CN112952378A - 一种用于降低交叉极化耦合具有极化转换特性的去耦结构 - Google Patents

Abstract

一种用于降低交叉极化耦合具有极化转换特性的去耦结构，包括超材料单元，所述超材料单元放置在介质支撑板上，所述超材料单元之间的间隔距离以及超材料单元的架设高度可调。本发明降低阵列天线单元之间的交叉极化耦合，提高天线单元之间的隔离度。

Description

一种用于降低交叉极化耦合具有极化转换特性的去耦结构

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种用于降低交叉极化耦合具有极化转换特性的去耦结构。

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。

阵列天线因高增益和强方向性而广泛应用于无线电通信领域，阵列天线的研究一直受到阵列单元耦合等瓶颈的制约，天线阵列单元之间表面电流的产生在很大程度上增加了耦合的程度，严重恶化了阵列天线的特性，如增大空间相关性、降低辐射效率和降低天线增益等。因此如何在紧凑的空间中实现各天线单元之间独立工作，有效地减小天线单元之间的耦合成为阵列天线研究的关键所在。由此可见，提高阵列天线单元的隔离度，并保证天线的辐射特性成为了业界的研究热点，对通信行业的发展具有重大的意义。

现有的天线阵列的去耦方法也越来越多，解耦方法根据解耦思想可以概括分为两类：一种是阻隔天线单元之间耦合电流或者耦合电磁波的传播，如公告号为CN 106207453A的专利公开了一种用于微带天线阵列的缺陷地去耦结构，通过在两个微带阵列天线单元之间的公共地板上设计凹槽结构，从而降低了天线之间的耦合，天线之间的隔离度提高了近30dB；另一种则是引入一条新的耦合路径，来中和抵消掉原始天线阵列单元之间的耦合，如公告号为CN 111129769 A的专利通过在天线阵列上方设置超表面覆层，调节超表面覆层的介电常数可以实现天线单元之间的去耦设计，该专利只介绍了同极化天线单元之间的效果，并未给出针对交叉极化单元的去耦结果。

发明内容

为了克服以上技术问题，本发明的目的在于提供一种用于降低交叉极化耦合具有极化转换特性的去耦结构，降低阵列天线单元之间的交叉极化耦合，提高天线单元之间的隔离度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于降低交叉极化耦合具有极化转换特性的去耦结构，包括多个超材料单元，所述超材料单元放置在介质支撑板301上，相邻超材料单元之间的间隔距离以及各超材料单元的架设高度可调。

所述超材料单元包括中间的介质基板102，所述介质基板102下表面中心沿45°方向印刷有矩形金属贴片101、介质基板102上表面全覆盖为金属底板103。所述超材料单元矩形金属贴片101所在面朝下安装在介质支撑板301上方。

所述矩形金属贴片101朝下放置。

所述矩形金属贴片101的尺寸(W1×L1)为2.4mm×11.6mm，介质基板102尺寸(W2×L2×H2)为12mm×12mm×6mm，介质基板102材料的介电常数为10.2。

所述超材料单元用于降低天线单元402之间的耦合，所述天线单元402为两个，两个天线单元402中心间距为0.5λ(λ为自由空间波长)，交叉放置在地板401上，两个天线单元极化方向相差90°，超材料单元通过介质柱支撑布置在天线阵列正上方。

所述两个天线单元402分别沿±45°方向放置，为实现计划转换特性，超材料单元放置方向应为矩形金属贴片101沿0°(垂直)方向架设在天线单元402正上方。

所述调节超材料单元的架设高度用于控制反射波的幅度和相位，用于使附加耦合路径上的经过极化转换之后的反射波的与原有耦合路径上的波中和抵消。

所述两者中和抵消的条件为：

1、附加耦合波与原有耦合波幅度相等；2、附加耦合波与原有耦合波相位差为180°。

本发明的有益效果：

1.本发明通过在交叉极化天线阵列上方设置极化转换结构，针对交叉极化单元之间的耦合，调整极化转换超材料单元的工作频段、单元之间的间隔以及单元位于天线阵列上方的高度可以实现交叉极化之间的隔离度的提升。

