CN115084873A - 一种基于电磁超材料的双极化1比特天线及数字比特阵列 - Google Patents

一种基于电磁超材料的双极化1比特天线及数字比特阵列 Download PDF

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Abstract

本发明的一种基于电磁超材料的双极化1比特天线，其特征在于，包括：金属地板；十字交叉介质基板；具有电磁超谐振器的十字交叉环形金属结构；十字交叉介质基板固定在金属地板的表面，用于支撑天线与电磁超谐振器；十字交叉介质基板具有2块薄层低耗介质基板，2块薄层低耗介质基板垂直相交；2块薄层低耗介质基板垂直相交重合的部分为交叉柱；其中，所述交叉柱垂直于金属地板的表面；本发明的有益效果体现在提出了一种新颖的电磁超材料双极化1比特辐射结构，具有小型化、高辐射效率、隔离度好以及结构紧凑等优点。基于电磁超材料的双极化数字比特阵列，具有小型化、低成本、双极化多波束切换和设计自由度高等优点，能够满足双极化5G多波束基站的应用需求。

Description

一种基于电磁超材料的双极化1比特天线及数字比特阵列
技术领域
本发明属于属于射频天线技术领域，涉及多波束天线技术领域，具体涉及一种基于电磁超材料的双极化1比特天线及数字比特阵列。
背景技术
以5G无线通信和智慧物联网技术为代表的新一代无线通信体系，正在深刻变革着人们的日常生活和各项生产活动。相较于传统的2G/3G/4G无线通信系统，5G通信系统采用了新的高频段、大规模MIMO架构以及多波束扫描技术，因此5G通信系统实现了高传输速率、低时延以及高稳定的通信链路。然而传统的2G/3G/4G通信系统一般采用固定波束的全向天线或双极化天线，因此难以满足5G系统对多波束辐射和动态扫描波束对准的性能要求。由于多波束天线具有多个可切换的辐射波束或模式，既能有选择的对准不同的发射或来波方向，也能够进行空间扫描覆盖，能够增强信道的抗干扰能力，同时有效地改善多径效应，因此多波束天线技术被引入到5G基站应用中。数字比特阵列，作为一类新型的多波束天线，不仅具有多个不同的辐射波束，同时具有低成本特性。相比于传统的相控阵，数字比特阵列不需要价格高昂的T/R组件，因此具有显著的低成本特性。同时不同于传统相控阵的多波束连续扫描，数字比特阵列既能够实现了多个互补的方向图的切换，即空间的补盲覆盖，也可以进行一定的空间多波束扫描。
目前，数字比特阵列按照现有文献，大致可分为三类：线极化数字1比特阵列、平面二维数字比特阵列、圆极化可重构数字2比特阵列，以及漏波形式数字比特阵列。线极化1比特阵列，采用电调的1比特天线单元实现多个互补波束的切换，存在极化模式单一，面对复杂的电磁信道环境易出现极化失配的问题。平面二维数字比特阵列，采用可重构的1比特贴片天线作为阵元进行二维布阵，为了实现二维平面的波束变化，需要布设大量的开关偏置电路，因此存在结构复杂的问题，同时由于阵元仍然为线极化1比特贴片天线，因此也同样存在极化模式单一的缺点。圆极化可重构数字2比特阵列，采用了2比特(相位切换步进为90°)的可重构贴片天线，在实现多波束切换的同时可以进行双圆极化(左旋圆极化和右旋圆极化)的可重构。为了实现多波束切换和圆极化可重构，需要搭建2比特相位切换器和90°移相器，因此不仅需要大量的射频开关，还需要多路的电压控制，因此存在成本高和结构复杂的问题。漏波形式数字比特阵列，采用了2比特移相器在定频状态下进行波束的相扫，但是漏波天线通常存在波束控制能力较弱和整体阵列尺寸大的缺点。
