CN111430936B - 一种基于超表面的5g mimo多波束天线 - Google Patents

一种基于超表面的5g mimo多波束天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于超表面的5G MIMO多波束天线，由上至下依次包括辐射超表面和馈电网络，超表面和馈电网络中间是高度为h的空气层。其中辐射超表面由上层超表面、一号介质基板和下层超表面组成；馈电网络包括辐射贴片层、二号介质基板、接地板、三号介质基板、馈电微带层；馈电网络部分的辐射贴片层印刷在二号介质基板的上表面，其下表面印刷带缝隙的接地板，三号介质基板上表面与二号介质基板紧密贴合，下表面印刷四条呈旋转对称的微带线。整个超表面天线的结构是呈中心对称的，激励四个馈电端口辐射的四个笔形波束也是旋转对称的。本发明适用于现代无线通信领域，尤其在选择性波束覆盖的应用中有很大的应用前景。

Description

一种基于超表面的5G MIMO多波束天线
技术领域
本发明涉及5G无线通信领域，尤其涉及一种基于超表面的5G MIMO多波束天线。
背景技术
多波束天线在无线通信领域具有很大的发展空间，尤其在需要选择性波束覆盖的应用中被广泛采用。这种天线具有许多优点，例如减少多径衰落、最小化射频干扰，以及实现波束定向等，因此，现在通讯系统中，多波束天线被广泛应用于监视系统、无线和卫星通信、智能天线、多普勒无线电导航和无线电高度计等领域。
早期的多波束天线通过阵列元件或者Butler矩阵实现，(Ge Tian,et al.,“ANovel Compact Butler Matrix Without Phase Shifter,”IEEE microwave andwireless components letters,vol.24,no.5,2014)然而此类多波束天线的结构复杂，而且体积庞大。超材料出现以后，因其具有负折射和零折射等独特的电磁特性，而且还可以通过任意调整介电常数和磁导率来操纵电磁波传播，因此超材料为多波束天线的实现开辟了一条新的路径，(Abdolmehdi Dadgarpour,et al. “Beam-Deflection Using GradientRefractive-Index Media for 60-GHz End-Fire Antenna”.IEEE Transactions onAntennas and Propagation,”63(8),3768-3774, 2015)，然而，利用超材料组成的器件往往成本较高，材料损耗严重，体积大，剖面高，且在波束控制方面有一定的局限性。
发明内容
为了解决目前多波束天线存在体积大，结构复杂的问题，提供一种基于超表面的5G MIMO多波束天线，采用改进的高阻抗超表面的小型化、低剖面多波束天线。
为实现本发明目的而提供的一种基于超表面的5G MIMO多波束天线，包括有从上而下依次设置的辐射超表面与馈电网络两部分，所述辐射超表面与馈电网络中间形成厚度为h的空气层，所述辐射超表面从上而下依次包括有上层超表面、一号介质基板、下层超表面，且上层超表面、一号介质基板、下层超表面的中心在一条竖直线上，所述上层超表面与下层超表面具有相同结构并且二者分别贴装在一号介质基板的上、下表面，所述上层超表面与下层超表面均设置有呈2×2阵列方式排列的四组辐射单元，四组辐射单元依次绕一号介质基板中心旋转90度设置，每组辐射单元均包括七组呈U形排列的方形贴片，并且上层超表面与下层超表面的U形两臂上对应的方形贴片通过内嵌在中心的短路探针相连，所述馈电网络从上而下依序设置有中心在一条竖直线上的辐射贴片层、二号介质基板、方形接地板、三号介质基板、馈电微带层，方形接地板与馈电微带层之间设置有四个馈电端口，所述辐射贴片层印刷在二号介质基板的上表面，包括呈2×2阵列方式排列的四个菱形贴片，所述二号介质基板背面印刷有带缝隙的方形接地板，方形接地板上刻蚀了四个矩形缝隙，四个所述矩形缝隙依次绕方形接地板中心旋转90度设置，所述馈电微带层包括依次绕三号介质基板中心旋转90度设置的四条微带线，每条微带线的一端位于三号介质基板边缘，另外一端位于延伸到矩形缝隙的下方，并通过矩形缝隙和菱形贴片为上层超表面与下层超表面馈电。
本发明的有益效果是：