2.本发明创造性地将极化转换和解耦技术中中和抵消的思想结合起来，针对目前现有解耦方法对交叉极化耦合去耦效果不明显的问题，显著地降低了交叉极化单元之间的耦合。

3.通过在天线阵列上方架设去耦结构，通过引入了一条新的极化转换耦合路径，控制反射波的幅度和相位使其与原有耦合波等幅反相从而达到去耦合的目的。同时通过调节上层去耦结构可以最大程度的降低对原始天线阵列的恶化，不会影响两天线单元的辐射特性，使其仍具有很好的辐射性能。相比于中和抵消思想解耦效果来说，使用极化旋转超材料去耦结构的解耦效果隔离度最高可以提升20dB。

附图说明

图1是本发明实施例采用的极化转换超材料单元的结构示意图；

图2是本发明实施例采用的极化转换超材料单元的散射参数示意图；

图3是本发明实例采用的极化转换超材料单元的组合结构示意图；

图4是本发明实施中加载极化转换超材料结构的天线阵列结构示意图；

图5是本发明实施中加载极化转换超材料结构与未加载去耦结构的散射参数S11对比示意图；

图6是本发明实施中加载极化转换超材料结构与未加载去耦结构的散射参数S21对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明设计了一种具有极化转换反射特性的超材料单元，该超材料单元为三层结构，中间层为介质层，两侧分别为金属底板103和矩形金属贴片101。

在天线阵列上方设置一系列的极化转换超材料单元，调整单元之间的间隔和放置高度，消除交叉极化单元的耦合；

为使得计划转换单元工作在对应频段，调整介质层的介电常数和单元的尺寸。

极化转换单元布置在天线阵列上方，矩形金属贴片101朝下，调整单元的间隔以保证天线单元的正常辐射以及反射波的计划转换率，在不影响天线单元的辐射性能的同时提高天线单元的隔离度。

本发明还公开了一种具有极化转换特性的去耦结构的天线阵列，在1×2交叉极化阵列中上方，放置由11个极化转换单元，该单元由一层介电常数为2.2的介质板支撑，介质板通过介质柱支撑在天线的正上方。极化旋转单元的介质材料介电常数为10.2，调整单元之间的间隔用于控制反射波的极化转换率。

一种具有极化转换特性的去耦结构的天线阵列，在天线上方加载超材料单元的组合，架设在由介质柱支撑的介质板上，基于此，所加载的超材料结构为天线阵列提供了一条新的附加耦合路径，调节超材料单元的间隔可以控制反射波的反射率和极化转换率，调节超材料单元的架设高度可以控制反射波的幅度和相位，使得附加耦合路径上的经过极化转换之后的反射波的与原有耦合路径上的波中和抵消，从而实现天线单元隔离度的提升。两者中和抵消的条件为：

a.附加耦合波与原有耦合波幅度相等；

b.附加耦合波与原有耦合波相位差为180°。

实施例：

本发明所采用的极化转换超材料单元如图1所示，所述超材料单元由三层组成，分别为矩形金属贴片101、介质基板102以及金属底板103。矩形金属贴片101的尺寸为2.4mm×11.6mm，介质材料102尺寸为12mm×12mm×6mm，介质材料的介电常数为10.2。调整单元尺寸和介电常数可以控制超材料单元的工作频率，使其工作在所需解耦天线的工作频段，图2为该极化转换单元的善射参数示意图，可以看出该单元在2.7-4GHz频段内的计划转换率可以达到80％以上。

将图1所示超材料单元组合一起，放置在介质支撑板301上，如图3所示，矩形金属贴片103朝下放置，超材料单元之间的间隔距离以及超材料单元的架设高度都可以调整以实现最优解耦效果。

