宽频带定向天线及强耦合阵列天线研究

2023-01-18

在信息时代, 无线通信技术的飞速发展, 第二代移动通信系统、第三代移动通信系统和第四代移动通信系统被广泛的应用到日常生活中, 而蓝牙、无线局域网络以及全球微波互联接入等一系列无线通信系统也相继出现。大量无线通信系统在同一个无线设备平台上的集成, 会因为天线间的互耦而对天线的实际传输效率个辐射效率造成影响, 如何更好的满足无线电设备集成的共用需求成为首要任务。

一、宽频带定向天线及强耦合阵列天线研究现状

随着科学技术水平的不断提高和移动通信技术的迅猛发展, 雷达与电子对抗系统在设备平台小型化、重量以及集成化等方面的要求越来越高, 具有宽角扫描以及宽频带工作特定的相控阵天线, 因为可以更好的满足上述多种要求而被广泛的应用, 其相关研究工作也正在不断的深入。Vivaldi天线属于非频变天线中的一种典型代表, 该天线不仅具有超宽的工作频带, 在辐射定向性以及输入阻抗稳定方面也用于非常明显的优势, 同时还具有效率高、结构简单、应用便捷、造价较低以及平面易集成等一系列特点。与全向天线相比, 宽频带定向天线具有一定的方向性, 适用于通信距离远、目标密度大以及覆盖范围小的通信系统中。强耦合阵列天线属于阵列天线中的一种, 与单一天线相比, 强耦合阵列天线可以突破方向性的限制, 更好的适应各类场合的应用, 具有增益高和波束方向好控制等特征[1]。

二、强耦合阵列天线的基础理论与应用技术

(一) 强耦合阵列天线的基础理论

阵列天线的辐射电磁场作为天线阵各单元辐射场总和的重要组成部分, 由于各个单元的位置以及实际的馈电电流振幅、相位都可以做出单独的调整, 因此阵列天线大多具有多种不同的性能。以最简单的二元天线阵为例, 将功率P反馈给一个天线单元的过程中, 此时在天线最大辐射方向足够远距离r的A点位置, 所产生的场强为E0。如果将同样的功率馈给二元天线阵时, 那么这时每个天线单元得到的功率为原有功率的一半, 而将A点位置上产生相同的场进行合成, 则为场强。这种情况下, 总馈电功率保持不变, 而产生的场强却可以增大到原来的几倍, 即天线阵的增益效果进一步变大。与一个单元相比, 这类阵列天线的辐射相对集中。

(二) 强耦合阵列天线的馈电技术

超宽带耦合阵列天线所用到的阵元大多为偶极子的形式, 其中偶极子阵元的输入阻抗往往需要控制在100Ω~200Ω之间, 属于一种对称的天线结构类型。这种情况下, 就需要对馈电巴伦的阻抗变换特性以及平衡馈电性能进行严格要求。在实际的强耦合阵列天线设计过程中, 阵元与金属地板之间的距离大约为λ0.1L, 表示留给馈电巴伦的设计空间会相对较小, 其设计难度也会随之增加。常见的馈电技术主要是通过在馈电结构下方设置等公分耦合器分别连接同轴线内芯的方式来实现, 而且这种馈电技术具有结构紧凑以及避免共模谐振等应用优势[2]。

(三) 强耦合阵列天线边缘单元的截断效应处理技术

首次涉及电磁耦合并且证明了它们之间存在明确关系的实验是在1830年左右由法拉第完成, 主要是将在连接电流计的线圈周围移动某一磁体的方式, 通过对移动磁体产生的时变磁场的分析来实现的。在这一过程中, 线圈主要充当着环形天线的作用, 同时负责接收到电磁辐射, 这是电流计接收或者探测到的天线的工作。在强耦合阵列天线的设计中, 由于边缘单元和阵列中心单元所处的边界条件存在一定的差异性, 所以会在很大程度上导致边缘单位和中心单元具备的性能不同, 这种现象被称为阵列的截断效应。一般情况下, 应对有限阵列截断效应的方法主要包括边缘单元加载电阻法、垂直理想电壁法、边缘单元外侧辐射臂延伸法以及特征膜激励法等几种。其中最为常用的一类处理方法是边缘单元电阻加载法, 主要是通过在边缘单元相邻位置放置数个相同阵元的方式, 借助阵元馈电端口加载阻值并从边缘吸收单元耦合能量, 以此来对边缘单元的阻抗匹配性能进行优化。

三、总结

综上所述, 定向天线作为一种远场辐射方向图具有一定指向性的天线, 不仅通信距离远、抗干扰能力强以及频率利用率高, 且适用于点对点的移动通信, 因为在移动通信系统中基站天线以及探地雷达天线中得到广泛应用。而强耦合阵列天线在多项指标上均比传统的超宽带相控阵天线要好的多, 因此关于强耦合阵列天线相关技术的研究还需要不断深入, 从而为各类天线设计提供新的发展思路。

摘要：随着现代移动通信技术、雷达技术以及电子对抗系统的不断创新发展, 在很大程度上促进通信设备向着小型化、集成化以及多功能化的方向发生转变。本文通过对宽频带定向天线以及强耦合阵列天线研究现状的分析, 从强耦合阵列天线的基础理论、强耦合阵列天线的馈电技术以及强耦合阵列天线边缘单元的截断效应处理技术几个方面入手, 对强耦合阵列天线的基本理论与应用技术展开深入研究。

关键词：宽频带定向天线,强耦合阵列天线,移动通信技术