与现有技术相比，进入工作状态后，当馈电端口被激励时，电磁波通过微带线传输，通过缝隙耦合到菱形辐射贴片上，然后，由贴片辐射的部分电磁波通过方形贴片间的间隙透射出去，另一部分电磁波在方形接地板和辐射超表面之间的空气层内进行多次反射，由于方形接地板和方形贴片之间的距离约为λ/4，他们之间的相位差约为π/2，所以接地板反射的电磁波和方形贴片辐射的电磁波可以实现同相叠加，因此加载超表面以后，天线的增益有明显的提高，而且天线的效率也有所提高。与其他多波束天线相比，本发明中利用简单的馈电微带层和由方形贴片组成的超表面实现了波束成形，窄化了波束宽度，提高了天线的增益，避免使用复杂的馈电网络或者复杂的阵列元件，大大减小了多波束天线的体积，所实现天线的谐振频率在7.5GHz，最大辐射波束指向
Figure GDA0003203396740000031
Figure GDA0003203396740000032
(+98°,36°)(+188°,36°)(+278°,36°)，增益达到了10.80dBi。
附图说明
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明，其中：
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明在加载不同元件时仅激励端口一的反射系数S11示意图；
图3是本发明的基于超表面的多波束缝隙天线和超表面天线(在7.5GHz 处的E面辐射方向示意图；
图4是本发明的基于超表面的多波束缝隙天线在7.5GHz处的H面辐射方向示意图；
图5是波束旋转不同角度时E面辐射方向示意图；
图6是波束旋转不同角度时H面辐射方向示意图；
图7是用HFSS仿真获取的超表面天线的S参数示意图；
图8是在7.5GHz处本发明在加载超表面后分别激励馈电端口一和三时得到的E面(方位角φ＝8°截面)辐射方向示意图；
图9是在7.5GHz处本发明在加载超表面后分别激励馈电端口二和四时得到的的E面(方位角φ＝98°截面)辐射方向示意图；
图10是在7.5GHz处本发明在加载超表面后分别激励四个馈电端口得到的的H面(俯仰角θ＝36°截面)辐射方向示意图；
图11是本发明中四波束天线的增益随着频率变化示意图。
具体实施方式
如图1所示，为基于超表面的多波束天线，包括有从上而下依次设置的辐射超表面1与馈电网络2两部分，辐射超表面1与馈电网络2中间形成厚度为h 的空气层，辐射超表面1从上而下依次包括有上层超表面3、一号介质基板4、下层超表面5，且上层超表面3、一号介质基板4、下层超表面5的中心在一条竖直线上，上层超表面3与下层超表面5具有相同结构并且二者分别贴装在一号介质基板4的上、下表面，上层超表面3与下层超表面5均设置有呈2×2阵列方式排列的四组辐射单元6，四组辐射单元6依次绕一号介质基板4中心旋转 90度设置，每组辐射单元6均包括七组呈U形排列的方形贴片7，并且上层超表面3与下层超表面5的U形两臂上对应的方形贴片7通过内嵌在中心的短路探针8相连。加载短路探针8可以减小波束宽度，抑制旁瓣，提高天线的增益，提高波束的方向性；
馈电网络2从上而下依序设置有中心在一条竖直线上的辐射贴片层9、二号介质基板10、方形接地板11、三号介质基板12、馈电微带层13，方形接地板 11与馈电微带层13之间设置有四个馈电端口16，辐射贴片层9印刷在二号介质基板10的上表面，包括呈2×2阵列方式排列的四个菱形贴片，二号介质基板 10背面印刷有带缝隙的方形接地板11，方形接地板11上刻蚀了四个矩形缝隙 15，四个矩形缝隙15依次绕方形接地板11中心旋转90度设置，馈电微带层13 包括依次绕三号介质基板12中心旋转90度设置的四条微带线，每条微带线的一端位于三号介质基板12边缘，另外一端位于延伸到矩形缝隙15的下方，并通过矩形缝隙15和菱形贴片为上层超表面3与下层超表面5馈电。
附图2是本发明在加载不同元件时仅激励端口一的反射系数S11示意图。曲线1为加载辐射超表面1以后的反射系数S11，曲线2表示加载带有菱形辐射贴片14的二号介质基板10后的反射系数S11，曲线3表示只有微带缝隙馈电单元工作时的反射系数S11，通过图2可以看出：通过加载印刷有菱形辐射贴片14 的二号介质基板10，其谐振频率从14.5GHz降低到7.5GHz，再加载由方形贴片7和短路探针8组成的超表面后，虽然天线的谐振频率仍在7.5GHz，但是其深度达到-31.96dB。
