CN105006649A - 一种电磁波近场隔离屏及其应用 - Google Patents

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张谅
于丰畅
刘颜回
宋争勇
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Abstract

一种电磁波近场隔离屏及其应用，涉及无线射频技术。所述电磁波近场隔离屏设有超材料单元，所述超材料单元按照矩阵排列，在电磁波近场隔离屏的两侧形成两个互相隔离的区域，每个超材料单元由至少一个变容二极管串联或并联至少一个电路元件组成，所述电路元件选自电阻、电感、电容等中的至少一种；所述矩阵排列中所有超材料单元均在同一平面内，或经过旋转、平移后能够移动到同一平面内，在矩阵排列中横向超材料单元和纵向超材料单元的个数不能同时小于3个。电磁波近场隔离屏可用于自适应近场隔离装置。有较高隔离度。具有环境自适应能力，当双天线系统周围环境发生变化时，可自动适应环境的改变，重新达到较高的隔离度。成本低、可控性、自适应。

Description

一种电磁波近场隔离屏及其应用
技术领域
本发明涉及无线射频技术，尤其是涉及一种电磁波近场隔离屏及其应用。
背景技术
现有常用的近场天线隔离手段是采用金属板隔离或利用交叉极化实现隔离，后者是利用正交(对于线极化)或反向(对于圆极化)放置的线极化天线表面电流相互正交，因此彼此互不干扰实现隔离。这种方法早在20世纪70年代就开始出现[1]，直到今天仍然有很多这方面的研究。从近两年国内以及国际上的研究情况来看，普遍可以达到的隔离度在30～50dB左右[2-4]；然而这种方法要求两种极化方式相正交，这就要求通信系统必须具有相同的双极化通信机制，从而限制了其适用范围。
近年来随着对超材料研究的进一步深入与推广，这种新颖的材料也被用来实现近场隔离。2007年浦项工科大学与宾夕法尼亚大学的Raj Mittra课题组利用频率选择表面改善了极化分集天线之间的隔离度[5]。同年，香港科技大学的Ross Murch课题组利用缺陷地改善了同极化方向的近场单极子之间的隔离[6]。之后沿着这一思路，贴片天线之间的隔离度也得以改善[7， 8]。这些研究成功地利用超材料的新颖电磁特性对天线耦合进行了隔离，为近场屏蔽提供了新的思路。
除了将静态的无源超材料用在天线近场以外，有源可控的超材料也可在天线近场对其电磁分布进行控制。虽然目前未见到将可控超材料应用于近场隔离的研究，但是利用可控超材料在天线近场实现天线辐射方向控制的研究已经取得了很多成果。其中有代表性的是加拿大国家科学技术研究院的Tayeb Denidni教授小组所设计的系列360°电控扫描天线[9-11]，这其中也包括本申请人与Denidni合作的研究。微细加工光学技术国家重点实验室的罗先刚教授更进一步利用连续可调的超材料实现了喇叭天线近场相位控制从而实现了波束连续扫描[12]。这些研究证明了可控超材料在天线近场也可以对其场分布进行控制，这也是本发明的重要理论依据与实践基础。
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发明内容
本发明的目的在于提供能够有效提高天线系统在近场的隔离度，且能够自适应周围环境变化的一种电磁波近场隔离屏及其应用。
所述电磁波近场隔离屏设有超材料单元，所述超材料单元按照矩阵排列，在电磁波近场隔离屏的两侧形成两个互相隔离的区域，每个超材料单元由至少一个变容二极管串联或并联至少一个电路元件组成，所述电路元件选自电阻、电感、电容等中的至少一种；所述矩阵排列中所有超材料单元均在同一平面内，或经过旋转、平移后能够移动到同一平面内，在矩阵排列中横向超材料单元和纵向超材料单元的个数不能同时小于3个。
所述超材料单元边界之间的最短间距不大于所屏蔽信号波长的1.5倍。
所述边界是指能完整包含超材料单元，且面积最小的矩形。
所述两个互相隔离的区域指的是在隔离屏两侧，边长小于等于所屏蔽信号波长的10倍的立方体区域。
所有超材料单元具有连续可控的传输特性，对所要隔离的电磁波频率具有连续可控的透射幅度与透射相位。所有超材料单元必须具有独立控制工作状态的能力，即可以为每个单元均独立控制，或者分组之后各组之间独立可控。
所述电磁波近场隔离屏可用于自适应近场隔离装置，所述自适应近场隔离装置设有电磁波近场隔离屏、带有相关控制程序的计算机、电压控制器、天线隔离度测量装置；被测两天线的接收信号输出端分别接天线隔离度测量装置的输入端，天线隔离度测量装置的被测两天线隔离度输出端接带有相关控制程序的计算机的输入端口，带有相关控制程序的计算机的输出端口接电压控制器的输入端，电压控制器的输出端接电磁波近场隔离屏。
