CN111129732A - 一种用于同时同频全双工通信的全息人工阻抗表面 - Google Patents

一种用于同时同频全双工通信的全息人工阻抗表面 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于同时同频全双工通信的全息人工阻抗表面，包括两对半车轮状馈源、位于介质板上的全息人工阻抗表面和位于介质板下的金属地板。两对馈源之间正交放置用于实现正交极化，每对同向馈源之间自然形成180度相位差，只需用同相馈电的方式即可实现差分激励，而且馈电结构简单。本发明波束窄，具有极高的定向性和端口隔离度，从而保证CCFD系统中发射端与接收端自干扰的抑制。本发明相较于传统反射阵天线或天线阵列具有结构简单、定向性强、端口隔离度高、用同相馈电实现差分激励、剖面低、易于实现、成本低等特点。

Description

一种用于同时同频全双工通信的全息人工阻抗表面
技术领域
本发明属于天线及超表面技术领域，具体涉及一种用于同时同频全双工(Co-frequency Co-time Full Duplex，简称CCFD)通信的全息人工阻抗表面(HolographicArtificial Impedance Surface，简称HAIS)。
背景技术
随着无线通信技术的应用和快速发展，无线通信领域已经成为个人和社会必不可少的交互手段。而数据交换的爆炸式增长以及对数据传输速率的需求不断提高，在有限频谱资源的大环境下提高频谱利用率以满足日益增长的无线通信发展需求具有重要意义。一种有效的解决方案是基于同时同频全双工(Co-frequency Co-time Full Duplex，简称CCFD)技术，在相同的通信模式下以相同的载波实现双向通信，相比于频分双工(FrequencyDivision Duplex，简称FDD)和时分双工(Time Division Duplex，简称TDD)，理论上可使频谱利用率提升一倍。天线作为无线通信系统中的重要部件，研究其在CCFD中的应用极其重要。
文献“A Differential-Series-Fed Dual-Polarized Traveling-Wave Arrayfor Full-Duplex Applications”提出了一种用于CCFD的双极化行波天线阵列。该阵列采用一种具有180°相位差的槽线巴伦的移相网络实现差分馈电，进而提高本地收、发机的隔离。由于单元均采用串馈形式，因而馈电网络较为庞大，实际损耗也随之增加。
申请号为201410467998.6的中国发明专利申请“一种同时同频全双工系统的反射阵天线”公开了一款用于CCFD通信的Ku频段反射阵天线，该反射阵收发之间具有较高的隔离度，但其采用多层堆叠贴片结构作为反射阵单元，另一方面，需采用特定的馈源喇叭，剖面较高，结构复杂。
全息人工阻抗表面作为一种超表面结构，有效调控电磁波的同时具有剖面低、损耗低、成本低、易共形等特点，因而，在天线中引入这类结构能克服传统天线的相应不足。
文献“Scalar and Tensor Holographic Artificial Impedance Surfaces”第一次系统地提出了HAIS的设计流程，并对辐射不同极化的电磁波的实现方案进行了讨论。
文献“Isotropic Holographic Metasurfaces for Dual-FunctionalRadiations without Mutual Interferences”公开了两种通过正交馈电的HAIS。分别为具有45°俯仰角，180°和270°方位角的双波束HAIS与具有45°俯仰角，180°方位角的单波束HAIS。但这两种HAIS具有较大的旁瓣，另外，没有对端口隔离情况加以讨论。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种用于同时同频全双工通信的全息人工阻抗表面。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：
一种用于同时同频全双工通信的全息人工阻抗表面，包括全息人工阻抗表面阵面和四个半车轮状馈电结构；全息人工阻抗表面阵面由金属贴片单元周期性排布而成；金属贴片单元包括方形金属贴片1、介质板7和金属地板4；方形金属贴片1位于介质板7的上表面，金属地板4位于介质板7的下表面；
四个半车轮状馈电结构位于介质板7的上表面，四个半车轮状馈电结构分别位于全息人工阻抗表面阵面四边的中心位置；四个半车轮状馈电结构所在的阵面上表面位置处的方形金属贴片缺损；
