一体式电/磁交替吸波装置及天线阵多状态互耦抑制方法

摘要

本发明公开了一种一体式电/磁交替吸波装置及天线阵多状态互耦抑制方法。该方法通过吸波结构的工作模式和结构参数设计达到H面相控阵在非扫描/任意波束扫描/差波束等多工作状态下的互耦显著抑制。相比于频率选择器件的电磁隔离方法，该抑制方法对天线阵的工作频率、驻波及方向图干扰很小；相比于传统材料型吸波加载，该吸波结构易于安装、成本低，对天线辐射效率和增益性能影响小；相比于常规吸波设计只能对特定天线工作状态进行耦合抑制，利用电/磁交替吸收设计可以有效降低天线在多种工作状态下的耦合。本发明所采用的电阻加载的椭圆形金属环结构，通过设计其与天线电场/电流极值的位置关系，同时实现了阵列互耦抑制和阵列辐射性能的保持。吸波结构利用电/磁交替吸收设计，使得天线阵在任意波束扫描的复杂工作状态下都能得到有效地互耦抑制。

说明书

技术领域

本发明涉及天线(H05B6/72)领域，具体是一体式电/磁交替吸波装置及天线阵多状态互耦抑制方法。

背景技术

天线互耦抑制技术是天线阵列的重要研究内容，它通过滤波、吸波或金属隔离等手段降低阵列天线单元之间的互耦。在诸多天线形式中，贴片天线因其诸多优势，被广泛应用于通信系统的电磁波收发模块中，特别是在5G等高速通信系统中，贴片阵列已成为天线功能的主要实现形式。随着相关技术的发展，贴片天线阵列的互耦问题已逐渐成为天线系统的关键问题，阵列互耦引发的辐射性能的降低会极大影响通信整体功能。当阵列在相控波束扫描工作时，扫描状态下的互耦问题较之传统阵列更为复杂，给互耦抑制带来了更大的挑战。在现有互耦抑制技术中，利用材料型吸波加载的方法，其存在安装复杂、成本高，对天线增益性能影响大等问题；而利用滤波结构则会影响天线的驻波性能，且不能适应相控阵波束扫描状态；利用传统的结构吸波加载方法，其工作状态单一，仅能实现某些特定波束扫描时的互耦抑制。这些问题直接限制了相控天线阵技术的发展，长远来看更制约着高速通信系统，特别是面向未来大规模通信功能的研发与实现。

发明内容

本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种一体式电/磁交替吸波装置及天线阵多状态互耦抑制方法，克服了传统吸波和滤波等互耦抑制手段的诸多劣势，利用吸波结构的不同工作模式来适应天线的不同工作状态，从而实现相控阵天线系统在多状态工作时的有效互耦抑制。

本发明提供了一种一体式电/磁交替吸波结构，包括椭圆环形金属微带结构及加载电阻，其中椭圆环形金属微带结构处于阵列辐射贴片之间，接收贴片间的互耦能量并于其上激励电/磁感应电流；所述加载电阻为贴片型电阻，其与椭圆环相连接而形成闭合环路，并对环上的感应电流进行吸收，进而实现互耦电磁能量的耗散。

进一步改进，所述的椭圆环形金属微带结构印刷在介质板上，与H面阵列的辐射贴片处于相同覆铜层，介质板下层印刷覆铜背板，如是，抑制结构不增加天线剖面高度。

进一步改进，所述的椭圆环形金属微带结构呈椭圆环形，其中心与阵列中心重合，且椭圆结构不与辐射贴片直接连接，如是，椭圆环结构与贴片E面中心位置距离最近，用以增强非扫描状态下的电吸收强度；同时，与贴片E面两端位置最远，用以降低对阵列辐射性能的影响。

进一步改进，所述椭圆环形金属微带结构在其E面中线处开设两个对称缝隙用于焊接加载电阻，如是，可以增强电阻在非扫描状态下的电吸收强度，缝隙尺寸根据所选电阻封装尺寸而定。

进一步改进，所述椭圆环形金属微带结构的E面尺寸应等于或大于辐射贴片在E面方向的长度，如是，可以增强差波束工作状态下的磁吸收强度。

进一步改进，所述加载电阻焊接于椭圆微带结构的缝隙处，连接椭圆微带环，用以耗散感应于椭圆环形金属微带结构的电磁能量。

进一步改进，所述加载电阻在椭圆环形金属微带结构的H面中线两侧，如是，可以对一般波束扫描状态下的感应电流进行非平衡吸收，实现阵列多状态的互耦抑制。

本发明还提供了一体式电/磁交替吸收实现H面相控贴片天线阵的多状态互耦抑制方法，包括以下步骤：

1)在阵列非扫描工作状态下，利用贴片单元同相位的特点，通过辐射电流对吸波结构进行电感应，于其上激励寄生电流并借助加载电阻对该能量进行吸收，从而实现非扫描状态下电吸收的阵列互耦抑制；

