CN111555028A - 一种频率可调超表面覆层改善天线阵列耦合性能的方法 - Google Patents

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    • H01Q1/52—Means for reducing coupling between antennas; Means for reducing coupling between an antenna and another structure
    • H01Q1/521—Means for reducing coupling between antennas; Means for reducing coupling between an antenna and another structure reducing the coupling between adjacent antennas
    • H01Q1/523—Means for reducing coupling between antennas; Means for reducing coupling between an antenna and another structure reducing the coupling between adjacent antennas between antennas of an array

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Abstract

本发明公开了一种频率可调超表面覆层改善天线阵列耦合性能的方法，所述频率可调超表面覆层包括由上到下的上层周期谐振单元结构层、上层介质基板层、距离调节装置、下层介质基板层、下层周期谐振单元结构层；所述频率可调超表面覆层通过介质支撑柱或者作为天线罩，覆盖于天线阵列上方。通过对频率可调超表面覆层上的谐振单元尺寸、谐振单元间距以及超表面覆层与阵列天线的高度进行调整，使得含有所述超表面覆层的天线线阵的各单元间耦合降低，隔离度提高，提高天线增益和辐射效率。通过距离调节装置，调节上下两层周期谐振层之间的距离，可以偏移天线的去耦频段，而且带宽保持不变，能够很好的应用在MIMO通信系统中。