第一半车轮状馈电结构3与第二半车轮状馈电结构6的结构和朝向相同，第三半车轮状馈电结构2与第四半车轮状馈电结构5的结构和朝向相同；第一半车轮状馈电结构3与第二半车轮状馈电结构6都是开槽的第一半圆形金属贴片，沿第一半圆形金属贴片的弧度方向开有六个梯形槽，每个梯形槽的尺寸相同；第三半车轮状馈电结构2与第四半车轮状馈电结构5都由加载七个矩形枝节的第二半圆形金属贴片与外层的弧形金属条带构成，七个矩形枝节沿第二半圆形金属贴片的径向方向尺寸相同；
不同金属贴片单元的方形金属贴片尺寸不同，金属地板4和方形金属贴片1的边长差为g，g随频率和金属贴片单元的位置变化。
本发明的有益效果是：
(1)本发明首次将全息人工阻抗表面(超表面)应用于同时同频全双工系统中，全息人工阻抗表面具有剖面低、损耗低、易加工、易共形的特点，相较于传统的反射阵天线，抛物面天线等，能够有效地减小同时同频全双工系统的重量、体积以及复杂度。
(2)本发明首次采用新颖的半车轮状馈电结构，并将其应用于全息人工阻抗表面领域。一方面，相较于用传统单极子作为馈源天线，该馈电结构保证馈电性能的同时大大降低了结构剖面与加工难度。另一方面，同一极化方向上的两个馈源天线天然地形成了180°相差，相较于传统的天线阵列，避免了复杂的馈电网络。
(3)本发明所利用的全息人工阻抗表面，具有窄波束、定向性高的特点。在工作时能够辐射笔形波束而不需人工干涉，能够有效地保证发射端与接收端自干扰的抑制、外界电磁波互干扰的抑制。
附图说明
图1为实施例所述全息人工阻抗表面的俯视图；
图2为实施例所述全息人工阻抗表面的侧视图；
图3为实施例中金属贴片单元的示意图；
图4为实施例中金属地板和方形金属贴片的边长差为g随单元表面阻抗变化的拟合曲线；
图5为实施例中第三半车轮状馈电结构与第四半车轮状馈电结构的示意图；
图6为实施例中第一半车轮状馈电结构与第二半车轮状馈电结构的示意图；
图7为实施例所述全息人工阻抗表面的S参数曲线图；
图8为实施例所述全息人工阻抗表面的E面辐射方向图；
图9为实施例所述全息人工阻抗表面的H面辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
本实施例提供一种用于同时同频全双工通信的全息人工阻抗表面，其俯视图和侧视图分别如图1和图2所示，中心频率为15GHz，包括全息人工阻抗表面阵面和四个半车轮状馈电结构；全息人工阻抗表面阵面的大小为195mm×195mm，初始阵元个数为65×65，对馈电结构处缺损的阵元进行考察后，最终阵元个数确定为4169；所述的金属贴片单元呈对称排布，两对激励装置分别置于x轴与y轴上，其目的是通过两个端口差分馈电，在阵面中心处的法向辐射水平(x轴)或垂直(y轴)极化电磁波。另外，激励装置采用半车轮状的原因，一方面车轮状可以“饼圈状”的方式进行电磁耦合与辐射，实现对金属贴片单元以表面波的形式馈电、进而传播、最终辐射。另一方面，将两个半弧形馈电装置以相同弧向放在同一极化方向上，即可天然形成180°相差，有效地避免了移相网络。基于此，对同一极化方向上的馈源同相激励，该全息人工阻抗表面便可在阵面法向上的辐射笔形波束。
具体结构如下：
全息人工阻抗表面阵面由金属贴片单元周期性排布而成；金属贴片单元的示意图如图3所示，包括方形金属贴片1、介质板7和金属地板4；方形金属贴片1位于介质板7的上表面，金属地板4位于介质板7的下表面；方形金属贴片1的边长为(3-g)mm，金属地板4的边长为3mm，介质板7的厚度h＝1.5mm，相对介电常数εr＝2.65；
四个半车轮状馈电结构位于介质板7的上表面，四个半车轮状馈电结构分别位于全息人工阻抗表面阵面四边的中心位置；四个半车轮状馈电结构所在的阵面上表面位置处的方形金属贴片缺损；
第一半车轮状馈电结构3与第二半车轮状馈电结构6的结构和朝向相同，第三半车轮状馈电结构2与第四半车轮状馈电结构5的结构和朝向相同；第一半车轮状馈电结构3、第二半车轮状馈电结构6、第三车轮状馈电结构2与第四半车轮状馈电结构5分别位于阵面的右边、上边、左边、下边的中心位置；
第一半车轮状馈电结构3与第二半车轮状馈电结构6都是开槽的第一半圆形金属贴片，其结构示意图如图6所示，沿第一半圆形金属贴片的弧度方向开有六个梯形槽，每个梯形槽的尺寸相同；圆心到末端的距离为7.07mm，开有6个梯形槽，每个梯形槽上底为0.48mm，下底为1.27mm，高为1.5mm；其尺寸大约为息人工阻抗表面阵元的13倍，因此在该处应有13个阵元的缺损。缺损阵元的数目与馈电结构的尺寸相关，主要原则为防止阵元与馈电结构接触而影响表面波的传播；
