CN104638366A - 一种低耦合度的多天线系统 - Google Patents

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张庆乐
胡伟东
吕昕
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Abstract

本发明涉及一种低耦合度的多天线系统，该系统适用于相控阵天线、MIMO天线等多天线系统。该多天线系统包括两个以上的天线单元，相邻天线单元之间有近零折射率超材料，且相邻天线单元与近零折射率超材料共面。所述的近零折射率超材料的折射率的实部的绝对值小于0.5，该多天线系统的天线单元之间的耦合度可以大幅度降低。本发明解决了阵列天线单元之间耦合的问题，通过加载近零折射率超材料，在不影响天线辐射特性的基础上，降低了天线单元之间的耦合，同时结构简单，便于与阵列天线大规模集成。

Description

一种低耦合度的多天线系统
技术领域
本发明涉及一种低耦合度的多天线系统，该系统适用于相控阵天线、MIMO天线等多天线系统。
背景技术
随着相控阵天线和无线MIMO通信系统的快速发展，紧凑的多单元天线越来越受到科研人员的重视，但是在多单元天线系统中，单元间的耦合是阵列天线应用中一个十分严重的问题。单元间的耦合会降低天线的辐射效率，减小天线的工作带宽，产生辐射死角或者使副瓣恶化等问题。因此在先进的相控阵系统和MIMO通信系统中，减小相邻天线单元的耦合，提高天线单元的隔离度变得越来越重要。
为此，研究人员进行了大量的研究并提出了几种有效的方法。FanYang(YangF,Rahmat-Samii Y.Microstrip antennas integrated with electromagnetic band-gap(EBG)structures:A low mutual coupling design for array applications.IEEETransactions on Antennas and Propagation 2003,51(10):2936-2946.)首次利用mushroom结构的电磁带隙结构降低了天线单元间的耦合，利用了电磁带隙结构能够抑制表面波的传输的特性，但是该结构中含有金属过孔，会引起电损耗，同时会增加制造难度。Zhu(Zhu,F.-G.；Xu,J.-D.；Xu,Q.,"Reduction of mutualcoupling between closely-packed antenna elements using defected ground structure,"Electronics Letters,vol.45,no.12,pp.601,602,June 2009)等人提出采用哑铃状结构的缺陷地结构降低了倒F天线单元间的互偶，使得天线单元之间的隔离度超过了-40dB，实现了较高的隔离度，但是采用这种结构改变了天线本身H面的辐射特性。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，针对减小阵列天线单元之间的耦合问题，提出一种低耦合度的多天线系统，应用一种近零折射率超材料结构降低了阵列天线单元间互偶的问题，该多天线系统体积小、成本低、结构简单，该多天线系统的天线单元之间的耦合度低。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明的一种低耦合度的多天线系统，该多天线系统包括两个以上的天线单元，相邻天线单元之间有近零折射率超材料，且相邻天线单元与近零折射率超材料共面。
所述的近零折射率超材料的折射率的实部的绝对值小于0.5，该多天线系统的天线单元之间的耦合度可以大幅度降低。
有益效果
本发明解决了阵列天线单元之间耦合的问题，通过加载近零折射率超材料，在不影响天线辐射特性的基础上，降低了天线单元之间的耦合，同时结构简单，便于与阵列天线大规模集成。
附图说明
图1是实施例中多天线系统的结构示意图；
图2是本发明的近零折射率超材料结构示意图；
图3是本发明的近零折射率超材料的折射率；
图4是本发明的微带天线加载近零折射率超材料前后反射系数比较；
图5是本发明的微带天线加载近零折射率超材料前后耦合的比较；
图6(a)是本发明的微带天线加载近零折射率超材料前后5.1GHz频率时E面方向图的比较。
图6(b)是本发明的微带天线加载近零折射率超材料前后5.1GHz频率时H面方向图的比较。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
