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基于特征模分析的多端口天线阵列微带去耦网络研究

刘晓亚  
【摘要】:移动通信技术的发展日新月异,随着通信系统对于更高传输速率和更大信道容量的不断要求,通信技术的标准约每十年进行一次更迭。在日渐成熟的业已商用的4G通信技术和新一代5G通信标准中,多输入多输出(MIMO)技术因其不增加传输带宽和发射功率便可大幅度提升信道容量的优点而得到国内外研究学者们的广泛关注。多天线技术作为MIMO技术中的重要组成部分,近几年获得了诸多研究。在移动终端设备日益小型化的趋势下,紧凑型多天线阵列之间的互耦是亟待解决的一个难题。本论文拟提出一个系统性的理论设计方法来解决天线阵元之间的耦合问题,采用简单的微带线构成馈电网络,研究实现多端口天线阵列的去耦合方法。首先,本文阐述多天线阵列去耦的研究背景和意义,分析并总结电磁带隙结构、缺陷地结构、中和线以及去耦网络等几种常用的阵列去耦方法及其研究现状。其次介绍天线相关的基本理论,包括天线主要电参数和天线阵列的互耦及其分析方法,分析并联单短截线的阻抗匹配原理并阐述多天线MIMO技术的相关理论。然后,本文提出一种基于矩阵特征模理论的微带去耦网络设计方法。首先通过研究二元阵天线阵列,给出利用特征模理论分析微带去耦网络的具体过程,并设计基于单极子天线阵列的微带去耦网络实例。然后在二元阵天线阵列的去耦网络基础上分别提出三线阵基于邻近阵元的去耦网络和基于全部阵元的去耦网络。其中,邻近阵元法采用微带天线阵列,全部阵元法采用单极子天线阵列。通过电路仿真和电磁仿真对微带去耦网络设计方法进行验证,并给出三线阵单极子天线阵列基于全部阵元的微带去耦网络实例。最后,本文针对中心对称的圆形天线阵列,分别以三圆阵单极子天线阵列和四圆阵单极子天线阵列为例,提出基于矩阵特征模理论的微带去耦网络设计方法。其中,通过电路仿真和电磁仿真分别对三圆阵微带去耦网络设计方法进行验证,并在仿真结果的基础上设计三圆阵单极子天线阵列的微带去耦网络实例。另外,对于四圆阵单极子天线阵列的微带去耦网络,采用电路仿真验证其有效性。


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