CN107799884B - 二维亚波长阵列天线及应用的无线通信设备、雷达终端 - Google Patents

Abstract

本发明属于阵列天线技术领域，公开了一种二维亚波长阵列天线及应用的无线通信设备、雷达终端，设置有：NFRP天线；NFRP天线安装在天线地板上，按照单元间距周期排列；NFRP天线的周围四个面周期排列精细结构，精细结构为互补开口谐振圆环结构；互补开口谐振圆环印制在介质板材的两侧；射频连接器与天线地板和NFRP天线连接。本发明在有限空间的终端上实现高密度集成的多天线系统，有效的将电磁波从调落波转换为传播波，实现二维亚波长阵列天线的超分辨率聚焦特性，提高了多天线系统的空间复用以及空间分集增益；在相同条件下与现有的移动终端天线系统相比提高了数据传输速率，频谱利用率，同时能够实现更高的信息安全性。

Description

二维亚波长阵列天线及应用的无线通信设备、雷达终端

技术领域

本发明属于阵列天线技术领域，尤其涉及一种二维亚波长阵列天线及应用的无线通信设备、雷达终端。

背景技术

在通信、广播、雷达和导航等无线电系统中均需要天线来辐射和接收电磁波，而阵列天线具有高增益，低旁瓣、波束赋形和扫描等特性广泛应用于现代武器装备中。随着无线电设备的小型化、高性能等要求下，阵列天线的小型化需求更加强烈。亚波长阵列天线被定义为阵列天线的单元间距为亚波长量级，远小于半个工作波长的阵列天线。经过特殊设计的亚波长阵列天线不仅满足阵列天线小型化的需求，而且借助于电磁波时间反演技术，实现超分辨率聚焦特性，使得亚波长阵列天线的每个单元具备一路独立通道的能力。在医疗、探测、保密通信等领域展现出更大的应用潜力。同时对于有源相控阵天线，在有限的平台或者口径上采用亚波长阵列天线，可使相控阵天线通道数目急剧增多，由发射机获得的发射功率就越多，使得相控阵天线的有效全向辐射功率会迅速增加，从而提高设备的性能。2007年，Fink课题组通过实验验证了时间反演电磁波在远场的超分辨率的聚焦特性[“Focusingbeyond thediffraction limit with far-field time reversal”,Science,vol.315,2007,pp.1119-1122.]。该文献采用了由同轴探针构成的亚波长阵列，相邻单元间距为λ/30，同时在探针周围引入了精细结构，该精细结构由非均匀分布的金属丝构成，观察每个天线单元接收电平可知，该亚波长阵列天线结合时间反演技术可实现超分辨率聚焦特性。2010年， Fusco课题组在文献[“Far field sub wavelength source resolutionusingphase conjugating lens assisted with evanescent-to-propagatingspectrumconversion”,IEEE Trans.Antennas Propagat.,Vol.58,No.2,2010,pp.459-468.中从理论和实验角度证明了频域信号的相位共轭同样具有超分辨率特性。主要措施是在发射天线和聚焦平面附近摆放一些散射体，由发射天线发射的信号经过相位共轭透镜，对接收到的信号进行相位共轭后,再次沿着波传播的方向进行发射，相位共轭后的电磁波能够聚焦到成像平面上。在偶极子源附近有散射体时，实现超分辨率特性，分辨率达到1/3波长。国内电子科技大学王秉中教授的课题组设计出了几款具有超分辨率特性的亚波长阵列天线，如：[“基于远场时间反演的亚波长天线阵列研究”，物理学报，Vol.62,No.5,2013,pp.058401-1～058401-7.]，或者[专利“一种用于无线移动终端的时间反演亚波长阵列天线”,申请号： 201010597908.7]等。提出的天线都是基于平面单极子的一维亚波长阵列天线，主要特点是在平面单极子天线辐射体和地板上刻蚀了互补开口环(CSRS)或者是椭圆环等。一般天线的单元间距为亚波长量级的阵列天线即为亚波长阵列天线，但是以上提到的文献均是一维亚波长阵列天线。因为在二维情况下实现具有定向辐射特性的亚波长阵列天线，不仅要求单元间距为亚波长量级，而且要求天线单元本身尺寸也要达到亚波长量级。但是一般天线单元尺寸很难做到亚波长量级，尤其是定向天线更难做到，因此以上文献天线单元均是采用了单极子类型的天线。近年来基于超材料概念的天线设计技术的出现有望设计出天线尺寸在亚波长量级的定向天线，此发明中NFRP天线就是其中之一。但是仅仅利用NFRP天线单元设计出的二维亚波长阵列天线不具有超分辨率聚焦特性，需经过特殊设计，本发明中在利用NFRP天线的基础上，在周围引入互补开口谐振圆环结构的精细结构，实现了具有超分辨率聚焦特性的二维亚波长阵列天线。

