异频阵元耦合机理与解耦方法研究

In the process of deploying 5G antenna, the antenna should be miniaturized， support different working frequency bands, and support multi-input and multi-output transmission. Under this background, the antenna element spacing is gradually compressed. The coupling among antennas will lead to the impedance mismatch and the deterioration of the port isolation and radiation pattern, affecting the overall performance of the antenna. At present, the research on the coupling mechanism and decoupling technique of antenna elements with different working frequencies is not very sufficient. Especially array composed of the elements with octave frequencies, the situation is more complicated. A large amount of current at the non-excited port and the dramatic shift of the radiation pattern usually occurs within a very narrow frequency band, making this phenomenon difficult to be found. Based on the actual demand, this project discusses the coupling mechanism of antennas with different working frequencies, put forward ideas of ‘meta-surface invisible cloaks’ and ‘new coupling balun’, and carry out the research on ‘the broadband/multi-frequency/multi-polarization/integration of the invisible cloak’ and ‘the new type balun based on the composite right/left handed transmission line’, aiming to improve the isolation of different elements’ ports and weaken the influence of the coupling on the antenna pattern. Principle demonstration and experimental verification are also conduced. All these research will lay a theoretical and technical foundation for improving the electrical and radiation properties of the antenna array.

在部署5G天线过程中，天线必然要不断小型化，同时需要兼容不同工作频段，支持多输入多输出。在这样的应用背景下，天线单元之间间距不断被压缩，阵元间的耦合会导致阵列阻抗失配，端口隔离度、方向图等变差，影响天线整体性能。目前，人们对异频阵元耦合机理及解耦技术的研究尚不够充分。尤其是倍频阵元构成的阵列，其耦合机理更为复杂，非激励端口感应大量电流和方向图急剧变化通常发生在某一频点及其附近很窄的频带内，导致这种现象不易被发现。本项目立足实际需求，探讨异频阵元间耦合作用机理等基础理论问题，提出“超表面隐身斗篷”和“新型耦合型巴伦”协同降低异频阵元耦合的思路，开展“隐身斗篷宽带化、多频化、多极化、一体化”和“基于复合左右手传输线巴伦等耦合型馈电结构”的研究，以达到提高异频阵元端口隔离度、修正耦合对天线方向图等的影响的目的。同时，开展原理论证和实验验证，为天线阵列电性能和辐射性能优化奠定理论和技术基础。

在大规模天线阵列等应用背景下，天线单元之间间距不断被压缩，阵元间的耦合会导致阵列阻抗失配，端口隔离度、方向图等变差，影响天线整体性能。本项目立足实际需求，探讨异频阵元间耦合作用机理等基础理论问题，提出“超表面隐身斗篷”和“新型耦合型巴伦”协同降低异频阵元耦合的思路，开展“隐身斗篷宽带化、多频化、多极化、一体化”和“基于复合左右手传输线巴伦等耦合型馈电结构”的研究，以达到提高异频阵元端口隔离度、修正耦合对天线方向图等的影响的目的。根据课题的研究目标，本项目研究的主要内容包括：研究内容（一）：宽带、多频段、多极化、易集成超表面隐身斗篷——针对本项目复杂作用对象，研究对应的超表面隐身斗篷理论和设计方法。同时，研究具有宽带、多频段、多极化特性的隐身结构的理论与设计方法，在有限元分析软件中建立模型仿真，分析天线入射波、反射波在加入超表面隐身斗篷之后的传播路径，进行场分析。最后，结合增材制造技术制作超表面隐身斗篷和天线一体化的样机，进行实验验证。研究内容（二）：新型耦合型巴伦——本项目创新性提出基于二次耦合的馈电结构，使巴伦地与振子臂和共有地面之间断开，破坏谐振回路抑制耦合。本项目取得的重要结果和关键数据如下：一、提出了将具有频率选择特性的超表面置于低频和高频单元之间的方法，以及在低频单元周围包覆周期性耦合抑制结构的方法，降低异频单元之间的端口隔离度。二、提出了一种基于二次耦合的微带巴伦，该巴伦的结构较为封闭，可以有效降低天线端口之间的隔离度。本项目涉及的研究将为阵列天线性能优化奠定良好基础，为未来通信天线事业发展做好技术储备。依托于本项目，共发表学术论文6篇，申请国家发明专利4项，其中1项已授权，培养研究生3名。