附图3和附图4分别是基于超表面的多波束缝隙天线和超表面天线在7.5 GHz处的E面和H面辐射方向图。两图中的曲线1均为不加载辐射超表面1的情况下，只有基本天线工作时的E面和H面辐射方向示意图；曲线2为加载超表面以后的天线E面和H面辐射方向图，由于整个天线呈中心对称结构，因此以端口一为例进行仿真分析，其他端口的结果与端口一相似，在此图中不予显示。工作时激励端口一，设置其中心频率为7.5GHz，从图3和4可以看出：不加载超表面时，其辐射方向图是接近半球形，波束最大辐射方向朝向正z轴，而且波束宽度较宽。加载超表面以后，波束宽度明显变窄，波束更加聚集，方向性更强。
附图5和附图6主要讨论了影响天线性能的因素，以端口一为例，分别仿真了改变超表面天线的几何结构，对天线的波束宽度和辐射方向的影响。图5 为水平方向上(沿方位角
Figure GDA0003203396740000051
)波束变化示意图，图6为垂直方向上(沿俯仰角θ) 波束变化示意图。图中曲线1、曲线2、曲线3分别是波束最大辐射方向在(方位角
Figure GDA0003203396740000052
俯仰角θ)＝(0°,35°)、(8°,36°)(19°,41°)时的辐射方向图，从图5和6 可知：辐射波束最大方向在水平方向上动态变化的范围为0°-19°，在垂直方向上波束动态变化范围有6°左右；随着波束旋转角的增大，水平方向波束宽度也越来越大，垂直方向上的波束宽度变化很小。
附图7是本发明中用HFSS仿真获取的S参数示意图。图中曲线1表示分别激励四个馈电端口16时天线的反射系数。四个端口的反射系数随频率变化的曲线基本上是重合的，因此，此图中只显示S11。图7中还给出了天线隔离度示意图，图中曲线2、3、4分别表示在激励端口一时，天线端口一到端口二、三、四的隔离度S12、S13、S14。由图7可知：天线的谐振频率均在7.5GHz，四个端口的反射系数S11、S22、S33、S44的值约为-30dB左右。在4.5-10.5GHz频带范围内，由于天线结构是中心对称的，S12与S14基本重合，并且隔离度S12、S13、 S14均小于-18dB,(其他端口的隔离度结果与端口1相似，在此图中不予显示)。
附图8和附图9是本发明在加载超表面后分别激励四个馈电端口16得到的的E面辐射方向示意图。图8是分别激励天线端口一和端口三时，在方位角φ＝ 8°截面内得到的辐射方向图，曲线1表示只激励端口一时，辐射的波束，曲线2 表示只激励端口三时，辐射的波束，两个波束与z轴夹角都为36°；图9是激励天线端口二和端口四时，在方位角φ＝98°截面内，仿真得到的辐射方向图，曲线1表示激励端口二辐射的波束，曲线2表示激励端口四辐射的波束，两个辐射波束向z轴两侧倾斜。由于天线整体结构中心对称，四个波束的形状和增益基本相同，只是朝向不同。
附图10为本发明在加载超表面后分别激励四个馈电端口16得到的的H面 (θ＝36°截面)辐射方向示意图。曲线1表示激励端口一和二辐射的波束，曲线2表示激励端口三和四辐射的波束，综合图8和图9可知：该天线四个波束的最大辐射方向分别在(方位角
Figure GDA0003203396740000061
俯仰角θ)＝(8°,36°),(98°,36°),(188°,36°), (278°,36°)，波束指向效果较好，旁瓣较低，波束宽度也比较窄，而且垂直方向的波束宽度要小于水平方向上波束宽度，四个端口激励的波束的增益都在10.80 dBi左右。
附图11给出了本发明中四波束天线的增益随着频率变化的曲线图，在此以端口一为例，在方位角
Figure GDA0003203396740000071
俯仰角θ＝36°时，用HFSS软件仿真了频率从4.5 GHz到10.5GHz的范围内，天线的增益随着频率的变化，从图11中可以看出：天线的增益在7.5GHz时达到最大，其值达到了10.80dBi，而且在其他频率范围内，天线增益下降的较快。
以上实施例不局限于该实施例自身的技术方案，实施例之间可以相互结合成新的实施例。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明技术方案的范围内。