发明内容
为解决上述现有技术问题，本发明提供一种基于电磁超材料的双极化1比特天线及数字比特阵列。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
提供一种基于电磁超材料的双极化1比特天线，其特征在于，包括：
金属地板；
十字交叉介质基板；
具有电磁超谐振器的十字交叉环形金属结构；
其中，所述十字交叉介质基板固定在金属地板的表面，用于支撑天线与电磁超谐振器；
其中，十字交叉介质基板具有2块薄层低耗介质基板，2块薄层低耗介质基板垂直相交；
其中，2块薄层低耗介质基板垂直相交重合的部分为交叉柱；
其中，所述交叉柱垂直于金属地板的表面；
其中，两个相互垂直的电磁超谐振器组成十字交叉环形金属结构，用于形成双极化辐射；
其中，所述十字交叉环形金属结构包括开放部、交叉部，开放部为两个电磁超谐振器的两端，交叉部为两个电磁超谐振器的交叉重合部分；
其中，十字交叉环形金属结构固定在十字交叉介质基板的表面，交叉部与交叉线固定连接；
其中，所述开放端与金属地板短接；
其中，所述金属地板双面敷铜薄层介质基板结构。
优选的，电磁超谐振器具有环形金属结构、叠层电容和金属地板；
其中，所述环形金属结构、所述叠层电容和所述金属地板用于形成谐振电流环路；
其中，环形金属结构为环形金属贴片，附在十字交叉介质基板的表面，两端与金属地板短接。
优选的，所述叠层电容为中间夹十字交叉介质基板的两层金属贴片组成，印刷在十字交叉介质基板的两面；
其中，一个环形金属结构上具有多个叠层电容。
优选的，金属地板具有金属贴片，所述金属贴片为薄金属贴片，所述金属贴安装在电磁超谐振器的内侧，用作耦合馈电结构的参考地板；
其中，所述金属贴片上面具有缝隙；
其中，所述金属贴片竖直贴合在十字交叉介质基板的交叉线四周的表面。
优选的，具有U-型耦合馈电微带线；
耦合缝隙；
其中，所述耦合缝隙为矩形细长缝隙，刻蚀在金属贴片的两侧；
其中，所述U-型耦合馈电微带线为微带线结构，用于传输射频馈电信号；
所述U-型耦合馈电微带线印刷在十字交叉介质基板的表面，U-型耦合馈电微带线的一端与双极化馈电微带线相连接，U-型耦合馈电微带线的另外一端悬空；
其中，缝隙与U-型耦合馈电微带线组成耦合馈电结构，耦合馈电结构用于激励电超材料谐振器；
其中，每组耦合缝隙由左右两个相对设置的耦合馈电结构组成，用于辐射波相位1比特切换。
优选的，具有双极化馈电微带线；
其中，所述双极化馈电微带线位于金属地板的背面，双极化馈电微带线用作双极化天线的馈电传输线；
优选的，具有相位开关电路；
其中，所述相位开关电路与双极化馈电微带线连接；
优选的，所述相位开关电路包括单刀双掷开关以及其直流偏置电路，印刷在金属地板的背面，安装在双极化馈电微带线的中间位置，用于实现1比特相位的电调切换。
提供一种基于电磁超材料的双极化数字比特阵列，其特征在于，具有阵元；
其中，所述阵元为基于电磁超材料的双极化1比特天线；
优选的，所述一种基于电磁超材料的双极化数字比特阵列通过控制每一个阵元的相位开关电路选择馈电端口，用以实现双极化的多波束数字切换和多波束补盲扫描覆盖。
本发明的有益效果体现在，本发明基于电磁超材料小型化原理和高隔离双极化1比特机制，利用电磁超谐振器辐射体，提出了一种新颖的电磁超材料双极化1比特辐射结构，具有小型化、高辐射效率、隔离度好以及结构紧凑等优点。基于电磁超材料的双极化数字比特阵列，具有小型化、低成本、双极化多波束切换和设计自由度高等优点，能够满足双极化5G多波束基站的应用需求。本发明的双极化数字比特阵列，在不使用T/R组件和多波束形成网络馈电的前提下，仅通过控制阵元上的相位比特开关和馈电端口，即不仅实现双极化的多波束切换，同时还实现了低成本的设计，满足5G基站大规模部署的要求。
