CN113471699B - 一种基于耦合模式转换的去耦方法及其装置 - Google Patents

一种基于耦合模式转换的去耦方法及其装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及阵列天线去耦的技术领域，具体地说是指一种基于耦合模式转换的去耦方法及其装置。利用介质柱单元和介质柱单元之间的空气共同构成一种混合介质，并通过调整介质柱单元的大小来改变这一混合介质的混合比例，从而实现对介电常数的任意可调控，进而实现对耦合模式转换的可调控，并最终实现去耦。设计了一种由透明树脂圆柱体阵列构成的基于耦合模式转换的介质表面,还设计了一种由金属方形环阵列构成的超表面，用于实现进一步去耦，还设计了一种层叠结构的原始阵列天线。本发明具有去耦带宽宽，去耦后阻抗仍然匹配良好，并且方向图基本不变，同时不占用天线单元中间的空间的优点。

Description

一种基于耦合模式转换的去耦方法及其装置
技术领域
本发明涉及阵列天线去耦的技术领域，具体地说是指一种基于耦合模式转换的去耦方法及其装置。
背景技术
现有的去耦技术包含：去耦网络，超表面，电磁带隙结构，缺陷地结构以及中和线等。具体技术涉及：(1)为一对对称的弯曲的单极子天线设计了一种去耦匹配网络，同时实现了天线的高隔离度和良好的阻抗匹配。(2)以一个单频阵列天线和两个频率比不同的双频阵列天线为例，验证了所提出的去耦匹配网络设计的有效性。(3)设计了一种由周期性的方形的开口环谐振器单元构成的超表面，并将其悬浮放置在天线阵列上方来实现去耦。(4)设计了一种由周期性的圆形的开口环谐振器单元构成的超表面。(5)在两个间距小、剖面高的单极子天线之间设计并插入了超表面，使得互耦降低了超过20dB。(6)设计了一种由断开的短的金属线和连续的长的金属线构成的超表面，实现了平均3-14dB的互耦的减少。(7)提出了一种表面开了槽的电磁带隙结构，槽实现了在第一个谐振频点的去耦，而电磁带隙结构本身实现了在第二个谐振频点的去耦。(8)为了单线极化、双线极化和圆极化天线阵列，在地平面上分别开了长条形和哑铃形的槽来构成缺陷地结构。(9)为了平面倒F天线阵列、单极子天线阵列和矩形贴片天线阵列，在地平面上分别开了齿数不同的锯齿形槽来构成缺陷地结构。(10)为了2x2的矩形贴片天线阵列，在地平面上开了括号形状的异形槽来构成缺陷地结构。(11)为一个双天线系统设计了三条中和线，使得实测的互耦低于-15dB。(12)为一个二元单极子天线系统设计了一条中和线，使得天线的端口隔离度小于-19dB。(13)为一个双天线系统设计了两条交叉的中和线，使得实测的隔离度低于-10dB。
上述去耦技术的缺陷包括：去耦带宽窄，阻抗失配，方向图畸变，占用天线单元中间的空间等。具体地说，去耦网络存在去耦带宽窄的问题，如技术(1)、(2)，这是由于去耦网络的谐振特性，导致其去耦带宽天然地窄，这就限制了其只能在一个或多个窄带内实现去耦。而采用超表面去耦后可能导致阻抗失配，如技术(3)、(4)，加载超表面后S11急剧恶化，于是需要通过后续在贴片天线上开槽来补偿这一恶化。采用超表面去耦后还可能导致方向图畸变，如技术(5)、(6)，技术(5)在两个单极子天线单元之间插入超表面之后，方向图由原来的左右两侧严格对称的全向辐射突变为只偏向一侧的单向辐射。至于其他去耦技术，如电磁带隙结构、缺陷地结构以及中和线，往往占用天线单元中间的空间，如技术(7)至(13)所述，而这不利于实现阵列天线的小型化。本发明针对上述现有去耦技术存在的问题，提出了一种去耦带宽宽，去耦后阻抗仍然匹配良好，并且方向图基本不变，同时不占用天线单元中间的空间的混合去耦器。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述现有技术的缺失，提出一种基于耦合模式转换的去耦方法。
