基于特征模分析的方向图可重构MIMO天线的设计方法与流程

基于特征模分析的方向图可重构mimo天线的设计方法
技术领域
1.本发明涉及天线技术和天线通信技术领域，尤其是一种基于特征模分析的方向图可重构mimo天线的设计方法。


背景技术：

2.无线通信技术的快速发展使得用户对更高通信速率和更好的通信质量的要求与日俱增。天线作为无线通信系统的必要组成部分,伴随着高速率、多功能、低成本和轻重量等要求，其设计面临巨大的挑战。方向图可重构mimo技术可以有效对抗多径衰落，提高通信性能，有效减弱噪声干扰，从而提高信号的传送质量。因此，可以很好的解决上述问题。
3.然而，目前的方向图可重构mimo天线系统通常是采用多个天线单元来实现不同的辐射方向图，因此会相应增加天线的体积，并且天线单元之间的耦合也需要引入隔离技术来降低耦合，因此，天线将会变得更加复杂，无法满足实际的应用。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种结构简单、方便加工，具有良好隔离效果的基于特征模分析的方向图可重构mimo天线的设计方法。
5.为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种基于特征模分析的方向图可重构mimo天线的设计方法，该方法包括下列顺序的步骤：
6.(1)根据特征模理论分析一块矩形金属辐射贴片的特征值，并选取在工作频段内特征值为0的谐振模式；
7.(2)根据实际需求选择所要激发的模式，并根据特征电流分布确定将电流最大点设置为各自模式对应的馈电点位置；
8.(3)设计馈电结构：矩形金属辐射贴片设置在第一介质基板的正面上，在矩形金属辐射贴片上的所需谐振模式各自对应的馈电点位置处引入6个平衡电感耦合激励单元bie；所述馈电点是指在矩形金属辐射贴片四条边的边沿处设置的第一、二、三、四、五、六馈电点p1、p2、p3、p4、p5、p6；
9.(4)设计第一馈电网络：在第一介质基板的背面设置为6个第一功分器；
10.(5)设计第二馈电网络：在第二介质基板的正面上设置1个第二功分器和1个第三功分器；
11.(6)将第一馈电网络与第二馈电网络通过同轴线连接。
12.所述步骤(3)具体是指：所述每个平衡电感耦合激励单元bie由两个非谐振半环组成，6个平衡电感耦合激励单元bie分别位于矩形金属辐射贴片的四条边的边缘，每个长边设置2个平衡电感耦合激励单元bie，每个短边设置1个平衡电感耦合激励单元bie，平衡电感耦合激励单元bie依次穿过矩形金属辐射贴片和第一介质基板，且通过集总电容器与第一馈电网络的6个第一功分器连接。
13.所述步骤(4)具体是指：所述第一介质基板的背面设置6个第一功分器，所述第一
功分器采用一分二威尔金森功分器，第一功分器a1、a2、a3、a4、a5、a6的输入端分别与第一、二、三、四、五、六馈电点p1、p2、p3、p4、p5、p6一一对应，第一功分器a1、a2、a3、a4、a5、a6的输出端均分为两路，一路连接集总电容器，另一路上设置第一半波长相位延迟线且通过第一半波长相位延迟线连接集总电容器；第一介质基板沿其长度方向上设置4个一分二威尔金森功分器，第一介质基板沿其宽边方向上设置2个一分二威尔金森功分器。