2)在阵列差波束工作状态下，利用贴片单元反相位的特点，通过辐射的交变磁场在环形金属结构上激励磁感应电流，并借助加载电阻对该能量进行吸收，达到差波束状态下磁吸收的阵列互耦抑制；

3)在阵列一般波束扫描工作状态下，将感应电流分解为电流和磁场两种分量形式，通过两侧加载电阻的非平衡吸收，耗散阵列互耦电磁能量，实现阵列在任意扫描状态下的互耦抑制。

进一步改进，所述一体式电/磁交替吸收利用同一结构的不同吸收模式实现H面天线阵在非扫描/差波束/一般波束扫描等多状态工作下的有效互耦抑制。

进一步改进，所述一体式电/磁交替吸收采用椭圆形金属微带结构，通过调整该结构与阵列的相对位置，使该结构与贴片电流极值点位置最近，以增强其电感应电流强度，同时使该结构与贴片电场极值点位置最远，以减小对阵列辐射性能的影响。

进一步改进，所述一体式电/磁交替吸收采用闭合环形金属微带结构，通过调整其口径大小，使阵列差波束工作状态下的磁场充分通过该闭合环路，从而实现阵列互耦能量的磁吸收，达到差波束状态下的互耦抑制。

进一步改进，所述一体式电/磁交替吸收将一般波束扫描状态下的感应电流分解成电/磁感应两种分量形式，如是，两侧电阻可对感应电流进行非平衡吸收，达到任意工作状态下的阵列耦合抑制。

本发明有益效果在于：

1、通过同一结构的不同吸波模式，实现阵列多工作状态下的互耦抑制。

2、抑制结构可与天线同时印刷，不需增加工序，从而降低结构加设复杂度，缩减加设成本，减小抑制结构的安装空间。

3、抑制结构与辐射贴片印刷于同一层覆铜层，故不增加天线的剖面高度。

4、引入椭圆环形金属微带结构，设计它与阵列的相对位置关系，在增强非扫描工作状态下的互耦抑制效果的同时，降低抑制结构对天线辐射性能的影响。

5、通过引入闭合环形金属结构，实现差波束工作状态下的磁吸收，达到差波束状态的互耦抑制。

6、抑制结构可以实现一般波束扫描状态时的双电阻交替吸收，达到对阵列任意工作状态下的互耦抑制。

7、一体式电/磁交替吸收装置的结构简单，简化相关设计的计算复杂度，从机理层面降低阵列抑制的设计难度。

附图说明

图1是未加设互耦抑制装置的H面相控贴片天线阵。

图2是加设一体式电/磁交替吸收装置的H面相控贴片天线阵。

图3是阵列非扫描工作状态时的互耦/反射/辐射方向图性能对比。

图4是阵列差波束工作状态时的互耦/反射/辐射方向图性能对比。

图5是阵列一般波束扫描状态时的互耦/反射/辐射方向图性能对比。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。本发明一种具体实施方式如图1所示，在本发明一体式电/磁交替吸波装置及天线阵多状态互耦抑制方法的实施例中，天线阵沿x方向(H面)排列，由相同辐射单元1和2组成。辐射单元为背馈式贴片天线形式，其辐射贴片印刷于介质基板3的上层覆铜面，金属背板印刷于介质基板3的下层覆铜面。天线为y方向极化。阵列工作于非扫描、差波束和一般波束扫描三种工作状态，分别利用馈入馈源的传输线长度来调控馈入相位，使1和2天线相位差值为0°，90°和180°。互耦抑制结构的作用为在保持天线阵辐射性能的同时，降低辐射贴片单元1和2之间的传输系数。在本实施例中，抑制结构用于抑制贴片天线形式的阵列互耦，在其它应用中，也可以实现其它天线形式的耦合抑制。其具体方法为，考察天线不同状态下的电流和磁场状态，利用电流耦合实现结构的电感应，利用磁场耦合实现结构的磁感应，通过对感应电流的电阻吸收实现天线阵的互耦抑制。此类方法是基于本发明的常规设计思路，故亦应属于本发明的保护范围。在本实施例中，吸波结构对H面阵列的互耦进行抑制，在其它应用中，也可以实现对E面或其他方向阵列的互耦抑制。其具体方法有：(1)利用对偶原理建立相应的对偶结构，实现E面阵列的互耦抑制；(2)开展阵列电/磁/电流分析，利用分析结果与结构的电磁感应关系，获得相应的互耦抑制结构。此类方法是基于基本电磁学原理，利用本发明提出的方法很容易得出此设计，故亦应属于本发明的保护范围。在本实施例中，利用同一结构的不同吸收模式，相应地对阵列不同辐射特性进行一体化设计，在其它应用中，也可以对其它电磁特性的多状态工作进行一体化多模式设计。其具体方法为，分析电磁特性的电/磁/电流特征表征，进而构建与结构模式特性的对应关系，进一步确立模式与电磁特性的协同工作方案。此类方法直接利用本发明所提方法的设计思路，故亦应属于本发明的保护范围。

