CN110323570A - 一种基于超材料的宽频带天线隔离器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于超材料的宽频带天线隔离器，其应用于天线阵列的隔离性能提升，在对天线性能影响很小的情况下，可以实现更高的隔离度，可以明显的缩小天线阵列体积将其放在天线之间，在提高天线之间隔离度同时还能最小程度的影响天线的馈电性能。单个天线周围，都会有各自强烈的场分布，在它们相距过近的时候，其场会相互影响，使得天线的辐射性能受到影响。本发明利用金属谐振单元固定在介质基板上，基于天线的极化方式，放着天线隔离板，利用谐振单元对近场辐射的抑制有效的在4G(1.8GHz‑2.6GHz)频段实现‑10dB左右的隔离。能够在缩小天线间距离的同时保持天线间的高隔离度，使得天线实现小型化。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种宽频带工作的超材料电磁谐振天线隔离方法，尤其涉及一种宽频带工作的天线隔离的器件。
背景技术
超材料是现在的新兴领域，它是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料，通过周期排列的亚波长结构阵列可以实现自然材料不具备的奇异物理特性，从而应用它在物理、电子、食品、生物、医学等科学领域提供了新的突破。
伴随着电子技术的高速发展，人们对于雷达、无线通讯技术、及通讯系统小型化和通讯质量提出了更高的要求。在车载天线领域，智能化和信息化的不断深入，车载天线的数量和种类不断增多，为了保证各个天线之间的互扰足够小，多天线体系之间的电磁隔离要求不断提高，在保留原始天线体系大小不变或是变小的情况下，如何保证天线之间的隔离成为了一个重要的课题。
密集排布的车载天线之间的耦合(近场耦合)与距离的三次方成反比(远场为二次方)，任何器件的工作状态都受到该互耦的影响。对于对电磁场收发敏感的天线本身，这个影响更为明显，一般情况下，对于两个靠近的并独立工作的天线，这种强耦合视为一种噪声，需要通过隔离等手段加以抑制。
天线隔离的方式主要包括极化隔离，填充结构隔离与馈电网络隔离等方式，除此之外，近二十年来超材料的快速发展，通过人工精巧设计的周期结构表现出传统材料不具备的奇异特性，赋予了材料和结构研究的新思路，由此发展出一系列具有奇异性能的超材料(Metamaterials)。这类新型材料的特点在于其奇异的宏观特性源于微结构构型的精巧设计而非结构本身的材料属性。金属或介电基人工微结构在电磁波/光波的激励下可表现出负的电磁参数(负介电常数、负折射率、负磁导率等)，极大拓展了对电磁波/光波调控方式的理解范畴，促使超透镜、隐身斗篷等新型电磁功能器件的发展。其中超材料应用最多的领域就是天线，利用近零折射材料实现天线辐射特性的调控，利用电磁超表面实现天线小型化研究。等效参数的独特性和可剪裁性，使得超材料在各类波(场)的调制中扮演着重要角色。
结合超材料独特的电磁相应行为，基于天线阵列的辐射模式，合理的调控超材料谐振单元的尺寸和空间位置，可以有效的在特定需求的频段减弱天线阵列之间的互耦，从而可以有效提高天线隔离度，或是缩小天线阵列的间距。
针对4G多天线系统进一步小型化中互耦的问题，基于本研究团队前期在功能超材料、超表面及其在电磁辐射控制以及复杂结构中的电磁互耦方面应用的研究基础，本发明设计和制备针对4G信号的LTE天线的宽带超材料隔离器，在LTE天线阵列之间放置超材料隔离层使得其在天线工作的宽频段内显著减弱天线之间的互耦，提高隔离度，在不影响天线基本的性能的条件下实现天线阵列的小型化。
发明内容
要解决的技术问题