附图说明：
图1示出了基于电磁超材料的高隔离度双极化1比特天线3D视图；
图2示出了基于电磁超材料的高隔离度双极化1比特天线三视图，其中(a)为俯视图，(b)为侧视图，(c)为前视图；
图3示出了基于电磁超材料的高隔离度双极化1比特天线带宽图；
图4示出了基于电磁超材料的高隔离度双极化1比特天线辐射性能图；
图5示出了基于电磁超材料的双极化数字比特阵列3D视图；
图6示出了基于电磁超材料的双极化数字比特阵列三视图，其中(a)为俯视图，(b)为侧视图，(c)为前视图；
图7示出了基于电磁超材料的双极化数字比特阵列带宽图，其中图7(a)为各阵元端口反射系数，图7(b)为阵元间端口隔离度；
图8示出了基于电磁超材料的双极化数字比特阵列辐射性能图，其中：(a)表示0000状态，(b)表示0011状态，(c)表示0110状态，(d)表示0101状态。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-8所示，本发明提供的具体实施例如下：
实施例1：
一种基于电磁超材料的双极化1比特天线，其特征在于，包括：
金属地板；
十字交叉介质基板；
具有电磁超谐振器的十字交叉环形金属结构；
其中，所述十字交叉介质基板固定在金属地板的表面，用于支撑天线与电磁超谐振器；
其中，十字交叉介质基板具有2块薄层低耗介质基板，2块薄层低耗介质基板垂直相交；
其中，2块薄层低耗介质基板垂直相交重合的部分为交叉柱；
其中，所述交叉柱垂直于金属地板的表面；
其中，两个相互垂直的电磁超谐振器组成十字交叉环形金属结构，用于形成双极化辐射；
其中，所述十字交叉环形金属结构包括开放部、交叉部，开放部为两个电磁超谐振器的两端，交叉部为两个电磁超谐振器的交叉重合部分；
其中，十字交叉环形金属结构固定在十字交叉介质基板的表面，交叉部与交叉线固定连接；
其中，所述开放端与金属地板短接；
其中，所述金属地板双面敷铜薄层介质基板结构。
目前，数字比特阵列按照现有文献大致可分为三类：线极化数字1比特阵列、平面二维数字比特阵列、圆极化可重构数字2比特阵列，以及漏波形式数字比特阵列。线极化1比特阵列，采用电调的1比特天线单元实现多个互补波束的切换，存在极化模式单一，面对复杂的电磁信道环境易出现极化失配的问题。平面二维数字比特阵列，采用可重构的1比特贴片天线作为阵元进行二维布阵，为了实现二维平面的波束变化，需要布设大量的开关偏置电路，因此存在结构复杂的问题，同时由于阵元仍然为线极化1比特贴片天线，因此也同样存在极化模式单一的缺点。圆极化可重构数字2比特阵列，采用了2比特(相位切换步进为90°)的可重构贴片天线，在实现多波束切换的同时可以进行双圆极化(左旋圆极化和右旋圆极化)的可重构。为了实现多波束切换和圆极化可重构，需要搭建2比特相位切换器和90°移相器，因此不仅需要大量的射频开关，还需要多路的电压控制，因此存在成本高和结构复杂的问题。漏波形式数字比特阵列，采用了2比特移相器在定频状态下进行波束的相扫，但是漏波天线通常存在波束控制能力较弱和整体阵列尺寸大的缺点。目前，其他形式的数字比特阵列，均难以实现小型化、低成本且具备双极化多波束切换的能力，因此现有的数字比特阵列难以满足5G基站的通信需求。
