基于最大功率传输效率法的聚焦天线设计

采用传统方法设计天线时,往往存在能量转换效率较低、能量浪费严重的问题,但大部分优化方法又都有操作过于复杂的缺陷。本文提出了一种采用最大功率传输效率(MMPTE)方法设计的毫米波微带天线阵列。该天线由4×4个矩形贴片辐射单元和微带线馈电网络组成,并通过MMPTE来优化天线馈电网络的相位和幅度。本文所设计的天线阵列具有结构简易、辐射效率高、成本低廉、体积较小、性能良好等优点,可根据需求应用于不同的Ka波段毫米波天线系统。

综合平顶方向图的最大功率传输效率法

利用最大功率传输效率法设计波束成形天线阵列,被设计阵列天线与赋形区域引入的多个测试接收天线构成无线功率传输(WPT)系统。利用带约束条件的最大功率传输效率法使得WPT系统的传输效率达到最大,可得到波束赋形阵列天线所需的最优激励分布。文中以圆形平顶综合为例,通过工作频率为5.8 GHz的16单元贴片天线阵列介绍了优化设计过程。模拟与实验结果表明天线方向图平顶的覆盖范围为±45°,方向图的平顶波动在0.7 dB内。

用于Ka波段卫星通信的双频段圆极化无源相控阵天线

针对Ka波段卫星通信在收发频段对圆极化切换和圆极化性能的需求,设计了一款用于Ka波段卫星通信的双频段圆极化无源相控阵天线。利用带约束条件的最大功率传输效率法(Method of Maximum Power Transmission Efficiency with Constraints, CMMPTE),通过引入测试接收天线,待设计的天线与之构成无线功率传输(Wireless Power Transmission, WPT)系统,以收发之间传输效率为优化目标函数,同时设置约束条件控制2个正交的场分量,获得发射天线的最优激励分布,在收发频段实现所需偏转方向的左右旋圆极化波束。该天线是一款收发共面的天线,整体尺寸仅为37.18 mm×37.18 mm×0.762 mm,在29.5~30 GHz的发射频段和19.7~20.2 GHz的接收频段内实现了圆极化可重构和波束扫描功能。仿真和实测结果表明,该天线在收发频段分别实现了左右旋波束的切换,圆极化波束在偏转60°时的轴比始终保持在3 dB以下,并且拥有极低的交叉极化电平。

三端口宽带极化可重构紧耦合天线阵列

提出了一种三端口宽带极化可重构紧耦合天线阵列。该阵列单元由蝶形偶极子、阻抗变换器和巴伦组成,通过最大功率传输效率法(MMPTE)优化出天线三个端口的所需最优激励分布,从而实现天线在左旋圆极化(LHCP)和右旋圆极化(RHCP)以及在方位角平面任意角度线极化(LP)多种辐射模式之间的切换。最终优化得到的阵列的尺寸为π×60^(2)mm~2×30 mm(π×0.7^(2)×0.35λ_(0)^(3)=0.549λ_(0)^(3),其中λ_(0)为中心频率处的自由空间波长)。测试结果表明,该阵列在左右旋圆极化和线极化状态下的相对阻抗带宽(|S_(11)|<-10 dB)都为50.7%,且3 dB增益带宽基本能覆盖阻抗带宽。左右旋圆极化轴比小于3 dB,并且轴比带宽(AR<3 dB)可以覆盖整个阻抗带宽。在3.5 GHz处,阵列在各种极化状态下的最大实际增益均大于8.8 dBi。

一款360°连续扫描圆形阵列天线设计

针对室内通信系统,设计了一款具有360°方位角连续扫描特性的圆形阵列天线.圆形阵列天线由8个端射单极子八木天线阵元按旋转对称方式构成,每个天线阵元包含一个激励单极子、一个反射器和4个引向器.采用同幅同相激励时,阵列天线可以工作于全向辐射模式;采用扩展最大功率传输效率法计算最佳激励分布时,阵列天线工作于定向辐射模式.仿真和实验结果表明,阵列天线工作于全向辐射模式的平均增益为3.78 dBi,增益波动小于2.0 dBi;阵列天线工作于定向辐射模式时的波束指向可以实现360°方位角连续扫描,并保证了定向波束增益最大化和水平方位指向,定向波束最大增益达到11.1 dBi,方位角扫描增益波动小于0.4 dBi,前后比大于12.5 dB.设计的圆形阵列天线具有定向波束增益高、在方位角可连续扫描等技术优势,可用于未来室内小基站系统.