14.所述步骤(5)具体是指：所述第二功分器为一分四功分器，所述一分四功分器包括第一输入端口p7、第一可调开关w1、第二可调开关w2、第三可调开关w3、第四可调开关w4、第一输出端口p1’、第二输出端口p2’、第三输出端口p3’、第四输出端口p4’，所述第三可调开关w3和第四可调开关w4之间设置第二半波长相位延迟线，第三可调开关w3通过第二半波长相位延迟线与第四可调开关w4连接；所述第三功分器为一分二功分器，所述一分二功分器包括第二输入端口p8、第五可调开关w5、第六可调开关w6、第七可调开关w7、第八可调开关w8、第五输出端口p5’、第六输出端口p6’，所述第七可调开关w7和第八可调开关w8之间设置第二半波长相位延迟线，第七可调开关w7通过第二半波长相位延迟线与第八可调开关w8连接；所述第一输出端口p1’、第二输出端口p2’、第三输出端口p3’、第四输出端口p4’、第五输出端口p5’、第六输出端口p6’分别与第一、二、三、四、五、六馈电点p1、p2、p3、p4、p5、p6一一对应相连。
15.所述步骤(6)具体是指：将一分四功分器的四个输出端口通过同轴线与第一馈电网络中长边的四个功分器相连接；一分二功分器的两个输出端口与第一馈电网络中短边的两个功分器相连接。
16.所述平衡电感耦合激励单元bie垂直设置在所述矩形金属辐射贴片上，所述矩形金属辐射贴片上相对的两条边上的平衡电感耦合激励单元bie对称布置。
17.所述集总电容器为0.2pf的匹配电容。
18.由上述技术方案可知，本发明的有益效果为：第一，本发明的方向图可重构mimo天线的设计方法是基于特征模理论设计的，以矩形金属辐射贴片作为辐射体，选择性激励不同的模式来实现方向图可重构的功能，因此，天线结构简单并且容易加工；第二，本发明中四种状态下的mimo天线系统是通过激励多个特征模实现的，由于特征模之间具有完全的正交性，所以本发明中设mimo天线系统具有很好的隔离度。
附图说明
19.图1是本发明的方法流程图；
20.图2是本发明中矩形金属辐射贴片的前十个特征值曲线示意图；
21.图3是本发明中前十个模式对应的特征电流分布图；
22.图4是本发明中平衡电感耦合激励单元的结构示意图；
23.图5是本发明中天线在xyz坐标下的的结构示意图；
24.图6是本发明中第一馈电网络的结构示意图；
25.图7是本发明中第一馈电网络的六个端口的s参数曲线图；
26.图8是本发明中第二馈电网络的结构示意图；
27.图9(a)是本发明中第二馈电网络中当可调开关w1和可调开关w2导通，可调开关w3和可调开关w4断开时，一分四功分器对应的输出幅度和相位示意图；
28.图9(b)是本发明中第二馈电网络中当可调开关w1和可调开关w2断开，可调开关w3和可调开关w4导通时，一分四功分器对应的输出幅度和相位示意图；
29.图9(c)是本发明中第二馈电网络中当可调开关w5和可调开关w6导通，可调开关w7和可调开关w8断开时，一分四功分器对应的输出幅度和相位示意图；
30.图9(d)是本发明中第二馈电网络中当可调开关w5和可调开关w6断开，可调开关w7和可调开关w8导通时，一分四功分器对应的输出幅度和相位示意图；
31.图10(a)是本发明中状态一时天线的整体仿真时两个端口对应的s参数；
32.图10(b)是本发明中状态二时天线的整体仿真时两个端口对应的s参数；
33.图10(c)是本发明中状态三时天线的整体仿真时两个端口对应的s参数；
34.图10(d)是本发明中状态四时天线的整体仿真时两个端口对应的s参数；
35.图11(a)时本发明中状态一对应的辐射方向图；
36.图11(b)时本发明中状态二对应的辐射方向图；
37.图11(c)时本发明中状态三对应的辐射方向图；
38.图11(d)时本发明中状态四对应的辐射方向图。
具体实施方式
39.如图1所示，一种基于特征模分析的方向图可重构mimo天线的设计方法，该方法包括下列顺序的步骤：
40.(1)根据特征模理论分析一块矩形金属辐射贴片1的特征值，并选取在工作频段内特征值为0的谐振模式；
41.(2)根据实际需求选择所要激发的模式，并根据特征电流分布确定将电流最大点设置为各自模式对应的馈电点位置；
