一种共轭匹配耦合抑制网络的微带电路实现方法技术

本发明专利技术公开了一种共轭匹配耦合抑制网络的微带电路实现方法，包括以下步骤：(1)通过加入抑制耦合微带电路，实现对天线阵元的解耦；(2)将天线阵元分别与其馈线阻抗进行匹配，从而实现完整的共轭匹配耦合抑制效果。本发明专利技术针对紧耦合MIMO系统存在的电磁耦合效应，采用共轭匹配网络进行耦合抑制，并提供具体的微波电路设计方法，相较于传统的不考虑天线耦合的方法，本发明专利技术解决了MIMO系统的耦合问题，可对多天线阵列解耦网络的电路设计提供理论指导。

【技术实现步骤摘要】
一种共轭匹配耦合抑制网络的微带电路实现方法
本专利技术涉及一种共轭匹配耦合抑制网络的微带电路实现方法，属于无线通信

技术介绍
新一代移动通信体系将采用增强版的MIMO多天线传输技术，也即需要在基站端和移动终端非常有限的空间内集中部署多根甚至上百根的天线阵元，这将导致天线阵元间非常强烈的电磁耦合效应，进而增强信号之间的相关性，导致原始设计系统传输速率也就是信道容量的急剧下降。所以，考虑如何缩小紧耦合MIMO系统天线阵列阵元间的电磁耦合效应将是新一代移动通信系统所必须面对的技术问题。WallaceJW于2004年在IEEETransactionsonWirelessCommunications上发表的论文“MutualcouplinginMIMOwirelesssystems:arigorousnetworktheoryanalysis”提出了二元阵列去除耦合效应的共轭匹配网络数学原理，但没有相应的具体电路设计。
技术实现思路
针对现有技术紧凑型MIMO通信系统中天线阵元间电磁耦合效应所带来的系统信道容量严重下降的问题，本专利技术目的是提供一种共轭匹配耦合抑制网络的微带电路实现方法，首先通过加入抑制耦合微带电路实现对天线阵元的解耦，随后再通过加入匹配微带电路，从而实现完整的共轭匹配耦合抑制效果，达到改善系统通信性能的目的。为了实现上述目的，本专利技术是通过如下的技术方案来实现：本专利技术的一种共轭匹配耦合抑制网络的微带电路实现方法，包括以下步骤：(1)通过加入抑制耦合微带电路，实现对天线阵元的解耦；(2)将天线阵元分别与其馈线阻抗进行匹配，从而实现完整的共轭匹配耦合抑制效果。二元天线阵列共轭匹配解耦网络基本原理模型包括二元天线阵列、用于对天线之间电磁耦合进行抑制的解耦电路单元、天线阵元1及天线阵元2的阻抗匹配电路单元M1及M2，该模型中不同电路节点的参考面为A、B、C，馈线端口为P1和P2。步骤(1)具体的方法如下：为了达到预期的解耦效果，加入的抑制耦合微带电路满足公式(6)，其中，jX表示导纳符号，Y0表示西门子，和分别表示天线1和天线2的自阻抗与馈线间的匹配情况；和则表示两天线之间的耦合情况；如果二元天线阵列各端口已经良好匹配，也即是天线端口自反射系数小，那么公式(6)简化为：假设具有合理性，然而天线阵元之间存在耦合效应，那么参考面A处的天线S参数写成：式中，α是的幅度，是的相位，在天线与抑制耦合电路之间加入一段移相微带线θ，在加入移相微带线之后，在参考面A'处看到的S参数矩阵表示为：将上述公式(9)所表达的S参数矩阵转变成Y导纳矩阵可以表示为：在加入微带线后，参考面A'处的互耦合系数实部为零，即：因此理论上得到微带线的电长度为：式中k为整数，将公式(12)代入(10)可得：将参考面B处的Y参数矩阵写成：由S参数与Y参数的转换公式可知，互导纳为零与互阻抗为零是等价的，因此天线间解耦就等价于：由公式(15)所确定的解耦元件既可以是电容或者电感等分立元件，也可以直接就是一段微带线，使用一段特征阻抗为Zd，电长度为φ的微带线，其对应的归一化导纳矩阵为：上式中Z0是原天线系统的特征阻抗；符号cot(φ)表示三角函数余切运算，csc(φ)表示三角函数余割运算，假设参考面B处的导纳矩阵为YB时，解耦元件是电感，根据电感感抗计算公式计算得到相应的电感数值为：令得到：因此得到微带线特性阻抗Zd为：上式中λg表示天线工作波长；lg是中间解耦微带线长度，也就是阵元间距减去移相微带线的宽度，将这已知的参数，代入上述公式，求出微带线特性阻抗后，将其输入至Txline软件即可求得微带线的宽度W。从参考面B处往二元天线阵列方向看去，整个天线所有端口均已实现解耦，然而增加的解耦网络破坏了各端口间良好的特性阻抗，因此还要再加入阻抗匹配网络对各端口实现阻抗匹配。阻抗匹配过程即为在源和负载间加入一个无源网络，实现源阻抗和负载阻抗达到共轭匹配；采用无耗互易匹配网络进行阻抗匹配，具体方法如下：是视向信号源的源阻抗，Z1是视向负载端的输入阻抗，与Z1是共轭的；是负载端看向信号源的输出阻抗，Z2为负载，与Z2也是共轭的，从而实现整个电路最大的功率传输；但在匹配之前，两者并未真正实现匹配，即与Z2并不共轭，这将造成信号反射，导致输出信号功率得不到最大传输，要设计一个阻抗匹配网络实现信号源与负载间的阻抗变换，即Z2需要通过匹配网络变换到的共轭匹配Z1；同样地，通过匹配网络变换到Z2的共轭匹配从而实现最大功率传输。为了实现任意负载阻抗到传输线的匹配，采用单枝节短截线匹配，即在距离负载Z2一位置处使用单个开路或短路的微带传输线与其他传输线进行并联或者串联。匹配网络有两种拓扑结构：一种是负载与短截线并联后再与一段传输线串联；另一种是负载与微带传输线串联后再与一段终端开路或短路的短截线并联。本专利技术的有益效果是：针对紧耦合MIMO系统存在的电磁耦合效应，采用共轭匹配网络进行耦合抑制，并提供具体的微波电路设计方法，相较于传统的不考虑天线耦合的方法，本专利技术解决了MIMO系统的耦合问题，可对多天线阵列解耦网络的电路设计提供理论指导。附图说明图1是二元天线阵列解耦匹配网络基本模型；图2是包含移相微带线的抑制耦合电路模型；图3是无耗互易匹配网络进行阻抗匹配原理图；图4是单枝节匹配网络拓扑结构一图；图5是单枝节匹配网络拓扑结构二图；图6是源端与负载端匹配后的ADS仿真图；图7是紧凑型二元微带天线阵列结构图；图8(a)未解耦天线模型图；图8(b)仅解耦天线模型图；图8(c)解耦匹配天线模型图；图9是未解耦合二元天线的S参数HFSS仿真曲线图；图10是仅解耦二元天线的S参数HFSS仿真曲线图；图11是解耦且进行阻抗匹配二元天线的S参数HFSS仿真曲线图。具体实施方式为使本专利技术实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本专利技术。本专利技术将采用微带电路的设计方法对2×2紧耦合MIMO系统进行抑制耦合共轭匹配网络电路设计。以下先对基于多端口共轭匹配(MCM)思想的解耦匹配网络给出具体电路设计的理论依据，再通过ADS和HFSS电磁仿真软件对所涉及的方案进行具体微波电路设计。图1给出了二元天线阵列共轭匹配解耦网络基本原理模型。其中，“二元天线阵列”单元拥有两副天线；“解耦电路单元”主要对天线之间的电磁耦合进行抑制；M1和M2分别为天线阵元1和天线阵元2的阻抗匹配电路单元；A、B、C分别表示该模型中不同电路节点的参考面，P1和P2表示馈线端口。由微波网络技术可知，对于双天线阵列系统，在参考面A获得的S参数矩阵可以表示为：式中，和分别表示天线1和天线2的自阻抗与馈线间的匹配情况；和则表示两天线之间的耦合情况，一般两者是相同的。从设计角度来说，一般天线设计工程师已经将天线进行了匹配，也就是说和的值已经很小，基本上趋于零。由于抑制耦合电路单元和天线阵列单元为并联关系，根据电路分析理论可知，对并联电路，最佳选择是采用导纳参数，鉴于这样的事实，将参考面A处的S参数矩阵即公式(1)通过微波网络理论转变成归一化导纳矩阵：上式中，Y0＝1/50(西门子)。假设“解耦电路单元”的归一化导纳矩阵可以表示为：上式中jX表示导纳符号。那么根据导纳矩阵的性质可知，参考本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种共轭匹配耦合抑制网络的微带电路实现方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)通过加入抑制耦合微带电路，实现对天线阵元的解耦；(2)将天线阵元分别与其馈线阻抗进行匹配，从而实现完整的共轭匹配耦合抑制效果。