在本实施例中，如图1-4所示，为本发明的优选方案之一，提出了一种新型的基于电磁超材料的高隔离双极化1比特辐射结构，天线上的十字交叉环形金属结构1，由两个相互垂直摆放的电磁超谐振器2组成，为天线的辐射体，以此实现电磁信号的辐射或接收。十字交叉介质基板10，实现了天线和电磁超谐振器的物理支撑；金属地板11，由双面覆铜的介质基板构成，用作天线的参考地板，同时也作为电磁超谐振器的环流组成部分，实现天线的定向辐射。提供了两个极化正交的辐射模式，能够有效的提高抗干扰能力等。
本发明提出的环形电磁超谐振器结构以及十字交叉形式的电磁超材料辐射结构，具有小型化、低损耗和可多极化辐射的特性，基于此可以进行线极化、双极化、圆极化以及三极化辐射体的设计。本发明的天线在没有采用额外移相器的前提下，实现了小型化、高性能、高隔离度的1比特双极化天线设计，能够适用于不同的数字比特阵应用，如线阵、面阵以及圆阵等。
实施例2：
电磁超谐振器具有环形金属结构、叠层电容和金属地板；
其中，所述环形金属结构、所述叠层电容和所述金属地板用于形成谐振电流环路；
其中，环形金属结构为环形金属贴片，附在十字交叉介质基板的表面，两端与金属地板短接。
在本实施例中，电磁超谐振器由环形金属结构3、叠层电容4和金属地板组成，形成了谐振电流环路，等效为一个放置在PEC表面的磁流源，实现了定向辐射和小型化设计；电磁超谐振器的环形金属结构，是环状共形金属贴片，基于Q-chu极限定理，最大化利用了天线辐射空间，实现了带宽的最大化。
实施例3：
所述叠层电容为中间夹十字交叉介质基板的两层金属贴片组成，印刷在十字交叉介质基板的两面；
其中，一个环形金属结构上具有多个叠层电容。
在本实施例中，电磁超谐振器的叠层电容，为多个串入电磁超谐振器环形金属上的电容结构，利用电容的空间电场泄露特性，构造出均匀的天线辐射口径，实现了高辐射效率。
实施例4：
金属地板具有金属贴片，所述金属贴片为薄金属贴片，所述金属贴安装在电磁超谐振器的内侧，用作耦合馈电结构的参考地板；
其中，所述金属贴片上面具有缝隙；
其中，所述金属贴片竖直贴合在十字交叉介质基板的交叉线四周的表面。
在本实施例中，竖直放置的金属贴片5，为金属地板的延伸，为耦合馈电的实施提供了参考地。
实施例5：
具有U-型耦合馈电微带线；
耦合缝隙；
其中，所述耦合缝隙为矩形细长缝隙，刻蚀在金属贴片的两侧；
其中，所述U-型耦合馈电微带线为微带线结构，用于传输射频馈电信号；
所述U-型耦合馈电微带线印刷在十字交叉介质基板的表面，U-型耦合馈电微带线的一端与双极化馈电微带线相连接，U-型耦合馈电微带线的另外一端悬空；
其中，缝隙与U-型耦合馈电微带线组成耦合馈电结构，耦合馈电结构用于激励电超材料谐振器；
其中，每组耦合缝隙由左右两个相对设置的耦合馈电结构组成，用于辐射波相位1比特切换。
在本实施例中，耦合缝隙6用于耦合出与电磁超谐振器极化平行的电场分量，实现对电磁超谐振器的激励；U-型耦合馈电微带线7，传输射频馈电信号，用于激励起耦合缝隙上面的电场分量，同时两个相对放置的U-型耦合馈电微带线，激励起一对相位相反的电场分量(即1比特相位)，当激励起其中一个U-型耦合馈电微带线时，就可以实现0°或者180°两个相位的选择，为简化控制将0°相位设置为“0”状态，180°相位设置为“1”状态，即相位的1比特切换(0/1)。
实施例6：
具有双极化馈电微带线；
其中，所述双极化馈电微带线位于金属地板的背面，双极化馈电微带线用作双极化天线的馈电传输线；
具有相位开关电路；
其中，所述相位开关电路与双极化馈电微带线连接；