综上所述，现有技术存在的问题是：目前具有超分辨率聚焦特性的亚波长阵列天线大都是一维亚波长阵列，天线单元是单极子天线类型，天线单元本身尺寸也没有达到亚波长量级，原因是通常天线尺寸在λ/2，很难做到亚波长量级 (≤λ/10)，而且就算做成亚波长量级，但是如何实现超分辨率聚焦特性是要解决的问题。而且上述的一维亚波长阵列天线很难推广到二维亚波长阵列天线。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种二维亚波长阵列天线及应用的无线通信设备、雷达终端。

本发明是这样实现的，一种二维亚波长阵列天线，所述二维亚波长阵列天线设置有：

NFRP天线；

所述NFRP天线安装在天线地板上，按照单元间距周期排列；

进一步，所述NFRP天线设置有：介质板材、耦合贴片、开口谐振方环；

所述耦合贴片和所述开口谐振方环印制在所述介质板材的两侧。

进一步，所述单元之间间距为λ/12～λ/2。λ是波长。

所述NFRP天线的周围四个面周期排列精细结构，所述精细结构设置有：介质板材、2个互补开口谐振圆环；；2个互补开口谐振圆环印制在介质板材的两侧。

进一步，所述精细结构设置有2个开口互补谐振圆环结构，在NFRP天线之间纵横交错排列；

平行于天线地板方向周期排列3个互补开口谐振圆环结构，垂直于天线地板方向周期排列4个互补开口谐振圆环结构；

2个互补开口谐振圆环印制在介质板材的两侧各一个，并周期性的排列，2 个互补开口谐振圆环由外部开口谐振圆环和内部开口谐振圆环构成，外部的开口谐振圆环的外直径为尺寸λ/76，内部开口谐振圆环的外直径为λ/127，周期排列的2个互补开口谐振圆环的中心间距为λ/31。

射频连接器与所述天线地板和所述NFRP天线连接。

进一步，所述射频连接器的外导体与天线地板连接在一起，射频连接器的内导体与NFRP天线的耦合贴片连接在一起；耦合贴片与射频连接器的内导体焊接在一起。

本发明的另一目的在于提供一种使用所述二维亚波长阵列天线的无线通信设备。

本发明的另一目的在于提供一种使用所述二维亚波长阵列天线的雷达终端。

本发明的优点及积极效果为：NFRP天线尺寸是亚波长量级；可实现一维、二维亚波长阵列天线；可实现定向辐射；NFRP天线单元周围引入平面结构的精细结构，能够有效的将电磁波从调落波转换为传播波，借助电磁波时间反演技术，实现二维亚波长阵列天线的超分辨率聚焦特性。本发明在有限空间的终端上实现高密度集成的多天线系统，提高了多天线系统的空间复用以及空间分集增益；在相同条件下与现有的移动终端天线系统相比本发明提出的天线提高数据传输速率，频谱利用率，同时能够实现更高的信息安全性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的二维亚波长阵列天线结构示意图；

图中：(a)二维亚波长阵列天线的鸟瞰图；(b)二维亚波长阵列天线的顶视图；(c)二维亚波长阵列天线的侧视图1；(d)二维亚波长阵列天线的侧视图 2。

图2是本发明实施例提供的NFRP天线结构示意图；

图中(a)NFRP天线的鸟瞰图；(b)NFRP天线的侧视图1；(c)NFRP天线的侧视图2。

图3是本发明实施例提供的精细结构的示意图；

图中：(a)精细结构的单元结构图；(b)精细结构的周期排列图。

图4是本发明实施例提供的仿真的NFRP天线示意图；

图中：(a)仿真的NFRP天线S11图；(b)仿真的NFRP天线增益方向图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明能够有效的将电磁波从调落波转换为传播波，借助电磁波时间反演技术，实现二维亚波长阵列天线的超分辨率聚焦特性。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的二维亚波长阵列天线包括：NFRP天线1、天线地板2、精细结构3、射频连接器4。

NFRP天线1在天线地板2上周期排列安装，NFRP天线1周围四个面引入了精细结构3，射频连接器4与天线地板2和NFRP天线1连接。

NFRP天线1的天线尺寸为λ/11×λ/12×λ/238，属于亚波长天线单元，在天线地板2上周期排列安装，单元之间间距可为λ/12～λ/2，作为实施例的图1为5×5 的阵列，阵列规模根据需要可调整。为实现天线的调落波到传播波的转换，在 NFRP天线1周围四个面引入了精细结构3，精细结构3的2个开口互补谐振圆环结构3-2，在天线单元之间纵横交错排列。在NFRP天线1周围的任意的一个面内，在平行于天线地板2方向周期排列3个互补开口谐振圆环结构3-2，在垂直于天线地板2方向周期排列4个互补开口谐振圆环结构3-2。通过射频连接器 4给每一个NFRP天线1进行馈电，射频连接器4外导体4-2与天线地板2连接在一起，射频连接器4的内导体4-1与NFRP天线1的耦合贴片1-2连接在一起。

