[發(fā)明專利]天線單元及陣列天線

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710916613.3
• 申請日: 2017-09-30
• 公開（公告）號: CN107732457A
• 公開（公告）日: 2018-02-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 朱華彬
• 申請（專利權(quán)）人: 蘇州美柯醫(yī)療科技有限公司
• 主分類號: H01Q1/52
• 分類號: H01Q1/52
• 代理公司: 杭州凱知專利代理事務(wù)所(普通合伙)33267
• 代理人: 邵志

技術(shù)領(lǐng)域

本申請設(shè)于陣列天線技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種天線單元以及配置有這種天線單元的陣列天線，適用于相控陣天線、相控陣雷達及磁共振射頻陣列線圈等領(lǐng)域。

背景技術(shù)

天線是接收和輻射空間電磁波的一種必要的能量轉(zhuǎn)化裝置，是電路與空間電磁波能量的界面器件，在現(xiàn)代通信中的應(yīng)用非常廣泛。在一般情況下，由單個天線就可以完成發(fā)射和接收電磁波的任務(wù)。但隨著需求不斷發(fā)展，在很多應(yīng)用場合中，往往必須借助多個天線，使其按照一定的規(guī)律排列并且最終連接在一起構(gòu)成天線陣列，見圖1，每個單個的天線即為一個天線單元。陣列天線可以被定義為：一類由不少于兩個天線單元規(guī)則或隨機排列并通過適當調(diào)整每個單元的功率幅度和相位以獲得預(yù)定特性的天線組合。決定陣列天線特性的主要參數(shù)有五個：即單元個數(shù)、單元位置、單元本身的輻射特性、每個單元的幅度加權(quán)和相位加權(quán)。

在最初的陣列天線研究工作中，人們往往假定天線單元都是在理想的狀態(tài)下，各自孤立、相互之間不干擾的工作，然而在實際的天線陣系統(tǒng)中，如圖1所示，天線單元間能量的相互耦合是一種不可避免的現(xiàn)象，特別是當單元間距離比較近的時候，各單元之間的相互耦合都已經(jīng)很強了，各單元之間通過各自輻射或接收的電磁場相互作用，發(fā)生了電磁耦合效應(yīng)，致使各單元的幅度及相位發(fā)生很大的變化，影響了各天線單元的幅相特性和反射系數(shù)，并最終影響了天線陣列的總體性能，比如發(fā)射時候的增益減小，接收時候信噪比的降低。因此，如何降低天線陣列單元間的互耦一直是天線設(shè)計領(lǐng)域中的熱點和難點問題。鑒于耦合帶來的不良影響，研究人員在硬件上設(shè)計了各種減小耦合的方法和電路，比如電磁帶隙、缺陷地、短路柱等等，以及可以利用低耗或無耗的高Q電抗元件來設(shè)計一系列的去耦網(wǎng)絡(luò)。但無論何種方法，總有其局限性和優(yōu)缺點，并沒有完全通用的完美去耦方法。

以往工程研究人員在硬件提出天線單元間的去耦方案，往往基于天線單元輻射電磁場的分析方法和結(jié)果。本發(fā)明基于天線等效電路的分析方法，提出了一種新的單元間去耦方法及改善方案。

無論何種天線結(jié)構(gòu)，在電路上均可以等效為一個諧振回路和一個匹配電路網(wǎng)絡(luò)的組成。天線單元的原理可等效為電路如圖2所示，包括諧振回路和匹配網(wǎng)絡(luò)。其中X₁和X₂是等效的電抗元件(電感或電容)；R_Radiation是天線的等效輻射電阻，R_Conductor是天線導(dǎo)體本身的損耗電阻；另外還需要一個匹配網(wǎng)絡(luò)，將X₂端口的天線阻抗Z_Antenna變換為傳輸線匹配(特征)阻抗Z_Match，以滿足接收時前置低噪聲放大器的噪聲匹配或者發(fā)射時候的功率傳輸匹配。

需要指出的是，圖2中的R_Radiation和R_Conductor并不是加在天線上的實體電阻，而是在電路分析時為了更直觀簡單的原因，而添加到等效電路中的。傳統(tǒng)上，在天線設(shè)計的時候，為了盡可能提高發(fā)射時候的效率或者接收時候的信噪比，R_Radiation和R_Conductor，特別是R_Conductor的影響需要盡可能的避免和減少，一般都采用高導(dǎo)電率的良導(dǎo)體。此外X₁一般為電感(以下用電感符號L_Antenna表示)，X₂位于天線的饋入端，一般為電容(以下用電容符號C_P表示)。還有，每個天線都需要加入一個激勵源或終端負載，用Termi nator表示，為終端阻抗，一般為匹配的特性阻抗(此處采用一個比較常用特性阻抗值50ohm來表示，因此圖2可再次等效為圖3。

陣列天線設(shè)計時，天線單元間的耦合是個無法回避的負面因素，特別是對于多通道高密度的陣列天線而言，以下以圖3為基礎(chǔ)，再分析介紹一下耦合的原理和去耦的方式。

圖4給出了兩個相同天線單元的原理圖和它們之間耦合的示意圖，此模型為簡化起見，去掉了普遍作用很小的等效公共電阻。兩個天線單元一起放置，存在互感現(xiàn)象，定義互感系數(shù)為K。假設(shè)圖3中左邊單元中的電流I 1為正常工作電流，I2是互感現(xiàn)象引起的感應(yīng)電流，也就是耦合(干擾)的結(jié)果。在此，定義單元1對單元2的耦合(干擾)為：

其中I 1是左側(cè)單元正常工作需要的電流，I 2是因為I 1的存在而在右側(cè)單元中感應(yīng)產(chǎn)生的干擾電流。

根據(jù)互感原理，右側(cè)單元諧振回路上的感應(yīng)電動勢為：