其中，所述相位开关电路包括单刀双掷开关以及其直流偏置电路，印刷在金属地板的背面，安装在双极化馈电微带线的中间位置，用于实现1比特相位的电调切换。
在本实施例中，双极化馈电微带线8，实现了高隔离度的双极化馈电；相位开关电路9，由单刀双掷开关组成，用于选择激励起左右U-型耦合馈电微带线中的任意一个，实现1比特相位的电调切换。
实施例7：
具有阵元；
其中，所述阵元为基于电磁超材料的双极化1比特天线；
其中，所述一种基于电磁超材料的双极化数字比特阵列通过控制每一个阵元的相位开关电路选择馈电端口，用以实现双极化的多波束数字切换和多波束补盲扫描覆盖。
在本实施例中，如图5-8所示，为本发明的优选方案之一，阵列上的阵元12，有四个双极化相位1比特天线作为阵元组成，通过控制每一个阵元的相位开关9和选择馈电端口，实现了双极化的多波束数字切换和多波束补盲扫描覆盖。特别是，采用了双极化相位1比特天线作为数字比特阵列的阵元，能够低成本的前提下(少量阵元、不需要T/R或移相器)，实现高隔离的双极化多波束切换，满足双极化5G多波束基站对双极化覆盖辐射和动态多波束的性能要求。
本发明的数字比特阵列，实现了双极化下多波束切换，解决了传统数字比特阵列难以实现双极化辐射的问题，能够满足5G多波束基站对双极化多波束天线的要求；本发明的数字比特阵列，阵元形式简单，控制电路精简，低成本，解决了传统多波束相控阵由于需要大量阵元和T/R组件而难以低成本大规模部署应用的局限。本发明能够在一定程度上解决传统数字比特阵列存在的尺寸大和结构复杂的问题，难以在小型化系统或设备中应用。本发明能够在一定程度解决现有双极化数字比特阵列难以在小型化和低成本的前提下，同时兼顾双极化多波束切换等问题。
双极化1比特天线和双极化数字比特阵列，可以根据不同的应用场景，对频率、极化形式、数量和天线材料变化等灵活调整，从而满足不同的sub6GHz通信系统的应用需求。
有必要陈述的事实是，本实施例中的阵列天线，仅为一个面向双极化5G基站应用的验证实施例，包含但不限于阵列数量(大于或等于两个阵元)、布阵形式(线阵、圆阵、面阵和稀疏/稀布阵)以及比特相位控制形式(开关类型可为PIN二级管、射频开关芯片和MEMS开关等)。
在本发明的实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“坚直”、“水平”、“中心”、“顶”、“底”、“顶部”、“底部”、“内”、“外”、“内侧”、“外侧”等指示的方位或位置关系。
在本发明的实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“组装”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的实施例的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
在本发明的实施例的描述中，需要理解的是，“-”和“～”表示的是两个数值之同的范围，并且该范围包括端点。例如:“A-B”表示大于或等于A，且小于或等于B的范围。“A～B”表示大于或等于A，且小于或等于B的范围。
在本发明的实施例的描述中，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于电磁超材料的双极化1比特天线，其特征在于，包括：
金属地板；
十字交叉介质基板；
具有电磁超谐振器的十字交叉环形金属结构；
其中，所述十字交叉介质基板固定在金属地板的表面，用于支撑天线与电磁超谐振器；
