天线阵列对现代无线通信、使束成形、空间多样性和高回转信号传输至关重要。在空间受限的应用中,例如智能手机、IOT设备和卫星终端,兼容天线阵列至关重要。然而,缩小天线元件之间的间隔引入了一种称为相互耦合的关键电磁相互作用。这种现象可严重削弱阵列性能、改变辐射模式、阻碍匹配和整体系统效率。 理解相互耦合的物理和应用有效的减缓战略对于设计下一代无线系统的工程师来说至关重要,包括5G、6G和高级雷达。

天线阵列和相互碰撞的基本原理

基本阵列理论

天线阵列由多个辐射元素组成,以产生理想的辐射模式。通过控制每个元素激发的振幅和相位,阵列可以电子引导束,增加直径,抑制干扰。理想的阵列因子是假设每个元素独立辐射的——在元素紧密间隔时会分解的假设。在紧凑的阵列中,一个元素的电磁场会诱导相邻元素的电流,改变其有效激发和扭曲组合的规律。

相互协作机制

相互耦合产生于天线之间的近场相互作用。 当一个元素被驱动时, 它会产生冲击邻近元素的电场和磁场, 诱导电压和电流。 这些二次源会再辐射, 干扰原场分布。 相互耦合的强度取决于元素相对于波长的距离、 天线的定向以及底质属性。 在元素间隔小于半波长的紧凑阵列中, 耦合变得重要, 并且不能在系统设计中忽略。 其效果由相互阻碍矩阵 Z 来数学上描述, 其中非对角词代表了元素对子之间的相互作用 。

对阵列性能的详细影响

辐射模式扭曲

相互耦合会扭曲元素模式的大小和相位。在一个理想的阵列中,总的形态是元素模式和数组因子的产物。组合会引入取决于所有元素的激发状态的规律变数,导致梁斜角,侧面的升华水平,以及无填充。对于分阶段阵列,这会导致主梁从预定方向转移,严重冲击卫星跟踪和雷达瞄准等应用。这种扭曲是依赖频率的,越来越接近共振。

输入障碍和匹配

每一个天线元件的输入障碍都会因邻位的存在而改变。在一个组合的阵列中,作为阻力在端口看到的自变包括相互阻力的促进。这种不匹配会减少从种子网络中转移的电量,并可能造成重大的反射,特别是在间隔很紧的阵列中。主动阻力——所有元件驱动时的阻力——可能因扫描角度而有很大差异,导致在障碍变得纯粹是被动作用的某些角度扫描失明。在紧凑阵列中实现宽带阻力匹配需要认真考虑耦合效应。

效率和收益减少

相配元素的能量损失不会向预定方向辐射。 相反, 相邻负载中的某些能量会散失, 或者被随机相加再辐射。 这降低了阵列的整体辐射效率。 此外, 阻塞不匹配会进一步增加损失。 综合效应是实现收益减少, 通常是在高度相配的阵列中被若干分贝所降低。 对于紧凑的MIMO系统来说,这种效率下降会直接影响信号对噪音的比例和数据吞吐量。

束线和方向查找错误

到达方向估计和适应束形算法依赖于对阵列多向量的准确知识——所有角度的一组方向矢量。相互耦合引入了未知的相和振幅错误,这些错误腐蚀了多向量,导致偏角估计和干扰差无效。校准技术可以部分纠正这些错误,但温度、结构振动或近野散器造成的时间变化耦合仍然是一个挑战。在大型的MIMO和毫米波阵列中,随着元素数量的增加,耦合错误变得更加复杂。

对现代无线系统的影响

海事组织和5G/6G通信

多输入多输出(MIMO)系统利用空间多输出来提高容量. 压缩用户设备中的MIMO阵列依赖天线通道之间的低相关性. 互联互通引入了相关性,减少了独立空间流的有效数量. 在拥有大型MIMO的5G基站中,数百个元素被包装在一个小区域;耦合可以降低光束的精度并降低容量. 对于6G来说,6G可能使用带有更小的形式因素的子地平线频率,新的耦合减缓技术至关重要. 脱钩网络的研究和元材料电离器正在快速推进以支持这些系统.

