CN115939762A - 一种2-bit双极化智能超表面天线单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种2比特(bit)双极化智能超表面天线单元，适用于移动通信领域，包括一个贴片，一个带有耦合槽的地板，两条附有PIN二极管开关的微带线以及一个反射板；地板上刻有一个“H”形槽和一个“I”形槽；每个槽下方各有一条微带线，每条微带线包含一条主线以及两条延时线，主线与延时线之间通过PIN二极管开关相连，微带线的长度由PIN二极管开关控制以提供0°、90°、180°以及270°的相位变化；本发明利用4个PIN二极管开关实现了2‑bit双极化的特性，降低了控制电路的设计难度以及天线成本，提升了天线波束的指向精度以及增益。

Description

一种2-bit双极化智能超表面天线单元

技术领域

本发明属于无线通信技术的天线设计技术领域，特别涉及一种2-bit双极化智能超表面天线单元。

背景技术

超表面是一种超薄的人造平面结构，它由结构和功能相似的单元在二维平面内周期排列构成，通过对单元的排列方式进行合理的设计，可以实现对电磁波相位、振幅、频率等参数的调控，在超表面的单元中进一步引入可调元器件即构成了智能超表面。传统的智能超表面为了实现2-bit量化甚至更高比特数，通常要使用多个PIN二极管进行单元状态的切换，这将导致单元的设计难度大大提升，同时，大量PIN二极管的使用会增大单元的损耗，特别是在双极化独立工作的需求之下，复杂的控制电路以及较高的单元损耗都是无法接受的。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种2-bit双极化智能超表面天线单元，以期在实现较低单元损耗的同时，降低控制电路的设计难度以及天线的制造成本，提升天线波束的指向精度以及增益。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种2-bit双极化智能超表面天线单元，自上至下包括贴片、地板、微带线以及反射板；所述地板刻蚀有耦合槽；所述微带线由主线、两个PIN二极管开关以及两段不等长的延时线组成，所述主线位于所述耦合槽的正下方且其投影跨过所述耦合槽，所述主线的两端分别通过一个所述PIN二极管开关连接一段所述延时线，通过所述两个PIN二极管开关控制所述主线与各延时线的联通状态，进而控制所述微带线的长度，以提供0°、90°、180°以及270°的相位变化；所述微带线有两条，分别为两个正交的极化方向提供相移，实现2-bit双极化的特性。

在一个实施例中，所述贴片印刷于介质板一的上表面，所述地板印刷于介质板二的上表面，所述微带线印刷于介质板二的下表面，所述介质板一与所述地板之间为空气层，所述微带线与所述反射板之间为空气层。

在一个实施例中，每条所述微带线的主线的两端分别通过一个PIN二极管开关连接一段延时线；所述耦合槽有两个，每条所述微带线的主线位于一个耦合槽的正下方且其投影跨过相应的耦合槽。

在一个实施例中，两个所述耦合槽的谐振频率均高于天线的工作频段。

在一个实施例中，所述耦合槽由相互隔离的“H”形耦合槽和“I”形耦合槽组成，所述“H”形耦合槽由第一槽、第二槽和第三槽组成，其中第一槽与第三槽平行，第二槽垂直连接于第一槽和第三槽之间，所述“I”形耦合槽与所述第一槽平行，并关于所述第二槽对称，且所述第一槽和第三槽的长度均小于所述“I”形耦合槽的长度。

在一个实施例中，所述贴片的形状为矩形，所述“H”形耦合槽的正下方设置第一微带线，所述第一微带线包括第一主线，所述“I”形耦合槽的正下方设置第二微带线，所述第二微带线包括第二主线；所述第一主线的投影垂直跨过所述第二槽，所述第二主线的投影垂直跨过所述“I”形耦合槽，各所述延时线均与所述“I”形耦合槽平行。

在一个实施例中，所述第二主线的首尾两端分别弯折90°，通过相应的PIN二极管开关与相应的延时线连接，且其首尾段连接的延时线分别位于所述第二主线的两侧。

在一个实施例中，所述主线的投影仅跨过所述耦合槽一次，所述延时线的投影与所述耦合槽不重叠。

在一个实施例中，所述PIN二极管开关的阳极与所述主线连接，阴极与所述延时线连接；当PIN二极管开关闭合时，该PIN二极管开关连接的主线和延时线联通，当PIN二极管开关断开时，该PIN二极管开关连接的主线和延时线断开。

在一个实施例中，所述贴片接收自由空间中的电磁波能量，所述电磁波能量通过地板上刻蚀的耦合槽耦合到微带线的主线，并在微带线末端反射回到主线，经过耦合槽耦合到贴片，进而激励贴片向自由空间辐射。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)2-bit量化，可以提供较低的量化误差以及较高的指向精度。

