阵列天线的互耦分析和去耦网络设计(2)

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图5.2端口阻抗测试电路.26

图5.3ADS中S参数仿真结果26

图5.4端口1输出阻抗.26

图5.5端口2输出阻抗.27

图5.6匹配网络电路图.27

图5.7阻抗匹配示意图.28

图5.8端口1阻抗匹配网络.28

图5.9阻抗匹配后端口1仿真结果.28

图5.10实际微带线匹配网络.29

图5.11阻抗匹配网络电路图.29

图5.12去耦、匹配后各端口S参数30
1 绪论1.1 课题研究背景天线是用来辐射和接收无线电波的装置，它完成将传输线上的导行波转换为在无界媒介（一般指自由空间）里传播的电磁波的工作，并且这种转换可逆[1]。自天线发明以来，它在社会生活的各个领域得到广泛的应用。在实际生活中的天线应用里，通常需要天线具有较高的增益和功率、较低的旁瓣以及波束控制或者波束扫描等特性，单一天线通常较难达到这些要求，因此阵列天线应运而生。阵列天线是一种由两个或者两个以上的天线单元规则或随机排布，并且加以适当的激励来获得特定的辐射特性的特殊天线[2]。阵列天线具有设计灵活性，我们可以借助选择阵列天线的结构、馈电的幅相或者阵元的不同排布来获得单个阵元难以提供的优质辐射性能，这也是其得以广泛应用的本质原因。在阵列天线的基本分析中，我们通常假定阵列天线单元上的电流或场与所加激励成比例，阵列扫描时单元激励不变，这实际上忽略了单元在阵列中的互耦。事实上，天线阵列里任意一个阵元都可看做是开放型电路,各个阵元间通过电磁耦合互相影响。当阵元间的距离比较小时,这种耦合效应更加不能忽视。阵列天线在接收外界信号时，由于互耦效应，每个阵元的接收信号不但是对入射波的响应，也有对四周阵元引起的散射场的响应；同理，若阵列天线作为发射器，各阵元上的表面电流也包含了馈源激励以及周围阵元的散射激励。这种互耦效应影响天线性能，比如使阵列单元方向图产生畸变、改变阵列单元激励电流、改变阵中单元辐射阻抗，破坏阵列的极化特性等等。因而，对阵列天线互耦采取控制或补偿措施，成为我们提高天线性能必不可少的手段之一。1.2 阵列天线互耦的研究现状在过去的几十年时间内，在意识到互耦效应对天线阵具有不可忽视的影响的基础上，无数学者致力于互耦的研究以及寻找控制或补偿互耦的方法，得到了一系列分析互耦以及去除耦合或进行互耦补偿以提高天线阵列性能的理论成果，这些研究为后来设计去耦合网络提供了一定的理论依据。阵列分析中一种经典的方法称为矩量法[3]-[5]，如文献[3]中首先选取基函数第 2 页本科毕业设计说明书（RWG 基函数）来表示导体表面的电流分布，进而借助 MATLAB 编程，最终得到出阵元之间的互阻抗矩阵,源^自(优尔:文,论)文]网[www.youerw.com，并通过仿真实例，研究在阵元位置不同的情形下，互耦效应对阵列天线方向图的影响。移动通信中常采用一种多输入多输出天线系统（MIMO）[6]，为提高信道容量及系统性能，对天线系统阵元互耦影响的研究也是必要的。文献[7]中即采用严格的网络分析的方法来研究 MIMO 系统中的互耦，得到阻抗矩阵与收发端耦合矩阵，讨论互耦对信道容量以及阵元相关性造成的影响。文献[8]也是采用网络分析的方法，除了分析互耦原理外更通过散射矩阵的分解推导出互耦的补偿公式，并通过实际测得的数据验证了所设计算法的准确性和有效性。在分析的基础上更进一步地给出了补偿措施，以减小互耦的影响。在某些情况下，可采用某种特殊结构来改变传输线特性来抑制互耦的影响，比如DGS，这是一类具有慢波特性和带隙特性的缺陷接地结构[9]，它在传输线（例如微带线）的金属地平面之上蚀刻出各种周期性或者非周期性的栅格形状,传输线的特性得到改变，从而抑制了互耦。文献[10]和[11]在分析计算互阻抗矩阵和散射矩阵的基础上推导出互耦校正公式（左乘逆矩阵）以消除互耦的影响，采用分解矩阵和多步校正的方法，最后验证补偿公式的正确度及可用性。