本实施例所涉及的一体式电/磁交替吸收装置，如图2所示，由椭圆环形金属微带结构4和加载电阻5两部分组成。椭圆环形金属微带结构4印刷于与辐射贴片1和2同层的金属覆铜层，其中心与阵列中心重合。椭圆环形的H面轴线两侧对称缝隙，用于焊接加载电阻5。两个相同电阻5分别焊接于椭圆环4的两侧缝隙处，并与椭圆环4形成闭合环路。如是，辐射贴片1和2的互耦电磁能量通过电流/磁形式感应于椭圆环形金属微带结构4，并在其上形成感应电流。感应电流由加载电阻5进行耗散，形成一体式电/磁吸收，实现阵列互耦抑制。在本实施例中，采用电阻作为感应电流的耗散器件，在其它应用中，利用有耗涂层、吸波材料等有耗器件也可以用于感应电流的衰减。其具体方法为，将有耗材料涂覆或者通过金属结构与椭圆环形金属微带结构4连接，从而对其上电流进行衰减，达到阵列互耦抑制的效果。此类方法是较为常规的设计思路，基于本发明提出的方法很容易得出此设计，故亦应属于本发明的保护范围。

在阵列非扫描工作状态下，辐射贴片1和2的电流同相，电流沿E面方向的极值点位于其中点处，椭圆环形金属微带结构4与该位置的距离最近，如是，可得到最优的电吸收效果；同时，辐射贴片1和2的电场极值位于贴片沿E面方向的两侧，椭圆环形金属微带结构4与该位置距离最远，如是，则可降低抑制结构对天线辐射性能的影响。在本实施例中，选用中心位置印刷的椭圆环形吸波结构作为接收辐射贴片1和2电感应能量的装置，在其它应用中，根据不同的电流/电场环境进行吸波结构的外形和位置调整，也可实现阵列互耦的有效抑制。其具体方法为，分析辐射单元的电流/电场极值，调整吸波结构与此两者的位置关系，确定相应的结构外形和位置，达到最优的工作效果。此类设计完全基于本发明提出的方法，故亦应属于本发明的保护范围。

在阵列差波束工作状态下，辐射贴片1和2具有180°相位差，如是，两个贴片所激励的磁场在阵列沿H面方向的中线处同相叠加，为磁场极值点。该磁场为交变磁场，故会在椭圆环形金属微带结构4上激励磁感应电流，并通过加载电阻5进行能量耗散。椭圆环形金属微带结构4沿E面方向的长度应等于或大于辐射贴片1和2在E面方向的长度，以得到足够磁感应能量。值得一提的是，在本实施例中选用中心位置印刷的椭圆环形微带结构作为接收辐射贴片1和2磁感应能量的装置，在其它应用中，也可根据差波束状态时的磁场特征选用其它适当闭合结构。

在阵列一般波束扫描工作状态下，辐射贴片1和2具有90°相位差，如是，椭圆环形金属微带结构4上感应电流具有电/磁两种感应分量，该感应电流会被两侧加载电阻5非平衡耗散，实现任意工作状态下的阵列互耦抑制。值得一提的是，在本实施例中选用90°相位差时的辐射效果作为一般波束扫描状态例，在其它应用中，结构对任意相位差实现的任意辐射状态都有优良的抑制效果。

一体式电/磁交替吸收结构的设计步骤分为磁感应和电感应两个过程，其具体办法为：首先，分析差波束工作状态下磁场的分布，构建环形金属微带结构，使该磁场尽可能穿过环形结构；其次，分析非扫描工作状态下辐射装置的电流/电场情况，使得环形结构与电流极值点距离最近，与辐射场激励区的距离最远；最后，根据感应电流的强弱设置加载电阻位置和阻值。

其设计效果如图3、4、5所示，在阵列的三种工作状态下，辐射贴片1和2之间的互耦都得到了很好地抑制，互耦辐值降低了10dB。同时，阵列的辐射性能，包括辐射贴片的反射和阵列辐射方向图都未受到影响。实现了一体式电磁交替吸收的H面天线阵多工作状态的互耦抑制。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。