一种强耦合天线阵的有源阻抗匹配方法与流程

本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种强耦合天线阵的有源阻抗匹配方法。

背景技术：

单天线的远区辐射特性仅由其结构参数确定，而天线阵的远区辐射特性不仅与天线阵单元的结构参数相关，还受到天线阵单元的数目、排列方式、馈电幅度、馈电相位等参数的控制，因此天线阵具有波束控制灵活、高增益等优点，广泛的应用于雷达、通信、测控、电子战等领域中。

当天线阵单元的排列间距较小时，天线阵单元之间具有较强的电磁耦合。在强耦合情况下，根据所要求的辐射特性确定了天线阵单元的数目、排列方式、馈电幅度、馈电相位后，需要对天线阵进行有源阻抗匹配，使馈线传输的电磁波信号完全被强耦合天线阵所吸收。

在强耦合情况下，天线阵有源阻抗与天线阵各个单元的馈电幅度、相位以及天线阵各个单元之间的耦合相关。由于天线阵有源阻抗问题的复杂性，目前尚未有文献对强耦合天线阵的有源阻抗匹配问题进行理论分析，在处理相关问题时常常忽略掉天线阵有源阻抗与馈线之间的失配问题，不利于天线阵的最优化设计；或者使用电磁仿真软件对天线阵进行仿真优化设计，该方法效率低，占用计算资源多。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的缺陷，提出了一种强耦合天线阵的有源阻抗匹配方法。

本发明的技术方案是：

一种强耦合天线阵的有源阻抗匹配方法，步骤如下：

1、确定强耦合天线阵的网络散射参数及天线单元端口的馈电幅度、馈电相位：在强互耦情况下，根据要求的远区辐射特性确定强互偶天线阵单元的数目N、排列方式、馈电幅度a、馈电相位通过电磁仿真软件仿真求解该N端口强耦合天线阵的网络散射参数Sa，其中馈电幅度a、馈电相位均为N*1矩阵，N端口强耦合天线阵的网络散射参数Sa为N*N矩阵；

2、建立有源阻抗匹配网络，假设其散射参数，并表示出有源阻抗匹配网络与强耦合天线阵整体结构的有源反射系数：建立2N端口的有源阻抗匹配网络，并假设2N端口的有源阻抗匹配网络的散射参数为Sm，根据多端口网络的级联特性，使用2N端口的有源阻抗匹配网络的散射参数Sm、N端口强耦合天线阵的网络散射参数Sa、馈电幅度a、馈电相位表示出2N端口的有源阻抗匹配网络与N端口强耦合天线阵整体结构的有源反射系数Г，其中2N端口的有源阻抗匹配网络的散射参数Sm为2N*2N矩阵，整体结构的有源反射系数Г为N*1矩阵；

3、对有源阻抗匹配网络的特性进行限定，并求解出满足有源反射系数为0的有源阻抗匹配网络的散射参数：对2N端口的有源阻抗匹配网络的特性进行限定，若要求馈线馈入的电磁波信号完全的被N端口强耦合天线阵所吸收，则要求2N端口的有源阻抗匹配网络为无耗网络，即2N端口的有源阻抗匹配网络的散射参数Sm满足(Sm)^*＝(Sm^T)^-1；若要求2N端口的有源阻抗匹配网络为无源互易网络，即要求2N端口的有源阻抗匹配网络的散射参数Sm满足Sm＝Sm^T等等，再令有源反射系数Г＝0。即根据所限定的2N端口的有源阻抗匹配网络特性以及有源阻抗匹配无反射匹配要求，可列出方程组：

2N端口的有源阻抗匹配网络其它特性

Г＝0

根据上述方程组即可求解出满足要求的2N端口的有源阻抗匹配网络的散射参数Sm；

4、根据求解的有源阻抗匹配网络的散射参数，确定有源阻抗匹配网络的拓扑结构以及相应结构上的元件：根据求解出来满足要求的2N端口的有源阻抗匹配网络的散射参数Sm，来反推出2N端口的有源阻抗匹配网络的拓扑结构以及相应结构上的元件类型、元件值；

5、在确定的有源阻抗匹配网络末端接上强耦合天线阵，进行微调，确定有源阻抗匹配网络：将2N端口的有源阻抗匹配网络的拓扑结构以及相应结构上的元件类型、元件值代入电磁仿真软件中，并在其末端接上N端口强耦合天线阵，进行微调并最终确定2N端口的有源阻抗匹配网络。