为了解决现有技术的隔离频带窄、隔离效果差、会影响原天线的的辐射性能，本发明提出一种基于超材料的宽频带天线隔离器，考虑天线阵列的辐射模式，选取了超材料谐振单元的结构，印刷于隔离器基板上，且保证超材料谐振单元放置方向与辐射电场方向垂直(即与天线阵列放置平面垂直)，放置于天线基板之上，可以实现在1.3GHz-2.6GHz频段提高5dB以上的隔离度提高(通过合理改变开口环尺寸，可以实现在其他频段的有效隔离)。
技术方案
一种基于超材料的宽频带天线隔离器，其特征在于位于两个天线之间放置于天线地板上，且与天线基板的方向垂直时，包括超材料谐振单元和介质基板，超材料谐振单元印刷在介质基板表面；超材料谐振单元形状为开口环，开口环的位置设置在环的底边中心处，开口方向指向天线地板，开口环的总长度为一个波长，宽度为1mm，开口的长度为1mm。
所述的开口环为三角形、圆形、矩形、菱形或椭圆形形状。
所述的超材料谐振单元为金属材料。
所述的介质基板的材料为teflon、FR4或F4B。
有益效果
本发明提出的一种基于超材料的宽频带天线隔离器，本发明不用于以往通过在介质板上做设计抑制表面波的传输，而是主要在空间上对于天线之间的电磁干扰起到抑制作用，利用超材料独有的奇异物理特性使得在提高天线间隔离度的同时最小程度的影响其馈电性能。有益效果如下：
1.本发明基于金属结构谐振实现近场调控的特性，利用超材料谐振单元和天线阵列之间的电磁场耦合，通过超材料隔离板的谐振特性实现了1.3-2.6 GHz的5dB以上的隔离度提高。
2.本发明需要制备相应尺寸和结构的样品，加工技术成熟，成本可控，可实现高效率的微波调制，性能稳定。
3.本发明中加入超材料隔离板之后，缩小天线阵列之间的间距仍可以实现宽频带(1.3-2.6GHz)高效的隔离，减弱天线阵列之间的相互干扰。
附图说明
图1是本发明中基于超材料的天线隔离器结构图。
图2是本发明中超材料的天线隔离器于4G天线阵列放置示意图。
图3是本发明中超材料隔离器的谐振特性示意图。
图4是本发明中加入超材料隔离器后的天线真的隔离度变化示意图。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
研究发现超材料、超表面及其在电磁辐射控制以及复杂结构中的电磁互耦方面应用的研究基础，天线之间放置超材料隔离层使得其在天线工作的多个频段内显著减弱天线之间的互耦，提高隔离度，实现天线组整体物理尺寸的减小。本发明利用金属结构的电磁谐振，依据天线近场的场分布情况，设计对应形状尺寸的超材料电磁谐振单元隔离器，使得超材料电磁谐振单元工作频率与天线阵列工作频率相近，从而抑制天线阵列之间的近场耦合，提高天线的隔离度，减小天线阵列之间的宽频带互扰。
本发明的原理结构实现如附图2：天线阵列，选用市面上普通的4G车载天线，其工作频率主要在4G频段其中频率范围为1.8-2.6 GHz，为双天线单元阵列，分别对天线进行了仿真建模计算和实验测试，发现其天线阵列之间隔离度在1.8-2.6 GHz频段约为-15dBi.结构如附图1：超材料隔离板示意图，为开口环金属印刷在teflon基底上，考虑4G天线阵列的近场电场场分布，选择隔离板的开口谐振环的开口朝天线地板方向放置，基于隔离板中超材料单元的谐振特性，从而可以有效抑制天线之间的互耦，提高天线阵列之间的隔离度。性能如附图3，超材料隔离板的谐振特性，基于所需的工作频率要求，通过对其结构参数优化设计在4G频段附近可以有效工作的谐振单元。考虑超材料隔离板与天线阵列之间的互耦，如附图4所示，将超材料隔离板放置于天线阵列之间，对比天线阵列的谐振特性变化，可以看出其隔离度在1.8-2.6 GHz频段出现5dB以上的提高。说明超材料隔离板有效的降低了天线阵列之间的隔离度，对于目前天线阵列的小型化的发展趋势提供了高效的办法。