实施例
作为本发明的一种优选实施例，本发明包括微带天线和近零折射率超材料。
如图1所示，一种低耦合度的多天线系统，该多天线系统包括两个天线单元，两个天线单元之间有近零折射率超材料，且相邻天线单元与近零折射率超材料共面。
所述的两个天线单元相同，均为矩形微带天线；多天线系统由两个矩形微带天线和八排两列近零折射率超材料组成。矩形微带天线印刷在FR4介质板上，厚度为1.6mm，两个矩形微带天线单元的中心间距为30mm。
近零折射率超材料印刷在FR4介质板上且与两个矩形微带天线单元共面；
如图1所示，矩形微带天线工作在5.1GHz，介质基板材料为FR4，介电常数为4.4，厚度为1.6mm，微带天线尺寸为长度L＝13.3mm，宽度W＝18.3mm，四分之一阻抗匹配线长度L1＝8mm，阻抗匹配线宽度W1＝1mm，50欧姆微带馈电线长度L2＝8mm，微带馈电线宽度W2＝3.1mm，两个微带天线中心间距为30mm，中间放置八排两列零折射率超材料。
如图2所示，近零折射率超材料采用开口谐振环金属片，横向周期ax为5mm，纵向周期ay为3.5mm，金属线横向长度Lm＝4.2mm，纵向长度Wm＝3mm，开口处线长Lg＝3.2mm，开口距离g＝0.3mm，金属线宽Wg＝0.4mm。
对所使用的近零折射率超材料，在4-6GHz范围内进行折射率参数提取，其结果如图3所示，由图3可知，在4.8-5.3GHz范围内折射率的实部的提取值为0.20-0.46之间，小于0.5，可称作近零折射率。
如图4所示，矩形微带天线加载近零折射率超材料后的反射系数(S11)没有发生太大变化，天线中心工作频率仍为5.1GHz，工作带宽保持在5-5.2GHz，加载近零折射率超材料后，最小反射系数由-20.9dB降低到了-34.9dB，天线的匹配性能进一步改善。
矩形微带天线加载近零折射率超材料前后的耦合系数(S12)的比较如图5所示，加载零折射率超材料后，在5-5.2GHz整个工作频带内天线单元间的耦合减小范围为1.6-11.7dB，其中在5.1GHz时，天线单元间的耦合降低了11.7dB。
图6(a)是本发明的微带天线加载近零折射率超材料前后5.1GHz频率时E面方向图的比较，图6(b)是本发明的微带天线加载近零折射率超材料前后5.1GHz频率时H面方向图的比较，加载近零折射率超材料后，方向图几乎不变，说明加载该近零折射率超材料不影响天线的辐射特性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限定，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实例，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种低耦合度的多天线系统，其特征在于：该多天线系统包括两个以上的天线单元，相邻天线单元之间有近零折射率超材料，且相邻天线单元与近零折射率超材料共面。
2.根据权利要求1所述的一种低耦合度的多天线系统，其特征在于：近零折射率超材料的折射率的实部的绝对值小于0.5。
3.根据权利要求1所述的一种低耦合度的多天线系统，其特征在于：多天线系统由两个矩形微带天线和八排两列近零折射率超材料组成。
4.根据权利要求3所述的一种低耦合度的多天线系统，其特征在于：矩形微带天线印刷在FR4介质基板上，厚度为1.6mm，两个矩形微带天线单元的中心间距为30mm。
5.根据权利要求3或4所述的一种低耦合度的多天线系统，其特征在于：近零折射率超材料印刷在FR4介质基板上且与两个矩形微带天线单元共面。
6.根据权利要求5所述的一种低耦合度的多天线系统，其特征在于：介质基板材料为FR4，介电常数为4.4，厚度为1.6mm，矩形微带天线尺寸为长度L＝13.3mm，宽度W＝18.3mm，四分之一阻抗匹配线长度L1＝8mm，阻抗匹配线宽度W1＝1mm，50欧姆微带馈电线长度L2＝8mm，微带馈电线宽度W2＝3.1mm，两个微带天线中心间距为30mm。
7.根据权利要求1、2、3或4所述的一种低耦合度的多天线系统，其特征在于：近零折射率超材料采用开口谐振环金属片，横向周期ax为5mm，纵向周期ay为3.5mm，金属线横向长度Lm＝4.2mm，纵向长度Wm＝3mm，开口处线长Lg＝3.2mm，开口距离g＝0.3mm，金属线宽Wg＝0.4mm。
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