本发明提出的这种基于耦合模式转换的去耦方法指的是：包含一块衬垫和均布在衬垫上的由介质柱单元构成的阵列。介质柱单元和介质柱单元之间的空气共同构成一种混合介质。针对不同的去耦要求，介质柱单元需要选择不同的材料和形状，并通过调整介质柱单元的大小来改变混合介质的混合比例，从而实现对介电常数的任意可调控，进而实现对耦合模式转换的可调控，并最终实现去耦。为了验证所提出的基于耦合模式转换的去耦方法的有效性，本发明还包括一个具体实施案例如下：一种基于耦合模式转换的介质表面，它包含一块衬垫和13×13共169个介质柱单元构成的阵列。衬垫的厚度为t1。介质柱单元为圆柱体，其半径为r1，其高度为t2，单元之间的间距为s。衬垫和介质柱阵列所使用的材料相同，它们所用到的材料为透明树脂。所用到的加工工艺为增材制造。
在这个具体的实施案例中，介质柱单元所选择的材料为透明树脂，所选择的形状为圆柱体，并且在仿真设计时通过调整透明树脂圆柱体单元的半径r1来改变透明树脂和空气的混合比例，从而实现对介电常数的任意可调控，进而实现对耦合模式转换的可调控，并最终实现去耦。
为了配合上述基于耦合模式转换的介质表面，本发明还包括一种超表面，用于实现进一步去耦。所述的超表面由7x7共49个金属方形环单元构成，金属方形环单元的长为l1，宽为w1，单元之间的间距为v。基于耦合模式转换的介质表面扣在超表面上方，衬垫朝上，介质柱阵列朝下，二者无缝贴合，共同构成一个混合去耦器。
为了验证上述基于耦合模式转换的介质表面的去耦效果，本发明还包括一个原始阵列天线。所述的原始阵列天线采用层叠结构，包含两层介质基片，在上介质基片和下介质基片的上表面分别印刷圆形的金属贴片，下介质基片下方设置空气层，空气层下方设置一块铝地板，上介质基片、下介质基片与铝地板通过四角的四根连接柱安装固定。混合去耦器通过连接柱设置在原始阵列天线的上方，距离为h1处。
本发明的有益效果在于：(1)提出了基于耦合模式转换的去耦方法，即：利用介质柱单元和介质柱单元之间的空气共同构成一种混合介质，并通过调整介质柱单元的大小来改变这一混合介质的混合比例，从而实现对介电常数的任意可调控，进而实现对耦合模式转换的可调控，并最终实现去耦；(2)为了验证上述去耦方法的有效性，设计了一种由透明树脂圆柱体阵列构成的基于耦合模式转换的介质表面；(3)为了配合上述基于耦合模式转换的介质表面，还设计了一种由金属方形环阵列构成的超表面，用于实现进一步去耦；(4)为了验证上述基于耦合模式转换的介质表面和超表面的去耦效果，还设计了一种层叠结构的原始阵列天线。
附图说明
图1为基于耦合模式转换的介质表面结构示意图。
图2为透明树脂和空气共同构成的混合介质。
图3为超表面结构示意图。
图4a为基于耦合模式转换的介质表面与超表面组合后的透视图。
图4b为基于耦合模式转换的介质表面与超表面组合后的正视图。
图5为原始阵列天线结构示意图。
图6为本发明整体结构正视图。
图7a为上金属贴片矢量电流分布图。
图7b为下金属贴片矢量电流分布图。
图8a为加载混合去耦器前的坡印廷矢量图。
图8b为加载混合去耦器后的坡印廷矢量图。
图9为加载混合去耦器前后的S参数曲线图。
具体实施方式
下面结合附图1至8对本发明的优选实施案例作进一步说明。
为了验证所提出的基于耦合模式转换的去耦方法的有效性，本发明包括一个具体实施案例如下：一种基于耦合模式转换的介质表面，它的结构和具体尺寸如图1所示(此处虽然用了灰度不同的两种颜色，但其实为同一种材料)。基于耦合模式转换的介质表面的制造采用了3D打印技术，用到的材料为透明树脂(在观测的频段内，其相对介电常数为2.5，损耗角正切为0.04)。基于耦合模式转换的介质表面包含一块衬垫(深灰色)和13*13共169个介质柱单元(浅灰色)。衬垫的厚度为t1。介质柱单元为圆柱体，其半径为r1，其高度为t2，单元之间的间距为s。