如图2所示，NFRP天线1由介质板材1-1、耦合贴片1-2以及开口谐振方环1-3构成；耦合贴片1-2和开口谐振方环1-3印制在介质板材1-1的两侧。NFRP 天线1安装在天线地板2上，耦合贴片1-2与射频连接器4的内导体4-1焊接在一起，射频连接器4的外导体4-2与天线地板2连接在一起。

如图3所示，精细结构3由介质板材3-1、2个互补开口谐振圆环3-2构成， 2个互补开口谐振圆环印制在介质板材3-1的两侧各一个，并且周期性的排列， 2个互补开口谐振圆环尺寸一样，2个互补开口谐振圆环3-2由外部开口谐振圆环321和内部开口谐振圆环322构成，外部的开口谐振圆环321的外直径为尺寸λ/76，内部开口谐振圆环322的外直径为λ/127，周期排列的2个互补开口谐振圆环之间的间距为λ/31。

下面结合仿真度对本发明的应用效果作详细的描述。

图4为NFRP天线1的仿真的S11曲线和增益方向图，比曲线可知， |S₁₁|_dB≤-10dB的带宽为23MHz左右，相对带宽为1.5％。仿真的增益方向图可知，天线增益为2.3dB左右。

将图1的二维亚波长阵列天线，与时间反演镜天线阵垂直于地面且面对面放置，其中时间反演镜天线阵为由3个对称阵子构成的天线阵，对称阵子间的单元间距为半波长，结合时间反演技术进行超分辨聚焦特性试验。对二维亚波长阵列天线中的每个NFRP天线1进行编号，5×5阵列中第一列为11#-15#，第二列为21#-25#，第三列为31#-35#，第四列为41#-45#，第五列为51#-55#。二维亚波长阵列中任意选择一个NFRP天线，假如选择了33#NFRP天线，当 33#NFRP天线发射信号时，时间反演镜天线阵的每个对称阵子接收信号，并通过时间反演操作后，再通过时间反演镜天线阵的每个对称阵子辐射出去，此时记录二维亚波长阵列天线的每个NFRP天线的接收信号的幅度和相位。

记录的时域信号除了33#NFRP天线天线以外其他NFRP天线接收到的信号都非常小，大致为0.0006左右，而33#NFRP天线接收到的信号为0.0017，信号集中到33#NFRP天线，出现超分辨率的聚焦现象。通信时33#NFRP天线是一个独立的通道，其他天线对它的干扰很小，同样其他NFRP天线通信时与 33#NFRP天线一样保持独立的通道特性，说明结合时间反演技术二维亚波长阵列中每个NFRP天线天线具有相互独立的通道，因此可方便的进行高质量的多天线通信。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种二维亚波长阵列天线，其特征在于，所述二维亚波长阵列天线设置有：

NFRP天线；

所述NFRP天线安装在天线地板上，按照单元间距周期排列；

所述NFRP天线的周围四个面周期排列精细结构，所述精细结构为互补开口谐振圆环结构；互补开口谐振圆环印制在介质板材的两侧；

射频连接器与所述天线地板和所述NFRP天线连接。

2.如权利要求1所述的二维亚波长阵列天线，其特征在于，所述NFRP天线设置有：介质板材、耦合贴片、开口谐振方环；

所述耦合贴片和所述开口谐振方环印制在所述介质板材的两侧。

3.如权利要求1所述的二维亚波长阵列天线，其特征在于，所述单元之间间距为λ/12～λ/2。

4.如权利要求1所述的二维亚波长阵列天线，其特征在于，所述精细结构设置有：介质板材、2个互补开口谐振圆环；

2个互补开口谐振圆环印制在介质板材的两侧各一个，并周期性的排列，外部的开口谐振圆环的外直径为尺寸λ/76，内部开口谐振圆环的外直径为λ/127，周期排列的2个互补开口谐振圆环的间距为λ/31。

5.如权利要求1所述的二维亚波长阵列天线，其特征在于，所述精细结构设置有2个开口互补谐振圆环结构，在NFRP天线之间纵横交错排列；纵横交错排列为在NFRP天线周围的任意的一个面内，在平行于天线地板方向周期排列3个互补开口谐振圆环结构，在垂直于天线地板方向周期排列4个互补开口谐振圆环结构。

6.如权利要求1所述的二维亚波长阵列天线，其特征在于，所述射频连接器的外导体与天线地板连接在一起，射频连接器的内导体与NFRP天线的耦合贴片连接在一起；耦合贴片与射频连接器的内导体焊接在一起。

7.一种使用权利要求1～6任意一项所述二维亚波长阵列天线的无线通信设备。

8.一种使用权利要求1～6任意一项所述二维亚波长阵列天线的雷达终端。