雷达和遥感应用

汽车雷达,合成孔径雷达,以及相位式天气雷达,取决于准确的束向和低侧面. 紧凑式雷达阵列的相互耦合会导致角度估计错误和假目标. 在77GHz运行的汽车雷达中,小天线间隔对于结合到保险杠和烤架中是必要的; 耦合限制了角分辨率. 现代雷达系统[ 采用数字束形和校准算算法,用于耦合,但硬件脱钩仍然比较简单.

扩大的缓解技术

物理分离和底物工程

减少耦合的最直接方法是增加元件间距,但往往由于尺寸限制而不可能。 工程师们反而使用高通量底座来缩小有效的电距,但这可以刺激增加耦合的表面波。电阻共振器和有周期结构的工程底座可以抑制表面波。在普通地面平面的对面放置天线或使用堆积配置也会改善隔离,而增加厚度的代价是增加。

脱钩和匹配网络

被动整流元网络可以在天线端口之间插入,以取消相互阻碍。这些网络往往基于连线或变压器的地形,增加了插入损失和占用板空间。使用负阻转换器的积极脱钩技术在模拟中显示出希望,但遇到了稳定性问题。对于窄带应用,基于树枝的匹配可以补偿单个频率的相互耦合。宽带脱钩仍然是活跃的研究领域;关于实际例子,见[Johanson Technology的解耦解决方案[。

电磁波束和元材料结构

EBG结构是周期性模式,它为表面波产生一个断波段,防止能量在天线之间传播。通过将EBG细胞放置在阵列元素之间,隔离可以改善10–20 dB,而不会对辐射模式产生重大影响。元材料激发的脱钩器,如分环共振器或互补的分环共振器,提供子波长隔离。这些结构是窄带,但可以调节到运行频率。电磁波束在维基百科上提供了很好的原理概览。

使用寄生元素进行高级脱钩

放置在驱动元素之间的寄生天线可以起到中和线的作用,使能量脱离相位以取消相互耦合。这种技术在手提天线隔离中很常见。寄生天线元素必须小心设计,以便在偶联频率上呈现正确的阻力。最近,机器学习优化被用于将这种结构的设计自动化,用于多波段阵列。

相互交错的衡量和特征

S-平面测量

相互耦合是由阵列的散开参数量化的。 两个元素之间的耦合系数由 {S[21}}[ 给出,用矢量网络分析器(VNA)测量。在N元素阵列中,完整的S-matrix包括了对角和对角词上的自我障碍术语。对于一个脱落良好的阵列,[]S21] 的下方位值,应位于运行波段的下方-15至-20 dB。需要小心校准,以去电缆和固定效应。对于一个在测量过程中的外向反射最小化室。

相互连接联动和阵列校准

除了S参数,在已知的事件域下从测量到的接收信号电压中提取相互耦合矩阵(MCM),这个矩阵用于校准束成像算法,开路电压法或最大概率法等技术提供了准确的估算. 近场自动扫描系统可以绘制跨阵列孔径的相互耦合图,协助模型验证. 对于生产阵列,内置的自试电路可以测量耦合系数和适应性调整束成像权重.

结论

相互耦合是紧凑的天线阵列中无法避免的现象,它直接影响辐射模式、阻碍匹配、效率和无线通信、雷达和感知的系统层面性能。 随着技术趋势向高频率、较小的形式因素和大型MIMO配置的推进,相互耦合带来的挑战变得更加尖锐。 工程师必须采用物理设计、脱钩网络、元材料结构和数字校准相结合来减轻其影响。 继续研究新型的脱钩技术和测量方法,将在未来5G/6G网络、自主车辆和IOT设备中部署高性能紧凑阵列。 实现相互耦合不仅仅是学术实践,而是下一代无线技术的实用必要性。