这种基于耦合模式转换的介质表面是一种由透明树脂和空气共同构成的混合介质，如图2所示。图2中的r1为透明树脂圆柱体的半径，g为空气盒子的边长，εt、εa和εl分别对应透明树脂、空气和混合介质的介电常数。将透明树脂圆柱体和空气盒子的体积比记为t，则有：
t＝πr1 2/g2 (1)
于是混合介质的介电常数可得：
εl≈tεt+(1-t)εa (2)
可见，调整透明树脂圆柱体单元的半径r1可以改变透明树脂和空气的混合比例，从而实现对介电常数的任意可调控。
为了配合上述基于耦合模式转换的介质表面，本发明还包括一种超表面，用于实现进一步去耦。超表面的结构和具体尺寸如图3所示。超表面由7x7共49个金属方形环单元构成，印刷在一块厚度为0.203mm的Rogers 4003C介质基片的上表面。金属方形环单元的长为l1，宽为w1，单元之间的间距为v。
基于耦合模式转换的介质表面扣在超表面上方，衬垫朝上，介质柱阵列朝下，二者无缝贴合，共同构成一个混合去耦器，如图4所示。
为了验证上述基于耦合模式转换的介质表面的去耦效果，本发明还包括一个原始阵列天线。原始阵列天线的结构和具体尺寸如图5所示。原始阵列天线采用层叠结构，包含两层介质基片。上介质基片采用的板材是Rogers 4003C，其厚度为0.203mm。下介质基片采用的板材是FR4，其厚度为1.6mm。上下两层介质基片之间的高度差为hf。上下两层介质基片的长宽都为lg。在上介质基片和下介质基片的上表面分别印刷了半径为ru和rl的圆形金属贴片。上介质基片的圆形金属贴片之间的边缘间距为du，下介质基片的圆形金属贴片之间的边缘间距为dl。下介质基片的馈电点与圆心之间的距离为xf。下介质基片下方高度为ha的空间是空气层。空气层之下又放置了一块铝地板，其厚度为1mm。上介质基片、下介质基片与铝地板通过四角的四根连接柱安装固定。
混合去耦器通过连接柱设置在原始阵列天线的上方，距离为h1处，h1＝31mm，整体结构的正视图如图6所示。
运用基于耦合模式转换的介质表面实现初步去耦的原理如下：1)基于耦合模式转换的介质表面能够改变未被激励天线单元上的电流方向。这是因为，基于耦合模式转换的介质表面的内部电场产生了TE模式，而电场的改变将最终改变电流。更具体地说，基于耦合模式转换的介质表面的加入，使得被激励天线单元和未被激励天线单元的电流方向相互正交(见图7)，于是两者之间的隔离度得到了提升。这也是基于耦合模式转换的介质表面得名的原因。2)基于耦合模式转换的介质表面能够降低未被激励天线单元上的电流强度。这是因为基于耦合模式转换的介质表面是由空气(相对介电常数为1)和透明树脂(相对介电常数为2.5)共同构成的混合介质，于是其相对介电常数一定大于1，而当电磁波在介电常数更高的环境中传播时，其波数会更大。更具体地说，耦合波原本在空气中传播，而现在在基于耦合模式转换的介质表面中传播，于是耦合波有了更大的波数，所以两个天线单元之间的电距离被延长，耦合到未被激励天线单元上的电流减少，最终得到了高隔离度。
运用超表面实现进一步去耦的原理如下：在原始阵列天线的工作频带内，超表面的加入使得原始阵列天线所在空间呈现负磁导率的特性，于是在这一空间中传播的耦合波的坡印廷矢量为纯虚数，这就意味着该耦合波的传播得到了抑制(见图8)，所以两个天线单元之间的隔离度得到了进一步提升。
将基于耦合模式转换的介质表面和超表面，这两种去耦方法结合在一起：第一步，在原始阵列天线上方只单独加载基于耦合模式转换的介质表面，使得耦合电流的方向被改变，并且耦合电流的强度被减弱，实现了初步去耦；以此为基础，第二步，紧贴着基于耦合模式转换的介质表面的下表面，加入超表面作为补充，使得原始阵列天线所在空间呈现负磁导率的特性，于是耦合波的传播得到了抑制，实现了进一步去耦。