参照图1-4，本发明宽频带超材料天线隔离器，其特点是超材料谐振单元1固定在介质基板2上，介质基板2垂直置于天线地板上。
本发明应用于降低多天线体系系统的互耦。在多天线体系中，由于近场辐射的原因，存在天线之间的相互耦合，基于此设计电磁谐振单元隔离板可以有效降低天线之间的隔离度。电磁谐振单元1固定在介质基板2上，当电磁谐振单元1开口与天线极化方向平行时，可以实现单频段超高隔离，在电磁谐振单元1开口于电场垂直时，可以实现宽频隔离。所述的天线可以是任意线性极化的天线阵列，基于天线工作频率适当调整电磁谐振单元尺寸即可。
具体设计方法包括如下步骤：选择衬底、确定单元尺寸、确定形状、研究超材料隔离器和天线耦合机理、制备基于超材料的隔离器。
实施例1：(1)选择衬底：选择低介电损耗、低介电常数的印刷电路板材料，可以是teflon，FR4，F4B等低损耗的介质基材料。
(2)确定单元尺寸：根据天线的工作频率确定超材料结构的总长度为工作频段的一个波长；
(3)确定形状：超材料微结构可供选择的图形较多，可以是三角形、圆形、矩形、菱形、椭圆形形状，但是其又各有差异，应该根据实际的天线罩形状来选择合适图形，确保超材料隔离器工作的区域和强度能够达到预期的要求。
(4)研究超材料隔离器和天线耦合机理：单个天线的辐射场可以通过其方向图及场图大概分析出来，但是多个天线耦合在一起后的辐射图就比较复杂，再加上超材料隔离器之后，对其原来的辐射图会有一定的影响，通过反复的仿真和实验来研究超材料隔离器对天线对辐射场的影响，确定超材料隔离器位于两个天线之间放置于天线地板上，且与天线基板的方向垂直时，其隔离效果最优。
(5)制备基于超材料的隔离器：在选定了衬底和确定了超材料结构的图形和尺寸之后，在印刷电路板材料上打印所需的超材料结构，按照(4)所述方式放置。
由于采用了基于超材料的隔离器，本发明改变了以往传统只能通过抑制表面波的形式来增加天线对之间的隔离，通过在天线对间加入超材料隔离器的手段，在空间上提高天线对之间的隔离度。又由于隔离器是基于超材料的缘故，其亚波长的特性使得在天线对之间加入超材料隔离器之后并不会使得原本的尺寸变大，反而在相同隔离度的条件之下能够使得天线对之间的距离更小。通过研究超材料隔离器与天线对之间的耦合机理，改变超材料隔离器自身参数起到提高天线对之间隔离度的作用。
如图1所示，其中对应的超材料结构为方形开口环，其中l＝44mm，w＝40mm，d＝1mm，g＝1mm,当其放置于图2中两个天线之间天线地板上，且与天线基板的方向垂直时，天线隔离明显提升如图4所示。
Claims (4)
1.一种基于超材料的宽频带天线隔离器，其特征在于位于两个天线之间放置于天线地板上，且与天线基板的方向垂直时，包括超材料谐振单元(1)和介质基板(2)，超材料谐振单元(1)印刷在介质基板(2)表面；超材料谐振单元(1)形状为开口环，开口环的位置设置在环的底边中心处，开口方向指向天线地板，开口环的总长度为一个波长，宽度为1mm，开口的长度为1mm。
2.根据权利要求1所述的一种基于超材料的宽频带天线隔离器，其特征在于所述的开口环为三角形、圆形、矩形、菱形或椭圆形形状。
3.根据权利要求1所述的一种基于超材料的宽频带天线隔离器，其特征在于所述的超材料谐振单元(1)为金属材料。
4.根据权利要求1所述的一种基于超材料的宽频带天线隔离器，其特征在于所述的介质基板(2)的材料为teflon、FR4或F4B。
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