第三半车轮状馈电结构2与第四半车轮状馈电结构5都由加载七个矩形枝节的第二半圆形金属贴片与外层的弧形金属条带构成，其结构示意图如图5所示，七个矩形枝节沿第二半圆形金属贴片的径向方向尺寸相同；内层半圆形从圆心到枝节末端距离为6.56mm，从圆心到外层弧形金属条带的距离为7.06mm；该结构处应有15个阵元的缺损；弧形金属条带的宽度为0.12mm。
对于同一极化方向，两种馈电结构位于全息人工阻抗表面阵面边缘，其中心与阵面中心位于同一直线上。采用该馈电方案可有效地对金属贴片单元以表面波的形式馈电、进而传播、最终辐射。另外，将两个半弧形馈电装置以相同弧向放在同一极化方向上，即可天然形成180°相差，避免了移相网络。
不同金属贴片单元的方形金属贴片尺寸不同，金属地板4和方形金属贴片1的边长差为g，g随频率和金属贴片单元的位置变化。
确定上述尺寸和参数后，对用于同时同频全双工系统的全息人工阻抗表面进行建模与仿真。
对金属贴片单元进行阻抗提取：
以g作为变量，在电磁仿真软件中设置弗洛奎周期边界条件进行仿真，得到一组g与金属贴片单元表面阻抗Zsurf的对应数据，通过数值计算软件进行曲线拟合，建立g与表面阻抗Zsurf的关系，拟合曲线如图4所示：
Zsurf＝-209.5×g3+533.5×g2-504×g+344.6 (1)
建立全息阵面：
设阵面中心为坐标原点，水平、垂直方向分别为x轴与y轴，两对馈电结构3、2与5、6分别记为端口1、端口3与端口2、端口4，其距离坐标原点d1、d3与d2、d4，则馈源的场可表示为：
Figure BDA0002335341140000051
Figure BDA0002335341140000052
Figure BDA0002335341140000053
Figure BDA0002335341140000054
其中，x和y分别为横纵坐标，kt为位于全息人工阻抗表面上的横向传播常数，kt＝302m-1，
Figure BDA0002335341140000055
为馈源的初始相位；
4个端口馈电后达到的辐射效果相同，因此辐射场形式相同：
Figure BDA0002335341140000056
其中，ψobj为全息人工阻抗表面中辐射波场，k为自由空间波的传播常数，
Figure BDA0002335341140000057
是辐射波束的方位角，θL是辐射波束的俯仰角，
Figure BDA00023353411400000510
是辐射波束的相位，φr＝0时为线极化，φr＝arcos[y/(xw+y2)1/2]时为圆极化；
根据不同的x，y确定不同位置上阵元的表面阻抗：
Figure BDA0002335341140000058
其中，
Figure BDA0002335341140000059
M＝0.3，Re表示取实部，上标*表示取共轭；
至此，将式(1)与式(4)联立，即可根据需求的辐射场与设定的馈源场得到不同位置上金属贴片所对应的g，进而得到金属贴片尺寸，从而得到全息人工阻抗表面。
图7为全息人工阻抗表面的S参数曲线图，从仿真结果可知，本实施例在13.9GHz～15.5GHz满足|Sii|≤-10dB，i＝1，2，3，4。端口隔离度均满足40dB。证明其可以满足“CCFD”的隔离需求。当激励起水平极化的电磁波时，E面辐射方向图如图8所示，增益达到13.8dBi，对于负方向旁瓣抑制度可打15dB以上，而右侧正方向的旁瓣较高是由于馈电结构的不一致性导致的不对称性，可通过调节馈电结构和改变阵面排布进行优化；H面辐射方向图如图9所示。
本发明所提出的用于全双工的全息人工阻抗表面，是第一次将全息人工阻抗表面用于全双工系统，也是第一次将具有周期结构的超表面应用于全双工系统的研究。全息人工阻抗表面相较于传统的天线阵列方案，剖面低、重量轻、易共形，且无需复杂的馈电网络。因此将其用于同时同频全双工系统能够有效地简化系统结构。另一方面，本发明第一次设计了提出了半车轮状馈电结构，相较于用于全息人工阻抗表面领域传统的馈源天线(单极子、喇叭等)，本馈电结构新颖、剖面低、易实现，提供表面波的同时天然具有差分馈电效果。从本发明实施案例可知，该构思方案均得到了有效验证，因此，本发明具有极大的潜力与研究前景。
本发明的阵面单元结构包括但不限于本实施例所述的方形贴片，还包括开缝的方形贴片、矩形(可开缝)、圆形(可开缝)等其他形状。
本发明的馈电结构包括但不限于本实施例所述的半车轮状金属贴片，还包括半圆形、半圆环和半弧形贴片等。