S参数是表征天线性能的重要参数，其中S11用于表征天线的阻抗匹配状态，即天线是否正常工作，一般S11低于-10dB以下则认为天线匹配状态良好，而S21用于表征天线单元之间的耦合情况，值越小耦合越弱，值越大耦合越强。分析S参数时，总是需要先观察S11，在保证S11小于-10dB的前提下，再去关心S21是否变小，一切以牺牲S11来换取S21变小的做法都不是去耦。加载混合去耦器前后的S参数曲线如图9所示。由图9可看出，加载混合去耦器前后，S11始终保持在-10dB以下，即阻抗匹配良好，天线正常工作；而S21在1.83-2.17GHz频段内，实现了6-21dB的隔离度提升，即去耦带宽达到了17％，这样的去耦带宽很宽，且去耦深度很深。
对所设计的混合去耦器进行了实物加工和实验测试，实验结果表明：加载混合去耦器前后，天线的辐射方向图保持稳定，并未发生显著变化。
此外，由于所设计的混合去耦器被放置在原始阵列天线的上方空间，所以不占用天线单元中间的空间。
综上所述，本发明具有去耦带宽宽，去耦后阻抗仍然匹配良好，并且方向图基本不变，同时不占用天线单元中间的空间的优点。

Claims (10)

1.一种基于耦合模式转换的去耦方法，其特征在于：
通过介质柱单元和介质柱单元之间的空气共同构成一种混合介质；
并通过调整介质柱单元的材料、形状及大小来改变混合介质的混合比例；
从而实现对混合介质的介电常数调控，实现对耦合模式转换的调控，并最终实现去耦。
2.根据权利要求1所述的一种基于耦合模式转换的去耦方法，其特征在于：
介质柱单元针对不同的去耦要求，选择不同的材料和形状，并通过调整介质柱单元的大小来改变混合介质的混合比例。
3.实现如权利要求1所述的一种基于耦合模式转换的去耦方法的装置，其特征在于：
包含一块衬垫和均布在衬垫上的由介质柱单元构成的阵列；
所述的衬垫的厚度为t1；
所述的介质柱单元为圆柱体，其半径为r1，其高度为t2，单元之间的间距为s。
4.实现如权利要求3所述的一种基于耦合模式转换的去耦方法的装置，其特征在于：其特征在于：
所述的介质柱单元构成的阵列包含13×13共169个介质柱单元。
5.实现如权利要求3所述的一种基于耦合模式转换的去耦方法的装置，其特征在于：
所述的衬垫和介质柱阵列所使用的材料相同，均为透明树脂。
6.实现如权利要求3所述的一种基于耦合模式转换的去耦方法的装置，其特征在于：
还包括超表面，衬垫和均布在衬垫上的由介质柱单元扣在超表面上方，衬垫朝上，介质柱阵列朝下，二者无缝贴合，共同构成一个混合去耦器。
7.实现如权利要求6所述的一种基于耦合模式转换的去耦方法的装置，其特征在于：
所述的超表面由7x7共49个金属方形环单元构成，金属方形环单元的长为l1，宽为w1，单元之间的间距为v。
8.实现如权利要求6所述的一种基于耦合模式转换的去耦方法的装置，其特征在于：
还包括原始阵列天线，混合去耦器通过连接柱设置在原始阵列天线的上方，距离为h1处。
9.实现如权利要求8所述的一种基于耦合模式转换的去耦方法的装置，其特征在于：
所述的原始阵列天线采用层叠结构，包含两层介质基片，在上介质基片和下介质基片的上表面分别印刷圆形的金属贴片，下介质基片下方设置空气层，空气层下方设置一块铝地板，上介质基片、下介质基片与铝地板通过四角的四根连接柱安装固定。
10.实现如权利要求1所述的一种基于耦合模式转换的去耦方法的装置，其特征在于：
所述的介质柱单元的加工工艺为增材制造。
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