CN113725614A - 一种采用超表面降低水平全向天线隔离度的去耦结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用超表面降低水平全向天线隔离度的去耦结构，其特征在于，包括：放置于相邻两个水平全向天线单元之间的超表面结构；至少两个水平全向天线单元组成水平全向天线阵列；超表面结构包括周期性的谐振单元和支撑谐振单元的介质基板，介质基板垂直于水平全向天线阵列的地板，谐振单元设置于介质基板的两侧。可以在物理空间受限、相邻天线单元存在强烈互耦的情况下，改善阵列天线单元之间的耦合性能，有效提高水平全向天线阵列单元之间的隔离度。

Description

一种采用超表面降低水平全向天线隔离度的去耦结构
技术领域
本发明属于无线通信领域，涉及一种采用超表面降低水平全向天线隔离度的去耦结构。
背景技术
随着电子信息技术的迅猛发展，信息作战对电磁频谱的依赖越来越强，电磁频谱已成为军事作战的基本领域，主要包括雷达、电子战、通信、敌我识别、数据链、信息分发、定位报告等系统设备。电子信息设备不断增加，使舰船增设越来越多的天线。舰船上部（特别是桅杆）是布设天线的最佳部位，而在桅杆上布设各种天线又必然产生各种问题。
舰桅杆上各种天线林立，有的用于发射，有的用于接收，有的既用于发射又用于接收，如果它们之间设计不合理，发射天线会有过多的能量耦合到接收天线，导致连接该天线的系统不能正常工作，在同一舰船上不能同时实现多发多收。
发明内容
本发明目的是：提供一种采用超表面降低水平全向天线隔离度的去耦结构，在物理空间受限、相邻天线单元存在强烈互耦的情况下，采用超表面去耦结构改善阵列天线单元之间的耦合性能，有效提高水平全向天线阵列单元之间的隔离度。
本发明的技术方案是：一种采用超表面降低水平全向天线隔离度的去耦结构，包括：放置于相邻两个水平全向天线单元之间的超表面结构；至少两个水平全向天线单元组成水平全向天线阵列；所述超表面结构包括周期性的谐振单元和支撑所述谐振单元的介质基板，所述介质基板垂直于所述水平全向天线阵列的地板，所述谐振单元设置于所述介质基板的两侧。
通过在相邻两个水平全向天线单元之间放置超表面结构去耦合，而超表面结构包括介质基板和设置在介质基板两侧的谐振单元，可以在物理空间受限、相邻天线单元存在强烈互耦的情况下，改善阵列天线单元之间的耦合性能，有效提高水平全向天线阵列单元之间的隔离度。
其进一步的技术方案是：所述谐振单元采用开口谐振环或金属短线或与所述开口谐振环或所述金属短线互补的结构。
通过采用不同形式的谐振单元，可以适应不同天线系统的需求，使得周期性的谐振单元在所需频段内谐振，组成的超表面结构对电磁波具有良好的衰落特性，即使得电磁波的透射和反射均很小，不需要额外的匹配手段对天线进行匹配，方案实现难度低。
其进一步的技术方案是：所述开口谐振环包括圆形或方形的开口谐振环。
通过采用不同形状的开口谐振环，可以适应不同天线系统的去耦需求，使得周期性的开口谐振环在所需频段内谐振。
其进一步的技术方案是：所述介质基板两侧的谐振单元的排布存在0°或90°或180°的旋转角度。
通过对介质基板两侧的谐振单元的排布角度设置0°或90°或180°的旋转角度，可以适应不同天线系统的去耦需求，使得周期性的谐振单元在所需频段内谐振。
其进一步的技术方案是：所述超表面结构放置于两个水平全向天线单元的中间位置。
通过将超表面结构放置于两个水平全向天线单元的中间位置，使得超表面结构距离两个天线单元的距离相等，在对超表面结构上的谐振单元进行设计时能够更加便捷。
其进一步的技术方案是：所述谐振单元的尺寸、数量、间距根据对水平全向天线阵列的去耦情况调整。
通过调节谐振单元的尺寸、数量、间距等参数，使得谐振单元在指定的频段内谐振，从而可以适应不同的水平全向天线阵列的去耦情况，有效提高水平全向天线单元之间的隔离度。