Claims (1)

1.一种基于超表面的5G MIMO多波束天线，其特征在于：包括有从上而下依次设置的辐射超表面与馈电网络两部分，所述辐射超表面与馈电网络中间形成厚度为h的空气层，所述辐射超表面从上而下依次包括有上层超表面、一号介质基板、下层超表面，且上层超表面、一号介质基板、下层超表面的中心在一条竖直线上，所述上层超表面与下层超表面具有相同结构并且二者分别贴装在一号介质基板的上、下表面，所述上层超表面与下层超表面均设置有呈2×2阵列方式排列的四组辐射单元，四组辐射单元依次绕一号介质基板中心旋转90度设置，每组辐射单元均包括七组呈U形排列的方形贴片，并且上层超表面与下层超表面的U形两臂上对应的方形贴片通过内嵌在中心的短路探针相连，所述馈电网络从上而下依序设置有中心在一条竖直线上的辐射贴片层、二号介质基板、方形接地板、三号介质基板、馈电微带层，方形接地板与馈电微带层之间设置有四个馈电端口，所述辐射贴片层印刷在二号介质基板的上表面，包括呈2×2阵列方式排列的四个菱形贴片，所述二号介质基板背面印刷有带缝隙的方形接地板，方形接地板上刻蚀了四个矩形缝隙，四个所述矩形缝隙依次绕方形接地板中心旋转90度设置，所述馈电微带层包括依次绕三号介质基板中心旋转90度设置的四条微带线，每条微带线的一端位于三号介质基板边缘，另外一端位于延伸到矩形缝隙的下方，并通过矩形缝隙和菱形贴片为上层超表面与下层超表面馈电。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112072302B (zh) * 2020-08-31 2021-04-13 杭州电子科技大学 一种顺序旋转馈电的宽带圆极化滤波阵列天线
CN112928464B (zh) * 2021-02-05 2022-07-22 中山大学 无需馈电网络的多波束天线及其制造方法
CN114447585B (zh) * 2022-01-29 2024-03-19 京东方科技集团股份有限公司 多波束天线及其制备方法、通信装置
CN115334524B (zh) * 2022-06-30 2024-03-08 中通服咨询设计研究院有限公司 一种基于全向智能超表面的通信和雷达目标检测方法
CN115036688B (zh) * 2022-07-11 2024-03-19 南京理工大学 一种低剖面天线波束类型可重构超表面天线
CN115548689B (zh) * 2022-09-30 2024-02-06 曲阜师范大学 一种多模谐振的低剖面宽带超表面天线

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104409866A (zh) * 2014-11-27 2015-03-11 骆柳春 一种磁信号增强器件
CN106876982A (zh) * 2017-02-22 2017-06-20 西安电子科技大学 改善多天线系统性能的超表面及采用超表面的多天线系统
CN108899636A (zh) * 2018-06-28 2018-11-27 山西大学 一种基于双层超表面的低剖面小型宽带天线
CN110034406A (zh) * 2019-05-14 2019-07-19 山西大学 一种基于双层超表面的低剖面多波束缝隙天线

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104409866A (zh) * 2014-11-27 2015-03-11 骆柳春 一种磁信号增强器件
CN106876982A (zh) * 2017-02-22 2017-06-20 西安电子科技大学 改善多天线系统性能的超表面及采用超表面的多天线系统
CN108899636A (zh) * 2018-06-28 2018-11-27 山西大学 一种基于双层超表面的低剖面小型宽带天线
CN110034406A (zh) * 2019-05-14 2019-07-19 山西大学 一种基于双层超表面的低剖面多波束缝隙天线

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