CN115864005A - 小型化超材料介质谐振器天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种小型化超材料介质谐振器天线，由多层金属电磁超构表面从上至下对齐间隔排列构成，相邻两层金属电磁超构表面之间均用介质基板填充，金属电磁超构表面与介质基板的混合序构组成了具有各向异性介电常数的超材料谐振器，通过设计亚波长金属单元，使得电磁波在不同方向上具有不同的电磁波传播常数，实现小型化；通过馈电探针激励多个模式谐振组合，实现宽带辐射。天线单元具有低剖面、宽带宽和小尺寸的特性，并且天线单元之间的互耦较低。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线通信技术，特别涉及一种小型化超材料介质谐振器天线。
背景技术
在蜂窝移动通信的基站天线设计中，常采用冲压成型的偶极子天线构建阵列，如图1所示偶极子天线阵列结构示意图，单个偶极子天线由反射板与位于反射板上方约1/4波长的导体组成，常见导体长度约为半波长，称为半波振子。半波振子以阵列的方式排列在金属反射板上形成偶极子天线阵列，以满足基站天线对波束宽度、增益和带宽等的要求，同时兼顾成本低、天线效率高、制造简单等优点。
第六代无线移动通信技术对超大规模多入多出天线系统提出了新的需求，要求基站天线同时具备低剖面、小型化、宽频带、多频段、多极化、高隔离度等新的特性，微带贴片天线由于剖面低、加工简单、模式丰富，开始被用于基站天线设计中，为基站天线性能的提升提供更多可能，其基本形式如图2微带贴片天线阵列结构示意图所示，微带天线在一个薄介质基片上，一面附上金属薄层作为反射板，另一面用光刻腐蚀方法制成一定形状的金属贴片，利用微带线或同轴探针对贴片进行馈电。
为满足进一步提升的对通信容量的需求，天线阵列的规模和射频通道数量将持续增大，但传统的基站天线面临以下几个问题：
1、偶极子天线因为要求四分之一波长的高度，使得基站天线整体厚度较大，不适合杆站、灯站等小基站的需求。
2、微带贴片天线具有低剖面的特点，但是其带宽较窄，难以同时覆盖各家运营商的频带要求。
3、天线单元的小尺寸与增益带宽积不可兼得，这使得宽带天线单元在阵列和多入多出天线系统中互耦严重，导致阻抗失配、方向图畸变、天线效率下降、射频通道间相关系数降低等诸多问题，甚至由于增大天线间距导致天线阵列出现严重的栅瓣和副瓣，导致通信系统误码率上升、信噪比下降、跨区干扰等。
发明内容
针对现有移动通信基站天线的大带宽、小尺寸、低互耦不可兼得的问题，提出了一种小型化超材料介质谐振器天线，天线单元同时具有低剖面、大带宽和小尺寸。
本发明的技术方案为：一种小型化超材料介质谐振器天线，由多层金属电磁超构表面从上至下对齐间隔排列构成，相邻两层金属电磁超构表面之间均用介质基板填充，金属电磁超构表面与介质基板的混合序构组成了具有各向异性介电常数的超材料谐振器；每一层金属电磁超构表面由周期性或非周期性的亚波长金属贴片以n×n阵列形式排布构成，且每层亚波长金属贴片的数量至少8个；天线中金属电磁超构表面的层数至少为三层；上下相邻层金属电磁超构表面间的垂直距离相同或不同，且在0.1mm到3mm之间；同层相邻亚波长金属贴片间的距离不大于天线中心频率所对应的波长的十分之一；天线除底层外的任意一层金属电磁超构表面通过金属线、金属丝、金属条、金属棒或金属柱构成的探针与前端激励电路保持电连接。
所述小型化超材料介质谐振器天线，完全相同的小型化超材料介质谐振器天线作为天线单元阵列排布，相邻天线单元中心对中心的间距小于等于0.5λ0，抑制了栅瓣的产生，λ0是在天线的中心频率时真空中的波长。
一种小型化超材料介质谐振器天线的设计方法，通过设计亚波长金属与介质基板的混合序构来构造具有各向异性介电常数的超材料谐振器，使得电磁波在不同方向上具有不同的电磁波传播常数，实现小型化；通过馈电探针激励多个模式谐振组合，实现宽带辐射。
本发明的有益效果在于：本发明小型化超材料介质谐振器天线，实现天线的小尺寸、轻重量和大带宽，以及天线单元间的低互耦。
附图说明
图1为偶极子天线阵列结构示意图；
图2为微带贴片天线阵列结构示意图；
图3为本发明小型化超材料介质谐振器天线结构示意图；
图4为本发明实施例天线单元结构示意图；
图5a～5d为图4天线单元在3.5GHz时前四个特征模式的表面电流和方向图的示意图；
图6为本发明由图4天线单元构成的天线阵列结构示意图；
图7a～7f为图6天线阵列在3.5GHz时前六个特征模式的表面电流和方向图的示意图；