42.(3)设计馈电结构：在第一介质基板5的正面设置矩形金属辐射贴片1，在矩形金属辐射贴片1上的所需谐振模式各自对应的馈电点位置处引入6个平衡电感耦合激励单元bie；所述馈电点是指在矩形金属辐射贴片1四条边的边沿处设置的第一、二、三、四、五、六馈电点p1、p2、p3、p4、p5、p6；
43.(4)设计第一馈电网络：在第一介质基板5的背面设置为6个第一功分器；
44.(5)设计第二馈电网络：在第二介质基板4的正面上设置1个第二功分器和1个第三功分器；
45.(6)将第一馈电网络与第二馈电网络通过同轴线连接。
46.所述步骤(3)具体是指：所述每个平衡电感耦合激励单元bie由两个非谐振半环组成，6个平衡电感耦合激励单元bie分别位于矩形金属辐射贴片1的四条边的边缘，每个长边设置2个平衡电感耦合激励单元bie，每个短边设置1个平衡电感耦合激励单元bie，平衡电感耦合激励单元bie依次穿过矩形金属辐射贴片1和第一介质基板5，且通过集总电容器与第一馈电网络的6个第一功分器连接。
47.所述步骤(4)具体是指：所述第一介质基板5的背面设置6个第一功分器，所述第一功分器采用一分二威尔金森功分器，第一功分器a1、a2、a3、a4、a5、a6的输入端分别与第一、二、三、四、五、六馈电点p1、p2、p3、p4、p5、p6一一对应，第一功分器a1、a2、a3、a4、a5、a6的输出端均分为两路，一路连接集总电容器，另一路上设置第一半波长相位延迟线2且通过第一
半波长相位延迟线2连接集总电容器；第一介质基板5沿其长度方向上设置4个一分二威尔金森功分器，第一介质基板5沿其宽边方向上设置2个一分二威尔金森功分器。
48.所述步骤(5)具体是指：所述第二功分器为一分四功分器，所述一分四功分器包括第一输入端口p7、第一可调开关w1、第二可调开关w2、第三可调开关w3、第四可调开关w4、第一输出端口p1’、第二输出端口p2’、第三输出端口p3’、第四输出端口p4’，所述第三可调开关w3和第四可调开关w4之间设置第二半波长相位延迟线3，第三可调开关w3通过第二半波长相位延迟线3与第四可调开关w4连接；所述第三功分器为一分二功分器，所述一分二功分器包括第二输入端口p8、第五可调开关w5、第六可调开关w6、第七可调开关w7、第八可调开关w8、第五输出端口p5’、第六输出端口p6’，所述第七可调开关w7和第八可调开关w8之间设置第二半波长相位延迟线3，第七可调开关w7通过第二半波长相位延迟线3与第八可调开关w8连接。所述第一输出端口p1’、第二输出端口p2’、第三输出端口p3’、第四输出端口p4’、第五输出端口p5’、第六输出端口p6’分别与第一、二、三、四、五、六馈电点p1、p2、p3、p4、p5、p6一一对应相连。
49.所述步骤(6)具体是指：将一分四功分器的四个输出端口通过同轴线与第一馈电网络中长边的四个功分器相连接；一分二功分器的两个输出端口与第一馈电网络中短边的两个功分器相连接。
50.所述平衡电感耦合激励单元bie垂直设置在所述矩形金属辐射贴片1上，所述矩形金属辐射贴片1上相对的两条边上的平衡电感耦合激励单元bie对称布置。
51.所述集总电容器为0.2pf的匹配电容。
52.实施例一
53.步骤1：根据特征模理论计算一块长度为45mm*78mm的矩形金属辐射贴片1的特征模曲线，使矩形金属辐射贴片1的在工作频带内具有至少4个特征值为0的谐振模式；
54.矩形金属辐射贴片1的前十个模式的特征值曲线如图2所示，可以看到模式1(mode1)、模式2(mode2)、模式3(mode3)、模式4(mode4)、模式5(mode5)、这5个模式在工作频带内都具有特征值为0的谐振点，即此5个模式为谐振模式，而其他模式由于在带内不谐振很难用于天线的辐射。
55.所述的特征模理论见指哈林登于1971年在文献
‘
theory of characteristic modes for conducting bodies’中介绍；