本发明的有益效果为：
1)有较高的隔离度。
2)具有环境自适应能力，例如当双天线系统周围环境发生变化时，该装置可以自动适应环境的改变，重新达到较高的隔离度。
3)具有成本低、可控性、自适应的优点。
附图说明
图1是本发明电磁波近场隔离屏实施例的结构组成示意图。
图2是本发明电磁波近场隔离屏实施例的工作原理图。
图3是本发明电磁波近场隔离屏实施例的单元结构示意图。
图4是本发明电磁波近场隔离屏的应用实例示意图。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
参见图1～3，本发明所述电磁波近场隔离屏实施例设有超材料单元1，所述超材料单元1按照矩阵排列，在电磁波近场隔离屏P的两侧形成两个互相隔离的区域，每个超材料单元1由至少一个变容二极管D串联或并联至少一个电路元件K组成，所述电路元件K选自电阻、电感、电容等中的至少一种；所述矩阵排列中所有超材料单元1均在同一平面内，或经过旋转、平移后能够移动到同一平面内，在矩阵排列中横向超材料单元和纵向超材料单元的个数不能同时小于3个。
所述超材料单元边界之间的最短间距不大于所屏蔽信号波长的1.5倍。
所述边界是指能完整包含超材料单元，且面积最小的矩形。
所述两个互相隔离的区域指的是在隔离屏两侧，边长小于等于所屏蔽信号波长的10倍的立方体区域。
所有超材料单元具有连续可控的传输特性，对所要隔离的电磁波频率具有连续可控的透射幅度与透射相位。所有超材料单元必须具有独立控制工作状态的能力，即可以为每个单元均独立控制，或者分组之后各组之间独立可控。
在图1中，矩阵排列为5×6结构，共有30个超材料单元，每列(纵向)超材料单元底部连接电压控制器接口。每列(纵向)超材料单元具有独立、相同的控制电压。每个超材料单元的两端均串联一个电阻R，每个超材料单元的中间为一个可调电容二极管D。为了消除高频电流，在电压控制器与超材料单元之间可串联2个电阻。
在图2中，标记A和B为天线，C表示边缘绕射，E表示耦合，P表示电磁波近场隔离屏。假设天线A为发射天线，天线B为接收天线。天线B接收到的信号有两部分组成，其一是天线A通过边缘绕射到达天线B的信号，其二为天线A和超材料单元各个条带耦合产生的信号。改变超材料单元的电压就能改变耦合信号的幅值和相位，当绕射的信号和耦合的信号之和为零时，理论上天线A与天线B完全隔离。
在图3中，标记D为变容二极管，R为电阻。
参见图4，所述电磁波近场隔离屏可用于自适应近场隔离装置，所述自适应近场隔离装置设有电磁波近场隔离屏P、带有相关控制程序的计算机42、电压控制器43、天线隔离度测量装置44；被测两天线A和B的接收信号输出端分别接天线隔离度测量装置44的输入端，天线隔离度测量装置44的被测两天线隔离度输出端接带有相关控制程序的计算机42的输入端口，带有相关控制程序的计算机42的输出端口接电压控制器43的输入端，电压控制器43的输出端接电磁波近场隔离屏P。
带有相关控制程序的计算机42包含遗传算法程序、矢量网络分析仪数据读取程序、电压控制器控制程序；其中遗传算法程序按要求随机生成一定量的电压组合方案，分别将这些组合通过电压控制器配置到电磁波近场隔离屏上，然后通过天线隔离度测量装置44数据读取程序读取天线隔离度测量装置44中的S21参数，再将该参数输入遗传算法程序，后者对本次的S21进行评价，保留选取符合要求的电压配置组合方案，在对这些方案进行变异杂交等操作，经过若干次迭代之后获得满足要求的电压组合方案。
电压控制器43是一台8通道的串口通信的电压控制器，其电压控制范围是0～32V。
天线隔离度测量装置44可采用产自安捷伦公司的型号为PNA 5227a的矢量网络分析仪。
以下以双天线系统的隔离问题为例，电磁波近场隔离屏放置于天线A、天线B之间，天线A、B之间的隔离度由天线隔离度测量装置44读取，计算机程序通过电压控制器43控制平面的各单元的电压，并读取天线隔离度测量装置44中的隔离度数据。经过程序的若干次迭代实现到最终的最佳隔离效果。以双天线系统为例，隔离度可以达到110dB，隔离能力远好于现有的所有隔离方法。
假使在天线A、天线B附近放置若干导体，重新运行计算机上的程序，天线A、B之间的隔离度依然可以达到较高的水平(例如100dB)。证明了本发明具有良好的环境自适应能力。
本发明所述电磁波近场隔离屏结构、电路简单，原材料成本低。
本发明由多个基于变容二极管的超材料单元按照矩阵方式排列构成，并在隔离器的两侧形成两个互相隔离的区域。本发明与利用交叉极化或其他的隔离方法相比，隔离度有显著的提高，并且具有自适应环境的变化的能力。同时设计简单，成本低。