【技术特征摘要】
1.一种共轭匹配耦合抑制网络的微带电路实现方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)通过加入抑制耦合微带电路，实现对天线阵元的解耦；(2)将天线阵元分别与其馈线阻抗进行匹配，从而实现完整的共轭匹配耦合抑制效果。2.根据权利要求1所述的共轭匹配耦合抑制网络的微带电路实现方法，其特征在于，二元天线阵列共轭匹配解耦网络基本原理模型包括二元天线阵列、用于对天线之间电磁耦合进行抑制的解耦电路单元、天线阵元1及天线阵元2的阻抗匹配电路单元M1及M2，该模型中不同电路节点的参考面为A、B、C，馈线端口为P1和P2。3.根据权利要求2所述的共轭匹配耦合抑制网络的微带电路实现方法，其特征在于，步骤(1)具体的方法如下：为了达到预期的解耦效果，加入的抑制耦合微带电路满足公式(6)，其中，jX表示导纳符号，Y0表示西门子，和分别表示天线1和天线2的自阻抗与馈线间的匹配情况；和则表示两天线之间的耦合情况；如果二元天线阵列各端口已经良好匹配，也即是天线端口自反射系数小，那么公式(6)简化为：假设具有合理性，然而天线阵元之间存在耦合效应，那么参考面A处的天线S参数写成：式中，α是的幅度，是的相位，在天线与抑制耦合电路之间加入一段移相微带线θ，在加入移相微带线之后，在参考面A'处看到的S参数矩阵表示为：将上述公式(9)所表达的S参数矩阵转变成Y导纳矩阵可以表示为：在加入微带线后，参考面A'处的互耦合系数实部为零，即：因此理论上得到微带线的电长度为：式中k为整数，将公式(12)代入(10)可得：将参考面B处的Y参数矩阵写成：由S参数与Y参数的转换公式可知，互导纳为零与互阻抗为零是等价的，因此天线间解耦就等价于：由公式(15)所确定的解耦元件既可以是电容或者电感等分立元件，也可以直接就是一段微带线，使用一段特征阻抗为Zd，电长度为φ的微带线，其对应的归一化导纳矩阵为：上式中Z0是原天线系统的特征阻抗；符号cot(φ)表示三角函数余切运算，csc(φ...

【专利技术属性】
技术研发人员：李岳衡，李方华，任昕昀，张燕华，居美艳，黄平，谭国平，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32