其进一步的技术方案是：所述介质基板的厚度和介电常数根据需求确定。
通过结合实际需求调整介质基板的厚度和介电常数，使得超表面结构能够符合天线系统的实际去耦需求。
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是本申请一个实施例提供的采用超表面降低水平全向天线隔离度的去耦结构的示意图；
图2是本申请另一个实施例提供的采用超表面降低水平全向天线隔离度的去耦结构的示意图；
图3是本申请一个实施例提供的超表面结构的示意图；
图4是本申请另一个实施例提供的超表面结构的示意图；
图5是本申请一个实施例提供的介质基板两侧的谐振单元的示意图；
图6是本申请另一个实施例提供的介质基板两侧的谐振单元的示意图；
图7是本申请一个实施例提供的圆形的谐振单元的示意图；
图8是本申请另一个实施例提供的圆形的谐振单元的示意图；
图9是本申请再一个实施例提供的采用超表面降低水平全向天线隔离度的去耦结构的示意图；
图10是本申请提供的采用金属开口谐振环的互补结构构成的谐振单元的介电常数的实虚部的变化示意图；
图11是本申请提供的采用金属开口谐振环的互补结构构成的谐振单元的磁导率的实虚部的变化示意图；
图12是本申请一个实施例提供的未加载去耦结构的两天线单元组成的线阵的S参数的变化示意图；
图13是本申请一个实施例提供的加载去耦结构的两天线单元组成的线阵的仿真S参数的变化示意图；
图14是本申请一个实施例提供的加载去耦结构的两天线单元组成的线阵的实测S参数的变化示意图。
其中：101、水平全向天线单元；102、介质基板；103、谐振单元；104、地板；105、馈电端口；201、水平全向天线单元；202、介质基板；203、谐振单元；204、地板；205、馈电端口；301、金属；302、介质基板；401、金属；402、介质基板；501、金属；502、介质基板；601、金属；602、介质基板；701、盘锥天线单元；702、介质基板；703、谐振单元；704、地板；705、馈电端口。
具体实施方式
实施例：在物理空间受限的情况下，相邻天线单元可能会存在强烈的互耦，为了提高相邻天线单元之间的隔离度，本申请提供了一种采用超表面降低水平全向天线隔离度的去耦结构，采用超表面的去耦结构，改善阵列天线单元之间的耦合性能，提高端口隔离度，结合参考图1至图14，该去耦结构包括：放置于相邻两个水平全向天线单元之间的超表面结构，应用于由至少两个水平全向天线单元组成水平全向天线阵列中。
耦合是指能量从一个元件、电路或网络到另一个元件、电路或网络的能量传递。
去耦是指消除系统中单元之间存在的耦合效应。
隔离度是指天线之间相互干扰的程度，指一个天线发射信号，耦合到另一个天线上的信号与该发射天线信号的比值。
超表面是一种二维阵列平面，由具有特定几何形状的单元周期性或非周期性地排列所构成的超材料结构单元组成，可以灵活有效的调控电磁波的相位、极化方式、传播模式等特性。
天线阵列是由许多相同的单个天线按一定规律排列组成的天线系统，也成天线阵，构成天线阵的独立单元称为阵元或天线单元。如果阵元排列在一条直线或一个平面上，称为直线阵列或平面阵列。
超表面结构包括周期性的谐振单元和支撑谐振单元的介质基板，介质基板垂直于水平全向天线阵列的地板，谐振单元设置于介质基板的两侧。
如图1所示，两个水平全向天线单元101距离很近，在两个水平全向天线单元101之间设置超表面结构，超表面结构包括中间的介质基板102以及周期性排布在介质基板102两侧的谐振单元103，组成超表面覆层，超表面结构垂直于水平全向天线单元101的地板104，每个水平全向天线单元101通过底部的馈电端口105馈电。
本申请提出的去耦结构不仅仅限于两个水平全向天线单元线阵，同样也适用于三个或多个水平全向天线单元线阵，如图2所示，示出了三个水平全向天线单元201，相邻两个水平全向天线单元201之间设置超表面结构，超表面结构包括中间的介质基板202以及周期性排布在介质基板202两侧的谐振单元203，超表面结构垂直于水平全向天线单元201的地板204，每个水平全向天线单元201通过底部的馈电端口205馈电。