Claims (8)

1.一种电磁波近场隔离屏，其特征在于设有超材料单元，所述超材料单元按照矩阵排列，在电磁波近场隔离屏的两侧形成两个互相隔离的区域，每个超材料单元由至少一个变容二极管串联或并联至少一个电路元件组成，所述电路元件选自电阻、电感、电容中的至少一种；所述矩阵排列中所有超材料单元均在同一平面内，或经过旋转、平移后能够移动到同一平面内，在矩阵排列中横向超材料单元和纵向超材料单元的个数不能同时小于3个。
2.如权利要求1所述一种电磁波近场隔离屏，其特征在于所述超材料单元边界之间的最短间距不大于所屏蔽信号波长的1.5倍。
3.如权利要求1所述一种电磁波近场隔离屏，其特征在于所述边界是指能完整包含超材料单元，且面积最小的矩形。
4.如权利要求1所述一种电磁波近场隔离屏，其特征在于所述两个互相隔离的区域指的是在隔离屏两侧，边长小于等于所屏蔽信号波长的10倍的立方体区域。
5.如权利要求1所述一种电磁波近场隔离屏，其特征在于所有超材料单元具有连续可控的传输特性，对所要隔离的电磁波频率具有连续可控的透射幅度与透射相位。
6.如权利要求1所述一种电磁波近场隔离屏，其特征在于所有超材料单元必须具有独立控制工作状态的能力，即可以为每个单元均独立控制，或者分组之后各组之间独立可控。
7.如权利要求1～6中任一所述电磁波近场隔离屏在自适应近场隔离装置中应用。
8.如权利要求7所述应用，其特征在于所述自适应近场隔离装置设有电磁波近场隔离屏、带有相关控制程序的计算机、电压控制器、天线隔离度测量装置；被测两天线的接收信号输出端分别接天线隔离度测量装置的输入端，天线隔离度测量装置的被测两天线隔离度输出端接带有相关控制程序的计算机的输入端口，带有相关控制程序的计算机的输出端口接电压控制器的输入端，电压控制器的输出端接电磁波近场隔离屏。
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