图8为图6天线阵列在3～4GHz被激励的模式的辐射功率的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明小型化超材料介质谐振器天线，为一种用于蜂窝移动基站的天线，通过设计亚波长金属与介质基板的混合序构来构造具有各向异性介电常数的超材料谐振器，使得电磁波在不同方向上具有不同的电磁波传播常数，从而通过馈电探针激励多个模式谐振组合得到宽带辐射性能，并同时实现天线的小尺寸、轻重量和大带宽，以及天线单元间的低互耦。
如图3所示小型化超材料介质谐振器天线结构示意图，天线由多层金属电磁超构表面从上至下对齐间隔排列构成，相邻两层金属电磁超构表面之间均用介质基板填充，金属电磁超构表面与介质基板的混合序构组成了具有各向异性介电常数的超材料谐振器。每一层金属电磁超构表面由周期性或非周期性的亚波长金属贴片以n×n阵列形式排布构成，且每层亚波长金属贴片的数量至少8个。天线中金属电磁超构表面的层数至少为三层(含)。上下相邻层金属电磁超构表面间的垂直距离相同或不同，且在0.1mm到3mm之间。同层相邻亚波长金属贴片间的距离不大于天线中心频率所对应的波长的十分之一。该天线除底层外的任意一层金属电磁超构表面通过金属线、金属丝、金属条、金属棒或金属柱等构成的探针与前端激励电路保持电连接。
图4为该发明涉及的实施例的天线单元结构示意图，该天线单元由四层超构表面等间距(H＝1.524mm)水平叠加放置在金属反射板上构成，相邻两层超构表面之间均用介质基板填充，所有介质基板的尺寸和相对介电常数均相同，该天线单元的总高度为4H＝0.07λ0,其中λ0是在3.5GHz时真空中的波长。每层超构表面上由3×3个大小相等的方形金属贴片单元阵列排布构成，金属贴片与金属贴片的间隙为S＝0.3mm，超构表面的金属贴片单元阵列尺寸为W＝0.29λ0。
图5a～5d为图4天线单元在3.5GHz时前四个特征模式的表面电流和方向图的示意图。其中模式1和模式2是一对简并正交模式，且最大辐射方向都在+z方向。模式3和模式4都是高次模式，在+z方向上具有零深。
图6为由图4天线单元构成的天线阵列结构示意图，天线阵列由2×2个上述天线单元构成，相邻天线单元周期间距为Sp＝0.5λ0。一个天线单元对应一个馈电探针，馈电探针与从上往下第二层超构表面的边缘的中心相连。通过测试得到该天线阵列的阻抗带宽为3.14GHz～3.80GHz(17.8％)，带宽内增益为9.1dBi～11.9dBi。
天线阵列由完全相同的小型化天线单元构成。天线单元长边尺寸小于半波长，满足了相邻单元中心对中心的间距小于等于0.5λ0的需求，从而抑制了栅瓣的产生；该天线单元的小型化增大了单元间的边对边距离，从而降低单元互耦。
图7a～7f为图6天线阵列在3.5GHz时前六个特征模式的表面电流和方向图的示意图。其中模式1、模式5、模式6的电流是沿着y方向的，模式2、模式3、模式4的电流是沿着x方向的。
图8为图6天线阵列在3～4GHz被激励的模式的辐射功率的示意图。通过模式的辐射功率可以观察到通过馈电探针激励的多个模式谐振组合。模式1、模式5、模式6分别在3～3.6GHz、3.6～3.8GHz、3.8～4GHz内提供主要的辐射功率，多模辐射实现了天线阵列的宽带宽。
因此，该天线阵列在保持小尺寸、低剖面同时实现了宽带宽，验证了以上提出的通过多层超构表面实现天线小型化的技术。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (3)
1.一种小型化超材料介质谐振器天线，其特征在于，由多层金属电磁超构表面从上至下对齐间隔排列构成，相邻两层金属电磁超构表面之间均用介质基板填充，金属电磁超构表面与介质基板的混合序构组成了具有各向异性介电常数的超材料谐振器；每一层金属电磁超构表面由周期性或非周期性的亚波长金属贴片以n×n阵列形式排布构成，且每层亚波长金属贴片的数量至少8个；天线中金属电磁超构表面的层数至少为三层；上下相邻层金属电磁超构表面间的垂直距离相同或不同，且在0.1mm到3mm之间；同层相邻亚波长金属贴片间的距离不大于天线中心频率所对应的波长的十分之一；天线除底层外的任意一层金属电磁超构表面通过金属线、金属丝、金属条、金属棒或金属柱构成的探针与前端激励电路保持电连接。
2.根据权利要求1所述小型化超材料介质谐振器天线，其特征在于，完全相同的小型化超材料介质谐振器天线作为天线单元阵列排布，相邻天线单元中心对中心的间距小于等于0.5λ0，抑制了栅瓣的产生，λ0是在天线的中心频率时真空中的波长。
3.一种小型化超材料介质谐振器天线的设计方法，其特征在于，通过设计亚波长金属与介质基板的混合序构来构造具有各向异性介电常数的超材料谐振器，使得电磁波在不同方向上具有不同的电磁波传播常数，实现小型化；通过馈电探针激励多个模式谐振组合，实现宽带辐射。
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