一种圆极化MIMO微带天线阵列自解耦技术的分析方法技术

本发明专利技术涉及一种圆极化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

【技术实现步骤摘要】
一种圆极化MIMO微带天线阵列自解耦技术的分析方法


[0001]本专利技术涉及MIMO微带天线
，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。

技术介绍

[0002]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阵列的整个系统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。
[0003]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。

技术实现思路

[0004]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，本专利技术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。
[0005]为实现上述目的，本专利技术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。
[0006]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，J
n
代表特征电流，λ
n
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λ
n
有关，当λ
n
<0时，称作电容模式；当λ
n
> 0时，称作电感模式；当λ
n =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。
[0007]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。
[0008]所述步骤（3）具体是指：所述特征角的定义为：；式中，λ
n
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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]由上述技术方案可知，本专利技术的有益效果为：第一，本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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，J
n
代表特征电流，λ
n
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λ
n
有关，当λ
n
<0时，称作电容模式；当λ
n
> 0时，称作电感模式；当λ
n =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...

【专利技术属性】
技术研发人员：程光尚，王京平，黄志祥，杨利霞，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：