【摘 要】
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在面对巨大通信流量的场景下,无线通信会严重受限于系统的信道容量。而多波束天线是从射频前端角度解决这一问题的常见方案。同时,随着通信系统的紧凑化和低插入损耗的设计需求,射频前端器件的设计尺寸不断减小;滤波天线的融合设计作为一种解决方案能够以更小的结构增强天线的频率选择能力并降低插入损耗。本文主要针对耦合贴片阵列的天线结构形式,以天线之间的有耗互耦为基础,分别使用传统的低通原型耦合矩阵和频变网络矩阵,
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在面对巨大通信流量的场景下,无线通信会严重受限于系统的信道容量。而多波束天线是从射频前端角度解决这一问题的常见方案。同时,随着通信系统的紧凑化和低插入损耗的设计需求,射频前端器件的设计尺寸不断减小;滤波天线的融合设计作为一种解决方案能够以更小的结构增强天线的频率选择能力并降低插入损耗。本文主要针对耦合贴片阵列的天线结构形式,以天线之间的有耗互耦为基础,分别使用传统的低通原型耦合矩阵和频变网络矩阵,研究了可控多波束的滤波行波天线的设计方法,其主要工作和贡献包含以下两个方面:1.基于有耗滤波器的综合,本文对贴片天线的互耦等效电路进行提取研究,将天线的互耦视为有耗的J/K倒换器,并且以有耗滤波器的频率响应为目标函数,利用数值优化得到了多个天线级联时的低通原型有耗耦合矩阵。同时将耦合矩阵的元素对应到天线的实际结构中,得到了一个六阶滤波行波天线的算例,全波仿真的结果与理论结果基本一致,并且天线的最大增益约为8.82 d Bi。2.根据低通原型耦合矩阵频率变换复杂、带宽不足和辐射性能较差的问题,基于频变网络矩阵对耦合贴片阵列的级联直接进行设计,并提出可以精确提取电路参数的方法,最终通过直线拓扑的谐振等效电路与物理结构的映射关系,给出了两个算例,且与全波仿真的结果基本吻合。同时针对谐振器网络同步调谐时优化的算例与全波仿真的频率响应存在偏差,基于实际的提取结果,将天线的辐射单元视为异步调谐的谐振器,改进后的给出的算例与全波仿真和加工实测结果非常吻合,天线在2.4～2.6 GHz内具有约10 d Bi的增益,天线的单个端口在θ方向实现了12°～34°的波束扫描,同时,天线的最大增益具有较好的滤波特性。综上所述,本文由耦合型的贴片串馈天线阵列结构出发,将其转化为有耗滤波器网络,并且通过控制贴片单元邻间耦合和天线的端口复阻抗匹配使其具备了天然的滤波特性,而且其天线辐射实现了可控的多波束,为天线设计提供了一种思路。同时,本文的建模思路、提取和设计的方法可以扩展到其他天线结构的研究与设计,拓宽了天线的设计理论。
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