多波束阵列天线的稀疏化设计

讨论利用加权最大功率传输效率法(Weighted method of maximum power transmission efficiency,WMMPTE)实现多波束阵列天线的稀疏化,使得天线单元数目小于天线波束数数目。待设计天线与置于波束方向的测试天线形成无线功率传输系统,再利用WMMPTE优化可得到多波束阵列天线的最优激励分布。根据最优激励分布可进行阵列单元的稀疏化。通过工作频率为5.8 GHz的一维直线阵列和二维平面阵列为例介绍了稀疏化设计过程。模拟和实验表明,经WMMPTE优化后,利用3单元天线阵列可以实现4个波束、8单元天线阵列可以实现9个波束。

一种小型八单元MIMO-智能手机天线阵列的优化设计

针对5G智能终端中需要集成更多天线的需求,提出一种小型八单元MIMO-智能手机阵列天线。该天线阵工作在Sub-6 GHz中的3.3~3.5 GHz,由8个共用接地点的三维倒F天线单元组成,利用弯折技术减小天线尺寸,天线单元仅为5 mm×5 mm×5 mm。通过共用接地点的中和作用以及地面上加载的T型槽,使天线单元间距在小于2 mm的情况下实现互耦小于-10 dB。利用最大功率传输效率法(MMPTE)获得阵列天线的最优激励分布,该方法将天线的优化设计归结于无线能量传输系统的设计,通过求解传输效率和S参数构成的特征值方程获得天线阵列的最优激励分布。再利用连接各个天线单元的数字移相器和衰减器实现最优激励分布,让波束偏转到指定方向。整个天线印刷在FR4基板上,占用体积小,在3.3~3.5 GHz内S参数小于-10 dB。实测结果与仿真结果吻合较好,在无线通信中有较好的应用前景。

一种新型圆极化可重构天线

本文利用最大功率传输效率法(MMPTE),通过4个相同左旋圆极化贴片单元作为子阵来实现阵列天线圆极化可重构。通过在被设计阵列(作为发射阵列)远场区引入极化控制接收天线,可以将整个收发系统看作一个无线功率传输系统,这样就可以把阵列天线的设计问题转换为一个天线之间的传输效率最优化的问题。通过调节接收天线的极化方式和接收位置,可控制被设计阵列的极化方式和扫描角度。与传统做法不同的是,被设计阵列单元的极化方式确定时,通过改变接收天线的极化方式,阵列还能产生与单元极化相反的极化方式,同时两种极化方式所得的增益差距在1 dBi以内。本文以中心频率在2.45 GHz的左旋圆极化单元组成的十六单元阵列为例,说明如何实现阵列左右旋极化的可重构以及+/-60°的扫描功能。

手持终端小型MIMO智能天线阵列的优化设计

提出了一种工作在3.3~3.5 GHz频段的手持终端八单元MIMO智能天线阵列。该阵列由两个对称的四单元子阵列组成,分别放置在移动终端的两个长边偏上位置。四单元子阵总尺寸为45 mm×5 mm×3 mm,仅占基板长边约三分之一。先引入地面隔离槽,使MIMO接收系统获得良好的隔离和包络相关系数;再基于最大功率传输效率法,获得指定辐射方向的发射天线阵列的最优激励,并保证在该方向上获得最大增益;最后利用自行研发的波束成形控制器实现最优激励分布,从而将天线波束偏转到指定方向。天线阵列工作在3.45 GHz时,在x、z方向上增益分别为4.1 dBi和5.9 dBi。