与现有技术相比本发明的优点在于：提出了一种强耦合天线阵的有源阻抗匹配方法，完善了强耦合天线阵有源阻抗匹配的相关理论，提高了强耦合天线阵有源阻抗匹配的设计效率。

附图说明

图1为本发明实施例的强耦合天线阵的结构示意图；

图2为本发明实施例的8端口有源阻抗匹配网络简化为4个2端口的子网络的原理以及端口示意图；

图3为本发明实施例的有源阻抗匹配网络的结构示意图；

图4为本发明实施例的有源阻抗匹配网络末端接强耦合天线阵的结构示意图；

图5为本发明实施例中强耦合天线阵以及有源阻抗匹配网络末端接强耦合天线阵的端口反射系数曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明做进一步详细说明。其特征在于包含以下步骤：

1、确定强耦合天线阵的网络散射参数及天线单元端口的馈电幅度、馈电相位：在强互耦情况下，根据要求的远区辐射特性确定强互偶天线阵单元的数目N＝4、排列方式为绕中心轴线依次旋转90°放置、馈电幅度a＝[1 1 1 1]^T、馈电相位强耦合天线阵的结构示意图如图1所示，通过电磁仿真软件仿真求解该4端口强耦合天线阵的网络散射参数Sa，其中4端口强耦合天线阵的网络散射参数Sa为4*4矩阵；

2、建立有源阻抗匹配网络，假设其散射参数，并表示出有源阻抗匹配网络与强耦合天线阵整体结构的有源反射系数：建立8端口的有源阻抗匹配网络，并假设8端口的有源阻抗匹配网络的散射参数为Sm，根据多端口网络的级联特性，使用8端口的有源阻抗匹配网络的散射参数Sm、4端口强耦合天线阵的网络散射参数Sa、馈电幅度a、馈电相位表示出8端口的有源阻抗匹配网络与4端口强耦合天线阵整体结构的有源反射系数Г，其中8端口的有源阻抗匹配网络的散射参数Sm为8*8矩阵，整体结构的有源反射系数Г为4*1矩阵；

3、对有源阻抗匹配网络的特性进行限定，并求解出满足有源反射系数为0的有源阻抗匹配网络的散射参数：对8端口的有源阻抗匹配网络的特性进行限定，要求馈线馈入的电磁波信号完全的被4端口强耦合天线阵所吸收，则要求8端口的有源阻抗匹配网络为无耗网络，即8端口的有源阻抗匹配网络的散射参数Sm满足(Sm)^*＝(Sm^T)^-1；要求8端口的有源阻抗匹配网络为无源互易网络，即要求8端口的有源阻抗匹配网络的散射参数Sm满足Sm＝Sm^T；将8端口的有源阻抗匹配网络分成4个2端口的子网络，并且要求4个子网络之间耦合为0，对应网络原理示意图如图2所示。根据以上所限定的8端口的有源阻抗匹配网络特性，列出8端口的有源阻抗匹配网络的散射参数Sm所满足的关系式，再令有源反射系数Г＝0。即根据所限定的8端口的有源阻抗匹配网络特性以及有源阻抗匹配无反射匹配要求，可列出方程组：

其它元素均为0；其中i、j、k表示8端

口有源阻抗匹配网络的端口编号，且i＝1、2、…、8，j＝1、2、3、4，k＝5、6、7、8

Г＝0

根据上述方程组即可求解出满足要求的8端口的有源阻抗匹配网络的散射参数Sm；

4、根据求解的有源阻抗匹配网络的散射参数，确定有源阻抗匹配网络的拓扑结构以及相应结构上的元件：根据求解出来满足要求的8端口的有源阻抗匹配网络的散射参数Sm，来反推出8端口的有源阻抗匹配网络的拓扑结构以及相应结构上的元件类型、元件值，确定的8端口的有源阻抗匹配网络如图3所示，其中图3中1、2、3、4、5、6、7、8分别对应8端口的有源阻抗匹配网络原理示意图2中相同编号的端口；

5、在确定的有源阻抗匹配网络末端接上强耦合天线阵，进行微调，确定有源阻抗匹配网络：将8端口的有源阻抗匹配网络的拓扑结构以及相应结构上的元件类型、元件值代入电磁仿真软件中，并在其末端接上4端口强耦合天线阵,有源阻抗匹配网络末端接强耦合天线阵的结构示意图如图4所示，对8端口的有源阻抗匹配网络进行微调并最终确定8端口的有源阻抗匹配网络。

本发明实施例中强耦合天线阵以及有源阻抗匹配网络末端接强耦合天线阵的端口反射系数曲线图如图5所示，强耦合天线阵端口反射系数均大于-1dB，表明馈入的电磁信号有90％被反射掉，仅有10％被强耦合天线阵所吸收；有源阻抗匹配网络末端接强耦合天线阵的端口在1.263GHz到1.274GHz的带宽内，反射系数均在-10dB以下，考虑到有源阻抗匹配网络无耗，则表明馈入的电磁波信号基本能被强耦合天线阵所吸收。因此，增加了有源阻抗匹配网络之后能够改善强耦合天线阵的端口特性，使馈线馈入的电磁波信号能够被强耦合天线阵充分的吸收。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。