本发明的两对馈电结构放置位置包括但不仅限于图1所示的阵面边缘，还可选择沿x轴和y轴靠近阵面中心，或远离阵面中心；也可选择与x轴(y轴)有一定夹角的方向上；另外，同一极化上的馈电装置位置包括但不仅限于对称分布，可距离阵面中心不同，具体馈电结构放置位置参考馈电方式、馈电幅度、极化需求、辐射波的方位角与俯仰角等。
本发明的金属贴片单元的排布包括但不限于沿着阵面中心、对称轴呈对称分布，还包括不对称、非规律性的排布，具体的排布方式需参考极化方式、馈电位置与方式、辐射波的俯仰角与方位角。

Claims (3)

1.一种用于同时同频全双工通信的全息人工阻抗表面，其特征在于，包括全息人工阻抗表面阵面和四个半车轮状馈电结构；全息人工阻抗表面阵面由金属贴片单元周期性排布而成；金属贴片单元包括方形金属贴片(1)、介质板(7)和金属地板(4)；方形金属贴片(1)位于介质板(7)的上表面，金属地板(4)位于介质板(7)的下表面；
四个半车轮状馈电结构位于介质板(7)的上表面，四个半车轮状馈电结构分别位于全息人工阻抗表面阵面四边的中心位置；四个半车轮状馈电结构所在的阵面上表面位置处的方形金属贴片缺损；
第一半车轮状馈电结构(3)与第二半车轮状馈电结构(6)的结构和朝向相同，第三半车轮状馈电结构(2)与第四半车轮状馈电结构(5)的结构和朝向相同；第一半车轮状馈电结构(3)与第二半车轮状馈电结构(6)都是开槽的第一半圆形金属贴片，沿第一半圆形金属贴片的弧度方向开有六个梯形槽，每个梯形槽的尺寸相同；第三半车轮状馈电结构(2)与第四半车轮状馈电结构(5)都由加载七个矩形枝节的第二半圆形金属贴片与外层的弧形金属条带构成，七个矩形枝节沿第二半圆形金属贴片的径向方向尺寸相同；
不同金属贴片单元的方形金属贴片尺寸不同，金属地板(4)和方形金属贴片(1)的边长差为g，g随频率和金属贴片单元的位置变化。
2.根据权利要求1所述的用于同时同频全双工通信的全息人工阻抗表面，其特征在于，全息人工阻抗表面阵面由金属贴片单元呈为65×65周期排布而成，金属地板(4)的边长为3mm，介质板(7)的厚度h＝1.5mm，相对介电常数εr＝2.65；第一半圆形金属贴片的圆心到末端的距离为7.07mm，梯形槽上底为0.48mm，下底为1.27mm，高为1.5mm；第二半圆形金属贴片的内层半圆形从圆心到枝节末端距离为6.56mm，从圆心到外层弧形金属条带的距离为7.06mm；弧形金属条带的宽度为0.12mm。
3.根据权利要求2所述的用于同时同频全双工通信的全息人工阻抗表面，其特征在于，g的求取方法为：
对金属贴片单元进行阻抗提取：
以g作为变量，在电磁仿真软件中设置弗洛奎周期边界条件进行仿真，得到一组g与金属贴片单元表面阻抗Zsurf的对应数据，通过数值计算软件进行曲线拟合，建立g与表面阻抗Zsurf的关系：
Zsurf＝-209.5×g3+533.5×g2-504×g+344.6 (1)
建立全息阵面：
设阵面中心为坐标原点，水平、垂直方向分别为x轴与y轴，两对馈电结构(3、2与5、6)分别记为端口1、端口3与端口2、端口4，其距离坐标原点d1、d3与d2、d4，则馈源的场可表示为：
Figure FDA0002335341130000021
其中，x和y分别为横纵坐标，kt为位于全息人工阻抗表面上的横向传播常数，kt＝302m-1，
Figure FDA0002335341130000022
为馈源的初始相位；
4个端口馈电后达到的辐射效果相同，因此辐射场形式相同：
Figure FDA0002335341130000023
其中，ψobj为全息人工阻抗表面中辐射波场，k为自由空间波的传播常数，
Figure FDA0002335341130000024
是辐射波束的方位角，θL是辐射波束的俯仰角，
Figure FDA0002335341130000025
是辐射波束的相位，φr＝0时为线极化，φr＝arcos[y/(x2+y2)1/2]时为圆极化；
根据不同的x，y确定不同位置上阵元的表面阻抗：
Figure DEST_PATH_BDA0002335341140000058
其中，
Figure FDA0002335341130000026
M＝0.3，Re表示取实部，上标*表示取共轭；
至此，将式(1)与式(4)联立，即可根据需求的辐射场与设定的馈源场得到不同位置上金属贴片所对应的g。
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