Description

一种频率可调超表面覆层改善天线阵列耦合性能的方法
技术领域
本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种频率可调超表面覆层改善天线阵列耦合性能的方法。
背景技术
随着移动通信系统的快速发展，射频频谱资源日益短缺，如何提供更高质量、更快速的通信服务成为第五代移动通信系统(5G)中的研究热点。在此背景下，已经提出许久的多输入多输出(MIMO)通信技术成为了5G系统中的关键技术。
多输入多输出(MIMO)技术是指在发射端和接收端同时使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端和接收端的多个天线发射和接收。因此，多输入多输出技术能够在不额外增加通信频带和发射功率的情况下，实现高速、大容量的数据传输，显著的提高系统数据吞吐率和信道容量。在多输入多输出(MIMO)系统中，天线起着至关重要的作用，因为天线的特征固有地包含在发射器和接收器之间的通信信道中。
MIMO技术是基于天线阵列而言的，随着对信道容量需求的不断增长，大规模MIMO技术将会成为5G系统的核心，并且紧凑密集的阵列将促进这一进程。然而，无论是5G基站，或是移动终端中，由于空间限制，随着天线数量的增加，天线单元之间的间距相对较小，造成单元之间会形成强烈的互相耦合。在特定的空间内，天线单元数量越多，单元之间的耦合更强，会导致：
（1）空间相关性的增加；
（2）辐射效率的降低；
（3）单元增益的下降；
（4）信噪比的恶化；
（5）信道容量的减小。
综上所述，在有限的空间内，在MIMO系统中如何有效的减小天线单元之间的耦合，提高单元之间的隔离度，并保证原天线的辐射性能，成为了业界研究的热点。
发明内容
本发明目的是：针对上述问题，本发明提供一种频率可调超表面覆层改善天线阵列耦合性能的方法，在物理空间受限、相邻天线单元存在强烈的互耦的情况下，采用频率超表面覆层改善阵列天线单元之间的耦合性能，提高单元之间的隔离度。
本发明的技术方案是：
一种频率可调超表面覆层改善天线阵列耦合性能的方法，所述频率可调超表面覆层包括由上到下的上层周期谐振单元结构层、上层介质基板层、距离调节装置、下层介质基板层、下层周期谐振单元结构层；
所述频率可调超表面覆层通过介质支撑柱或者作为天线罩，覆盖于天线阵列上方。
优选的，通过对频率可调超表面覆层上的谐振单元尺寸、谐振单元间距以及超表面覆层与阵列天线的高度进行调整，使得含有所述超表面覆层的天线线阵的各单元间耦合降低，隔离度提高。
优选的，通过对频率可调超表面覆层的上、下层周期谐振单元结构层的谐振单元尺寸、谐振单元间距以及超表面覆层与阵列天线的高度进行调整，使得含有所述超表面覆层的线极化天线线阵的增益提高，辐射效率增加。
优选的，所述频率可调超表面覆层的谐振单元，根据天线系统实际需求采用不同的形式。
优选的，所述上层周期谐振单元结构层和下层周期谐振单元结构层的谐振单元结构可以采用相同或不同形式。
优选的，周期谐振结构单元层设计成多层周期谐振结构单元，增加周期谐振结构单元层进一步提升天线的带宽，部分消除单层周期谐振结构单元的表面波的影响，提高传输或反射系数。
优选的，根据实际需要，上、下层介质基板层的采用相同或者不同介电常数材料，同时采用相同或者不同介质厚度。
优选的，所述距离调节装置，调节上下周期谐振层之间的物理距离，保持工作带宽稳定，只是工作频率会出现偏移，实现频率可控调节。
优选的，所述距离调节装置采用机械式或者电调式结构。
本发明的优点是：
本发明的频率可调超表面覆层改善天线阵列耦合性能的方法，频率可调超表面覆层包括上、下两层周期谐振单元结构层，可以通过中间的距离调节装置调节两层周期谐振单元结构层的间距，通过对超表面覆层谐振单元尺寸、谐振单元间距以及覆层与阵列天线的高度、介质基板的介电常数和厚度以及上下周期谐振层之间的距离进行调整，使得含有所述超表面覆层的线极化、双线极化和圆极化天线线阵的各单元间耦合降低，隔离度提高，提高天线增益和辐射效率。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明中的频率可调超表面覆层结构图；
图2为加载频率可调超表面覆层的两个天线单元组成的线阵MIMO天线系统示意；
图3为实施例中的不加载去耦天线罩的两天线单元组成的线阵MIMO天线的S11、S12参数图；
图4为实施例中的加载频率可调超表面覆层的线阵MIMO天线S11、S12参数图；
图5为实施例中将上、下两层超表面覆层之间的距离调为0.4mm的线阵MIMO天线的S11、S12参数图。
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用以解释本发明，并不用于限定本发明。详述如下：
如图1所示，本实施例的频率可调超表面覆层包括由上到下的上层周期谐振单元结构层1、上层介质基板层2、距离调节装置3、下层介质基板层4、下层周期谐振单元结构层5。
如图2所示，是一个加载双层可调超表面覆层的两个线极化天线单元组成的线阵MIMO天线系统，天线系统包括两个距离很近的第一线极化天线单元11、第二线极化天线单元12，在两天线上方加载双层超表面覆层10，本实施例选取了两层周期谐振结构，两层周期谐振结构采用了相同的谐振周期单元6。通过对超表面覆层的谐振单元尺寸、谐振单元间距以及覆层与阵列天线的高度、支撑谐振单元的介质基板的介电常数和厚度进行调整，使得：
（1）加载超表面覆层的天线系统的单元之间的耦合系数接近为0，S21小于-20dB；
（2）加载超表面覆层的天线系统的各天线单元增益较不加载超表面覆层的天线系统的各天线单元增益提高。
所述频率可调超表面覆层的谐振单元，根据天线系统实际需求采用不同的形式。
所述上层周期谐振单元结构层和下层周期谐振单元结构层的谐振单元结构可以采用相同或不同形式。
周期谐振结构单元层设计成多层周期谐振结构单元，增加周期谐振结构单元层进一步提升天线的带宽，部分消除单层周期谐振结构单元的表面波的影响，提高传输或反射系数。
根据实际需要，上、下层介质基板层的采用相同或者不同介电常数材料，同时采用相同或者不同介质厚度。
所述距离调节装置，调节上下周期谐振层之间的物理距离，保持工作带宽稳定，只是工作频率会出现偏移，实现频率可控调节。所述距离调节装置采用机械式或者电调式结构。
本实施例距离调节装置采用机械式调节，步进0.2mm，当上下两层周期谐振层之间的距离增加到0.4mm时，天线的去耦频段向低频偏移了200MHz左右，而且带宽保持不变。这在实际工程师具有非常高的应用价值。
本发明公开的改善耦合性能的方法能够很好的应用在MIMO通信系统中。图3为本实施例中的不加载去耦天线罩的两天线单元组成的线阵MIMO天线的S11、S12参数图；图4为加载频率可调超表面覆层的线阵MIMO天线S11、S12参数图；图5为实施例中将上、下两层超表面覆层之间的距离调为0.4mm的线阵MIMO天线的S11、S12参数图。从图中可以看出工作频段向低频偏移了200MHz左右。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种频率可调超表面覆层改善天线阵列耦合性能的方法，其特征在于，所述频率可调超表面覆层包括由上到下的上层周期谐振单元结构层、上层介质基板层、距离调节装置、下层介质基板层、下层周期谐振单元结构层；
所述频率可调超表面覆层通过介质支撑柱或者作为天线罩，覆盖于天线阵列上方。
2.根据权利要求1所述的频率可调超表面覆层改善天线阵列耦合性能的方法，其特征在于，
通过对频率可调超表面覆层上的谐振单元尺寸、谐振单元间距以及超表面覆层与阵列天线的高度进行调整，使得含有所述超表面覆层的天线线阵的各单元间耦合降低，隔离度提高。
3.根据权利要求1所述的频率可调超表面覆层改善天线阵列耦合性能的方法，其特征在于，
通过对频率可调超表面覆层的上、下层周期谐振单元结构层的谐振单元尺寸、谐振单元间距以及超表面覆层与阵列天线的高度进行调整，使得含有所述超表面覆层的线极化天线线阵的增益提高，辐射效率增加。
4.根据权利要求2或3所述的频率可调超表面覆层改善天线阵列耦合性能的方法，其特征在于，
所述频率可调超表面覆层的谐振单元，根据天线系统实际需求采用不同的形式。
5.根据权利要求4所述的频率可调超表面覆层改善天线阵列耦合性能的方法，其特征在于，
所述上层周期谐振单元结构层和下层周期谐振单元结构层的谐振单元结构可以采用相同或不同形式。
6.根据权利要求5所述的频率可调超表面覆层改善天线阵列耦合性能的方法，其特征在于，
周期谐振结构单元层设计成多层周期谐振结构单元，增加周期谐振结构单元层进一步提升天线的带宽，部分消除单层周期谐振结构单元的表面波的影响，提高传输或反射系数。
7.根据权利要求6所述的频率可调超表面覆层改善天线阵列耦合性能的方法，其特征在于，
根据实际需要，上、下层介质基板层的采用相同或者不同介电常数材料，同时采用相同或者不同介质厚度。
8.根据权利要求1所述的频率可调超表面覆层改善天线阵列耦合性能的方法，其特征在于，
所述距离调节装置，调节上下周期谐振层之间的物理距离，保持工作带宽稳定，只是工作频率会出现偏移，实现频率可控调节。
9.根据权利要求8所述的频率可调超表面覆层改善天线阵列耦合性能的方法，其特征在于，
所述距离调节装置采用机械式或者电调式结构。
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