本发明实施例采用图3所示极化旋转超材料结构来降低天线单元之间的耦合，示意图见图4，两个天线单元402中心间距为0.5λ(λ为自由空间波长)，交叉放置在地板401上，使得两个天线单元极化方向相差90°，此时未加载去耦结构时两天线单元之间端口隔离度为20dB。为降低天线单元交叉极化之间的耦合极化转换结构由介质柱支撑布置在天线阵列正上方，当天线1被激励时，由于距离过近，天线2之间会受到天线1的影响产生感应电流，导致了天线单元之间的电容耦合，进而恶化天线的性能。在加载本发明所提出的极化转换单元之后，天线1辐射到自由空间的能量在极化转换单元发射回来，并且反射波的极化方向相对反射前也有了90°的偏转，即反射波的极化方向与天线2的极化方向相同，因此反射波可以被天线2接收，再通过调整极化转换单元的高度和间隔，以满足反射波与原有耦合波的抵消条件，即二者幅度相同，相位相差180°。

对于图4所示的加载去耦结构的两单元天线阵列，其S11散射参数对比如图5所示，相比于未加载去耦结构的S11，在3.3-3.7GHz频段仍保持良好的匹配情况；从图6可以看出加载去耦结构之后，S21最高降低至-40dB。

本发明施例中，在调整好超材料单元的间隔距离以及架设高度之后，可以实现：

a.加载极化转换超材料结构的天线单元之间隔离度大大提升，最高提升20dB，S21小于-25dB；

b.加载极化转换超材料去耦结构的天线阵列单元辐射性能相较于未加载去耦结构的天线单元增益提高。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种用于降低交叉极化耦合具有极化转换特性的去耦结构，其特征在于，包括多个超材料单元，所述超材料单元放置在介质支撑板(301)上，相邻超材料单元之间的间隔距离以及超材料单元的架设高度可调。

2.根据权利要求1所述的一种用于降低交叉极化耦合具有极化转换特性的去耦结构，其特征在于，所述超材料单元包括中间的介质基板(102)，所述介质基板(102)下表面中心沿45°方向印刷有矩形金属贴片(101)、介质基板(102)上表面全覆盖为金属底板(103)，所述超材料单元矩形金属贴片(101)所在面朝下安装在介质支撑板(301)上方。

3.根据权利要求2所述的一种用于降低交叉极化耦合具有极化转换特性的去耦结构，其特征在于，所述矩形金属贴片101朝下放置。

4.根据权利要求2所述的一种用于降低交叉极化耦合具有极化转换特性的去耦结构，其特征在于，所述矩形金属贴片(101)的尺寸为2.4mm×11.6mm，介质材料(102)尺寸为12mm×12mm×6mm，介质基板(102)材料的介电常数为10.2。

5.根据权利要求1所述的一种用于降低交叉极化耦合具有极化转换特性的去耦结构，其特征在于，所述超材料单元用于降低天线单元(402)之间的耦合，所述天线单元(402)为两个，两个天线单元(402)中心间距为0.5λ，交叉放置在地板(401)上，两个天线单元极化方向相差90°，超材料单元通过介质柱支撑布置在天线阵列正上方。

6.根据权利要求5所述的一种用于降低交叉极化耦合具有极化转换特性的去耦结构，其特征在于，所述两个天线单元(402)分别沿±45°方向放置，为实现计划转换特性，超材料单元放置方向应为矩形金属贴片(101)沿0°(垂直)方向架设在天线单元(402)正上方。

7.根据权利要求1所述的一种用于降低交叉极化耦合具有极化转换特性的去耦结构，其特征在于，所述调节超材料单元的架设高度用于控制反射波的幅度和相位，用于使附加耦合路径上的经过极化转换之后的反射波的与原有耦合路径上的波中和抵消。

8.根据权利要求7所述的一种用于降低交叉极化耦合具有极化转换特性的去耦结构，其特征在于，所述两者中和抵消的条件为：

1、附加耦合波与原有耦合波幅度相等；2、附加耦合波与原有耦合波相位差为180°。

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