56.步骤2：分析前十个特征模式的特征电流分布如图3所示，从图中可以观察到模式3的电流分布呈现环形分布，因此，模式3具有特殊的感性特质，很难被激发。所以在本发明中选择激励模式1、模式2、模式4和模式5，对应的远场方向图如图4所示，并且将馈电点设置为各自模式电流分布最大的位置；
57.如图3所示，模式1和模式5具有相同的4个馈电位置，即矩形金属辐射贴片1长边的边缘部分，分别放置两个平衡电感耦合激励单元bie，分别称之为：bie1、bie2、bie3、bie4；模式2和模式4具有相同的馈电位置，即金属覆铜板两个短边的中间部分，分别放置一个平衡电感耦合单元，称之为：bie5和bie6。模式1、模式5、模式2、模式4对应的远场方向图如图4所示。
58.步骤3：在步骤2的两组谐振模式对应的馈电点位置引入对应的平衡电感耦合激励单元bie。每个平衡电感耦合激励单元bie由两个非谐振半环组成，长边的4个平衡电感耦合
激励单元bie中半环的长度和高度分别是5.6mm和4.1mm，两个半环之间的距离是7.4mm,同一侧两个平衡电感耦合激励单元bie之间的距离是10mm；短边的平衡电感耦合激励单元bie中半环的长度和高度分别是5.6mm和4.1mm，两个半环之间的距离是7.6mm。
59.步骤4：第一介质基板5和第二介质基板4均是绝缘介质基板，基板厚度均为0.6mm，材质均为fr-4，介电常数均为4-5，优选地，介电常数为4.4。集总电容器的容值为0.2pf。
60.具体地，如图5所示的xyz坐标中，如图6所示的xy坐标中，六个馈电点分别为第一馈电点p1、第二馈电点p2、第三馈电点p3、第四馈电点p4、第五馈电点p5、第六馈电点p6；相应地，所述第一介质基板5相对两条边上的馈电点对称设置，第一馈电点p1和第二馈电点p2对称设置，第三馈电点p3和第四馈电点p4对称设置，第五馈电点p5和第六馈电点p6对称设置,相应地，第一功分器a1和a2对称设置，a3和a4对称设置，a5和a6对称设置,bie1和bie2对称设置，bie3和bie4对称设置,bie5和bie6对称设置。如图7所示，天线6个端口的s参数曲线图基本一致。
61.天线的方向图可重构方式由激励单元的馈电组合状态决定，激励单元采用的是平衡电感激励单元，仅激励长边的馈电点或者短边的馈电点时，即可激励出相对应的方向图，方向图可重构天线采用如下四种方法进行控制：
62.步骤4.1：对于长边的四个激励单元，由于模式1在长边的特征电流分布方向是同向的，若使四组激励单元采用相等的幅度和相同的相位进行激励，进而可以将模式1激励出来，即当第一馈电点p1、第三馈电点p3和第二馈电点p2、第四馈电点p4采用幅度相等，相位相同的方式激励，第五馈电点p5和第六馈电点p6不激励时，天线激励出模式1。
63.步骤4.2：对于长边的四个激励单元，由于模式5在长边是全波长电流分布，即长边左侧电流和长边右侧的电流分布方向相反，若使长边上左侧的两个激励单元(bie1和bie3)与右侧的两个激励单元(bie2和bie4)采用相等的幅度和相反的相位进行激励，进而可以将模式5激励出来，即当第一馈电点p1、第三馈电点p3和第二馈电点p2、第四馈电点p4采用幅度相等，相位相差180
°
的方式激励，第五馈电点p5和第六馈电点p6不激励时，天线激励出模式5。
64.步骤4.3：对于短边的两个激励单元，由于模式2在短边两侧的电流分布是相同的，若使短边的两个激励单元采用相等的幅度和相同的相位进行激励，进而可以激励出模式2，当第一馈电点p1、第三馈电点p3和第二馈电点p2、第四馈电点p4不激励，第五馈电点p5和第六馈电点p6采用幅度相等，相位相同的方式激励，天线激励出模式2。
