端1-1为平面喇叭状，短路端1-3为扇形结构；两个单元中心距为0.5λ0-0.75λ0，λ0为自由空间内的波长。
介质基板5的介电常数为2.2、3.8、4.4或10.2。介质基板5的厚度为0.5mm、0.8mm、1.0mm或1.6mm。优选的，介质基板5的材料为FR4，其等效介电常数为4.3～4.4，厚度为0.8mm。
具体而言，本发明为单层PCB结构，介质基板5上下表面为金属铜皮，其中上表面为微带线结构，下表面为金属地。两个对称分布的宽带分支线定向耦合器2通过微带连接线4相连，一共有四个金属化通孔7用以连接上下金属铜皮。在定向耦合器的隔离口2-3加载贴片电阻8，贴片电阻8的另一端接地。介质基板5下表面刻蚀出宽带耦合槽线天线1，其中开路端1-1通过槽线1-2与短路端1-3相连，所述开路端1-1为平面喇叭状，短路端1-3为扇形结构。微带到槽线通过金属化通孔7过渡。
所述介质基板5的介电常数εr为4.4，厚度为0.8mm。介电常数可选范围是2.2-10.2，厚度可选范围是0.5-1.6mm。
天线单元中心距为0.5λ0-0.75λ0，其中λ0为自由空间内的波长。
所述宽带分支线定向耦合器2中每段传输线电长度均为四分之一波长，其输入输出端均为50Ω微带线。
下面结合实施例对本发明的具体装置的细节及工作情况进行细化说明。
实施例1
完整的电路板尺寸为130mm×101.7mm；天线部分的槽线宽度为0.2mm，长度为12.5mm。为了在工作频带内获得较好的匹配，槽线开路端设计成平面喇叭形状，可以让天线输入阻抗平缓过渡。喇叭开口最大处距离为28mm，最小处距离为2mm。槽线短路端设计成扇形，通过调节扇形的弧度与半径可以获得较为理想的能量过渡。扇形弧度为10度，半径为6.5mm。耦合器部分的电路结构为传统的分支线定向耦合器加上四分之一波长传输线，其中传统分支线形成口字形结构，纵向微带线的长度和宽度分别为17.8mm和3.28mm，横向微带线的长度和宽带分别为19mm和0.82mm。四分之一波长传输线的长度和宽度为18.3mm和2.44mm。连接两个定向耦合器的微带线长度和宽度为40mm和1.53mm。四个金属化通孔半径为0.4mm，高度为0.8mm。为匹配耦合器的隔离端口，在每个耦合器的隔离口加载贴片电阻，其封装型号为0805，阻值为50Ω。
该实例的天线带宽基本满足设计要求，电路板尺寸较大，可能导致测试过程中板材弯曲，因此在部分频点的匹配不是很好。如图4所示，隔离度的测试结果比仿真结果要提高2-3dB，并在1.8-2.7GHz范围内均大于15dB，其中2.1GHz处达到25dB。另外，测试的归一化方向图如图5所示。虽然在某些方向上辐射不稳定，但E面还是非常接近单个天线单元的辐射方向图。H面也是由两个单元同相合成，形成负90度方向辐射减小。相比没有去耦网络的耦合天线的辐射方向图来说，E面和H面的辐射都有较大改善。
下面对本发明基于折叠偶极子的宽带微波吸收体的制备过程进行详细描述：
(1)首先，确定去耦网络的中心频率和介质基板的参数，主要是介电常数和厚度。基于PCB板材的尺寸大小及总重量的考虑，厚度通常选择在0.5mm～1.6mm之间。
(2)由去耦网络的指标确定宽带天线的工作频带。
(3)近距离放置两个天线单元形成耦合天线，当天线间距减小时，耦合增强，通常选择天线中心间距为0.5λ0-0.75λ0。
(4)根据步骤(3)中天线互耦大小设计定向耦合器，需要将耦合器工作频段内耦合度与天线互耦保持一致，这样才能形成能量抵消。
(5)将耦合器与单个天线连接，并优化电路参数，以确保不影响非耦合天线的性能。
(6)根据步骤(5)中确定的电路参数，连接两个耦合器的耦合口，对连接线的电长度进行优化，以获得最佳去耦效果。
由上可知，本发明是为适应多天线系统对工作频段的宽带要求而设计，基于信号干扰概念而引入一条能量传输路径，天线互耦的能量和引入路径上的能量形成反相抵消，从而实现提高天线单元隔离度的作用，在中心频率处可达25dB；此外，去耦网络还具有改善天线辐射方向图的功能。E面方向图最大辐射方向为0度和180度，即介质版的正向和背向。H面上通过两个单元同相波束合成，辐射在负90度方向降低。
Claims (4)
1.一种基于信号干扰概念的微波宽带去耦网络，其特征在于，包括宽带耦合槽线天线(1)、两个对称分布的宽带分支线定向耦合器(2)、微带连接线(4)、介质基板(5)、金属化通孔(7)和贴片电阻(8)；
介质基板(5)的上表面印制两个对称分布的宽带分支线定向耦合器(2)，介质基板(5)的下表面为金属地，介质基板(5)的下表面刻蚀出所述宽带耦合槽线天线(1)，所述宽带耦合槽线天线(1)的单元为两个，每个宽带分支线定向耦合器(2)均包括直通口(2-1)、耦合口(2-2)和隔离口(2-3)，其中直通口(2-1)通过介质基板(5)上的金属化通孔(7)与对应的宽带耦合槽线天线(1)单元相连，进行能量过渡，对称分布的两个耦合口(2-2)通过微带连接线(4)相连，隔离口(2-3)通过贴片电阻(8)与介质基板(5)上的接地的所述金属化通孔(7)相连，所述贴片电阻(8)也设置在介质基板(5)的上表面；每个宽带耦合槽线天线(1)单元均包括开路端(1-1)、短路端(1-3)和槽线(1-2)，其中开路端(1-1)通过槽线(1-2)与短路端(1-3)相连，所述开路端(1-1)为平面喇叭状，短路端(1-3)为扇形结构；两个宽带槽线天线单元中心距为0.5λ0-0.75λ0，λ0为自由空间内的波长。
2.根据权利要求1所述的基于信号干扰概念的微波宽带去耦网络，其特征在于，介质基板(5)的介电常数为2.2、3.8、4.4或10.2。
3.根据权利要求1所述的基于信号干扰概念的微波宽带去耦网络，其特征在于，介质基板(5)的厚度为0.5mm、0.8mm、1.0mm或1.6mm。
4.根据权利要求1所述的基于信号干扰概念的微波宽带去耦网络，其特征在于，介质基板(5)的材料为FR4，其等效介电常数为4.3～4.4，厚度为0.8mm。
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