其中，十字交叉介质基板具有2块薄层低耗介质基板，2块薄层低耗介质基板垂直相交；
其中，2块薄层低耗介质基板垂直相交重合的部分为交叉柱；
其中，所述交叉柱垂直于金属地板的表面；
其中，两个相互垂直的电磁超谐振器组成十字交叉环形金属结构，用于形成双极化辐射；
其中，所述十字交叉环形金属结构包括开放部、交叉部，开放部为两个电磁超谐振器的两端，交叉部为两个电磁超谐振器的交叉重合部分；
其中，十字交叉环形金属结构固定在十字交叉介质基板的表面，交叉部与交叉线固定连接；
其中，所述开放端与金属地板短接；
其中，所述金属地板双面敷铜薄层介质基板结构。
2.根据权利要求1所述的一种基于电磁超材料的双极化1比特天线，其特征在于，
电磁超谐振器具有环形金属结构、叠层电容和金属地板；
其中，所述环形金属结构、所述叠层电容和所述金属地板用于形成谐振电流环路；
其中，环形金属结构为环形金属贴片，附在十字交叉介质基板的表面，两端与金属地板短接。
3.根据权利要求2所述的一种基于电磁超材料的双极化1比特天线，其特征在于，
所述叠层电容为中间夹十字交叉介质基板的两层金属贴片组成，印刷在十字交叉介质基板的两面；
其中，一个环形金属结构上具有多个叠层电容。
4.根据权利要求3所述的一种基于电磁超材料的双极化1比特天线，其特征在于，
金属地板具有金属贴片，所述金属贴片为薄金属贴片，所述金属贴安装在电磁超谐振器的内侧，用作耦合馈电结构的参考地板；
其中，所述金属贴片上面具有缝隙；
其中，所述金属贴片竖直贴合在十字交叉介质基板的交叉线四周的表面。
5.根据权利要求4所述的一种基于电磁超材料的双极化1比特天线，其特征在于，
具有U-型耦合馈电微带线；
耦合缝隙；
其中，所述耦合缝隙为矩形细长缝隙，刻蚀在金属贴片的两侧；
其中，所述U-型耦合馈电微带线为微带线结构，用于传输射频馈电信号；
所述U-型耦合馈电微带线印刷在十字交叉介质基板的表面，U-型耦合馈电微带线的一端与双极化馈电微带线相连接，U-型耦合馈电微带线的另外一端悬空；
其中，缝隙与U-型耦合馈电微带线组成耦合馈电结构，耦合馈电结构用于激励电超材料谐振器；
其中，每组耦合缝隙由左右两个相对设置的耦合馈电结构组成，用于辐射波相位1比特切换。
6.根据权利要求5所述的一种基于电磁超材料的双极化1比特天线，其特征在于，
具有双极化馈电微带线；
其中，所述双极化馈电微带线位于金属地板的背面，双极化馈电微带线用作双极化天线的馈电传输线。
7.根据权利要求6所述的一种基于电磁超材料的双极化1比特天线，其特征在于，
具有相位开关电路；
其中，所述相位开关电路与双极化馈电微带线连接。
8.根据权利要求7所述的一种基于电磁超材料的双极化1比特天线，其特征在于，
所述相位开关电路包括单刀双掷开关以及其直流偏置电路，印刷在金属地板的背面，安装在双极化馈电微带线的中间位置，用于实现1比特相位的电调切换。
9.一种基于电磁超材料的双极化数字比特阵列，其特征在于，
权利要求1-8之任一项权利要求所述的一种基于电磁超材料的双极化1比特天线；
具有阵元；
其中，所述阵元为基于电磁超材料的双极化1比特天线。
10.根据权利要求9所述的一种基于电磁超材料的双极化数字比特阵列，其特征在于，
所述一种基于电磁超材料的双极化数字比特阵列通过控制每一个阵元的相位开关电路选择馈电端口，用以实现双极化的多波束数字切换和多波束补盲扫描覆盖。
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