超表面的去耦结构由两层周期性谐振结构以及中间的介质基板构成，通过调节放置在全向天线阵列中间的超表面上的谐振单元尺寸，可以使得在指定的频段内，天线阵列各单元之间的耦合能够有效降低到20或25分贝以下。
该超表面去耦结构具有单负媒质特性，使得电磁波在结构中是以衰落波的形式传播，进而可以有效减少阵列天线单元之间的空间波耦合，提高天线间的隔离度。
可选的，谐振单元采用开口谐振环或金属短线或与开口谐振环或金属短线互补的结构。
结合参考图3和图4，其示出了超表面结构中谐振单元的排布方式，区别在于使用的谐振单元不同，图3采用图5所示的谐振单元，图4采用图6所示的谐振单元，其中301和401表示金属，302和402表示介质基板，图3和图5中的谐振单元可以称为互补型开口金属谐振环，图4和图6中的谐振单元可以称为开口金属谐振环。
可选的，开口谐振环包括圆形或方形的开口谐振环。
对应图5和图6中的谐振单元，图7和图8中的谐振单元可以称为圆形互补型开口金属谐振环和圆形开口金属谐振环。其中，501和601表示金属，502和602表示介质基板。
超表面的周期性谐振单元的结构是构成超表面去耦结构的核心，具有特定的电磁特性，一般可以采用圆形或方形的开口谐振环或与其互补的结构，也可以采用上述金属短线或与其互补的结构，以适应实际天线系统的需求。
在选择周期性的谐振单元结构时，应根据实际天线系统形式，并使得周期性的谐振单元结构在所需频段内谐振，该超表面结构对电磁波具有良好的衰落特性，即使得电磁波的透射和反射均很小，不需要额外的匹配手段对天线进行匹配。
可选的，介质基板两侧的谐振单元的排布存在0°或90°或180°的旋转角度。
示例性的，图5或图6中左右分别表示介质基板两侧的谐振单元，如图所示，两侧的谐振单元存在180°的旋转角度。
超表面采用的是双层结构形式，即在支撑谐振单元的介质基板两侧分别印刷有周期性的谐振单元结构，且两侧的谐振单元的排布可以存在0°或90°或180°的旋转角度。
可选的，超表面结构放置于两个水平全向天线单元的中间位置。
谐振单元的尺寸、数量、间距根据对水平全向天线阵列的去耦情况调整。通过对谐振单元的尺寸、谐振单元间距以及谐振单元排布个数进行调整，使得含有该超表面去耦结构的各天线单元间的耦合降低，隔离度提高。
介质基板的厚度和介电常数根据需求确定。支撑谐振单元的介质基板根据实际情况需求，可以采用不同的厚度、不同的介电常数的介质基板。
通过对超表面的谐振单元尺寸、谐振单元间距以及支撑谐振单元的介质基板的介电常数和厚度进行调整，使得加载超表面去耦结构的天线系统的天线单元之间的耦合系数接近为0，S21小于-20dB。
本申请还提供了一种两单元水平全向天线线阵的实例，如图9所示，701为一个盘锥天线单元，702位所用超表面去耦结构的介质基板，703为介于介质基板702两侧的金属谐振单元，704为天线线阵的地板，705为天线的馈电端口。示例性的，该实例采用图5所示的谐振单元的结构。
对应图3排布的超表面去耦结构，图10和图11示出了互补型开口金属环谐振超表面的谐振单元的电磁特性，图10为介电常数的实虚部，图11为磁导率的实虚部，从图10中可以看出，其拥有较宽的介电常数实部为负的频率带宽，该频段也对应实现去耦合的频段。
为了说明本申请提供的去耦结构对耦合效应的改善结果，图12和图13分别示出了加载去耦合超表面前后，天线系统的仿真S参数。图12为不加载超表面去耦结构的两天线单元组成的线阵天线系统的S参数，可以看到，虽然天线的反射系数S11在所需频段内都小于-10dB，但两单元之间的耦合系数，在两个所需频段内都大于-15dB，接近-10dB。而在加载超表面去耦结构后，如图13所示为仿真结果，两天线之间的耦合系数在两个所需频段内都被降低到低于-20dB，甚至-30dB。强耦合频段内的耦合系数平均值约为-32.75dB。