65.步骤4.4：对于短边大的两个激励单元，由于模式4在短边两侧的电流分布方向相反，若使短边的两个激励单元采用相等的幅度和相反的相位进行激励，进而可以激励出模式4，当第一馈电点p1、第三馈电点p3和第二馈电点p2、第四馈电点p4不激励，第五馈电点p5和第六馈电点p6采用幅度相等，相位相差180
°
的方式激励，天线激励出模式4。
66.步骤5：对于步骤4中的采用同向激励或者异向激励方式是通过第二馈电网络，如图8所示，当可调开关w1和可调开关w2导通，可调开关w3和可调开关w4断开时，第一输出端口p1’、第二输出端口p2’、第三输出端口p3’、第四输出端口p4’的输出是幅度相等相位相同的，所得的s参数和相位如图9a所示，将四个输出端口分别接到第一馈电点p1、第二馈电点p2、第三馈电点p3、第四馈电点p4，即可实现对模式1的激励；当可调开关w1和可调开关w2断开，可调开关w3和可调开关w4导通时，第二半波长延迟线相移结构加入一分四功分器的馈
电网络中，此时一分四功分器的第一输出端口p1’、第三输出端口p3’与第二输出端口p2’、第四输出端口p4’的输出是幅度相等相位相反的，所得的s参数和相位如图9b所示，将四个输出端口分别接到第一馈电点p1、第三馈电点p3和第二馈电点p2、第四馈电点p4，即可实现对模式5的激励。
67.当可调开关w5和可调开关w6导通，可调开关w7和可调开关w8断开时，此时一分二功分器的第五输出端口p5’、第六输出端口p6’的输出是幅度相等相位相同的,所得的s参数和相位如图9c所示，将两个输出端口分别接到第五馈电点p5和第六馈电点p6，即可实现对模式2的激励；当可调开关w5和可调开关w6断开，可调开关w7和可调开关w8导通时，第二半波长延迟线的相移结构加入一分二功分器的馈电网络中，此时一分二功分器的第五输出端口p5’、第六输出端口p6’的输出是幅度相等相位相反的,所得的s参数和相位如图9d所示，将两个输出端口分别接到第五馈电点p5和第六馈电点p6，即可实现对模式4的激励；
68.本发明通过控制第一输入端口p7和第二输入端口p8的输出状态进而控制6个馈电点的激励状态，可以实现不同模式的方向图，包括：模式1、模式2、模式3和模式4。具体对应关系如表一所示：
69.表一
[0070][0071]
图11给出了四种状态下的模式组合，可以两个端口分别激励可以组成4种工作状态。状态1的是模式1和模式2的组合，如图11(a)所示；状态2是模式1和模式4的组合，如图11(b)所示；状态3是模式5和模式2的组合，如图11(c)所示；状态4是模式5和模式4的组合，如图11(d)所示。
[0072]
从图10可以看出，在这四种状态下由于天线两个端口激励出正交模式，在状态一时对应的两个端口的输出s参数如图10(a)所示，s87小于-45db；在状态二时对应的两个端口的输出s参数如图10(b)所示s87小于-40db；在状态三时对应的两个端口的输出s参数如图10(c)所示s87小于-35db；在状态四时对应的两个端口的输出s参数如图10(d)所示s87小于-40db；所以均具有很好的隔离效果。在四种状态天线两个端口的方向图如图11所示，图11(a)是状态一时两个端口对应的辐射方向图；图11(b)是状态二时两个端口对应的辐射方向图；图11(c)是状态三时两个端口对应的辐射方向图；图11(d)是状态四时两个端口对应的辐射方向图；可以看出天线在四种状态下具有可重构的辐射方向图
[0073]
综上所述，本发明的方向图可重构mimo天线的设计方法是基于特征模理论设计的，以矩形金属辐射贴片作为辐射体，选择性激励不同的模式来实现方向图可重构的功能，因此，天线结构简单并且容易加工；本发明中四种状态下的mimo天线系统是通过激励多个
特征模实现的，由于特征模之间具有完全的正交性，所以本发明中设mimo天线系统具有很好的隔离度。