为了说明本申请的实用性，对上述图9提到的实例进行加工实测，其S参数的测试结果如图14所示，可以看到，实测的结果与仿真数据保持有几乎相同的变化趋势，特别是反射系数，此时强耦合频段内的耦合系数平均值约为-32.66dB。
本申请提供的改善耦合性能的去耦结构能够很好地应用在多天线通信系统中。
综上所述，本申请提供的采用超表面降低水平全向天线隔离度的去耦结构，通过在相邻两个水平全向天线单元之间放置超表面结构去耦合，而超表面结构包括介质基板和设置在介质基板两侧的谐振单元，可以在物理空间受限、相邻天线单元存在强烈互耦的情况下，改善阵列天线单元之间的耦合性能，有效提高水平全向天线阵列单元之间的隔离度。
另外，通过采用不同形式的谐振单元，可以适应不同天线系统的需求，使得周期性的谐振单元在所需频段内谐振，组成的超表面结构对电磁波具有良好的衰落特性，即使得电磁波的透射和反射均很小，不需要额外的匹配手段对天线进行匹配，方案实现难度低。
另外，通过采用不同形状的开口谐振环，可以适应不同天线系统的去耦需求，使得周期性的开口谐振环在所需频段内谐振。
另外，通过对介质基板两侧的谐振单元的排布角度设置0°或90°或180°的旋转角度，可以适应不同天线系统的去耦需求，使得周期性的谐振单元在所需频段内谐振。
另外，通过将超表面结构放置于两个水平全向天线单元的中间位置，使得超表面结构距离两个天线单元的距离相等，在对超表面结构上的谐振单元进行设计时能够更加便捷。
另外，通过调节谐振单元的尺寸、数量、间距等参数，使得谐振单元在指定的频段内谐振，从而可以适应不同的水平全向天线阵列的去耦情况，有效提高水平全向天线单元之间的隔离度。
另外，通过结合实际需求调整介质基板的厚度和介电常数，使得超表面结构能够符合天线系统的实际去耦需求。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含所指示的技术特征的数量。由此，限定的“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或者两个以上。
上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种采用超表面降低水平全向天线隔离度的去耦结构，其特征在于，包括：放置于相邻两个水平全向天线单元之间的超表面结构；至少两个水平全向天线单元组成水平全向天线阵列；
所述超表面结构包括周期性的谐振单元和支撑所述谐振单元的介质基板，所述介质基板垂直于所述水平全向天线阵列的地板，所述谐振单元设置于所述介质基板的两侧。
2.根据权利要求1所述的采用超表面降低水平全向天线隔离度的去耦结构，其特征在于，所述谐振单元采用开口谐振环或金属短线或与所述开口谐振环或所述金属短线互补的结构。
3.根据权利要求2所述的采用超表面降低水平全向天线隔离度的去耦结构，其特征在于，所述开口谐振环包括圆形或方形的开口谐振环。
4.根据权利要求1所述的采用超表面降低水平全向天线隔离度的去耦结构，其特征在于，所述介质基板两侧的谐振单元的排布存在0°或90°或180°的旋转角度。
5.根据权利要求1所述的采用超表面降低水平全向天线隔离度的去耦结构，其特征在于，所述超表面结构放置于两个水平全向天线单元的中间位置。
6.根据权利要求1所述的采用超表面降低水平全向天线隔离度的去耦结构，其特征在于，所述谐振单元的尺寸、数量、间距根据对水平全向天线阵列的去耦情况调整。
7.根据权利要求1至6任一所述的采用超表面降低水平全向天线隔离度的去耦结构，其特征在于，所述介质基板的厚度和介电常数根据需求确定。
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