2)使用PIN二极管数量少，降低了单元的回波损耗，降低了控制电路的设计难度。

3)单元结构简单，采用微带线作为移相器，降低了天线的生产成本。

附图说明

图1为本发明优选实施例的三维结构分解图。

图2为具体实施方式中天线单元的主视图。

图3为具体实施方式中天线单元的顶层贴片俯视图。

图4为具体实施方式中天线单元的中间层地板俯视图。

图5为具体实施方式中天线单元的中间层微带线仰视图。

图6为具体实施方式中天线单元垂直极化的S参数曲线。

图7为具体实施方式中天线单元水平极化的S参数曲线。

图8为具体实施方式中天线单元垂直极化的相移曲线。

图9为具体实施方式中天线单元水平极化的相移曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

如前所述，为实现2-bit量化，现有的智能超表面需要布设大量的PIN二极管，不仅设计难度大，更重要的是损耗较高。尤其是当应用于5G基站时，这种方案已难以适应低功耗以及双极化的要求。

为此，本发明提供了一种智能超表面天线单元，尤其适用于移动通信领域，如图1和图2所示，自上至下包括贴片1、地板3、微带线7以及反射板12。在地板3上刻蚀有耦合槽，微带线7则由主线、两个PIN二极管开关以及两段不等长的延时线连接组成，一条微带线7即为一个2-bit移相器。其中主线位于耦合槽的正下方，并且其投影跨过相应的耦合槽，主线两端与两段延时线之间分别通过一个PIN二极管开关连接，通过各PIN二极管开关即可控制主线与其两段延时线的联通状态，由此控制微带线7的长度，进而提供0°、90°、180°以及270°的相位变化。微带线7包含两条独立的微带线7-1和微带线7-2，两条微带线分别对应天线的两个正交极化，通过在微带线主线的两端分别连接延时线，则每条微带线7的长度由PIN二极管开关控制，从而仅利用四个PIN二极管开关即实现2-bit双极化独立工作，降低了控制电路的设计难度以及天线成本，提升了天线波束的指向精度以及增益。

在本发明中，各PIN二极管开关断开和闭合决定了相应主线和相应延时线的断开和联通。在本发明中，PIN二极管开关的阳极与主线连接，阴极与延时线连接；当PIN二极管开关闭合时，该PIN二极管开关连接的主线和延时线联通，当PIN二极管开关断开时，该PIN二极管开关连接的主线和延时线断开。贴片1接收自由空间中的电磁波能量，电磁波能量通过地板3上刻蚀的耦合槽耦合到微带线7的主线，并在微带线末端反射回到主线，经过耦合槽耦合到贴片1，进而激励贴片1向自由空间辐射。

本发明的一个实施例中，所述的智能超表面天线单元还包括必要的介质板，具体为介质板一2和介质板二6。其中贴片1印刷于介质板一2的上表面，贴片1可以是矩形，如图3所示。地板3印刷于介质板二6的上表面，如图4所示。微带线7印刷于介质板二6的下表面，如图5所示。介质板一2与地板3之间为空气层，微带线7与反射板12之间为空气层。

在本实施例中，给出了天线单元在空间上布设的具体结构。其中，介质板一2与地板3之间的空气层能够拓展天线单元的工作带宽，减小介质损耗。微带线7与反射板12之间的空气层为焊接PIN二极管留出了空间。反射板12可以将耦合槽和微带线向背向泄露的能量反射回天线单元。

本发明的一个实施例中，每条微带线7的主线的两端分别通过一个PIN二极管开关连接一段延时线，两条微带线7即包含了四个PIN二极管开关和四段延时线。同时，耦合槽也有两个，每条微带线7的主线位于一个耦合槽的正下方，且其投影跨过相应的耦合槽。即，每条微带线7对应于一个耦合槽。

本实施例中，给出了两条微带线7和两个耦合槽的关系，通过设计每条微带线7的主线及其两端延时线的不同参数，可以在PIN二极管的控制下对流经微带线的信号附加不同的相移，微带线长度与物理时延呈正相关关系，线宽决定了微带线的特性阻抗。两个耦合槽分别对应于两个正交的极化分量，而微带线则为其上方的耦合槽对应的极化分量提供相移。

本发明的一个实施例中，如图1和图4所示，两个耦合槽分别为“H”形耦合槽4和“I”形耦合槽5组成，二者相互隔离，不具有连接关系。“H”形耦合槽4由第一槽、第二槽和第三槽组成，其中第一槽与第三槽平行，第二槽垂直连接于第一槽和第三槽之间。“I”形耦合槽5与第一槽平行，并关于第二槽对称，“I”形耦合槽5与第三槽的距离小于“I”形耦合槽5与第一槽的距离，即，“I”形耦合槽5更靠近第三槽，确切地说，其应位于第三槽远离第二槽的一侧，也即，“I”形耦合槽5的延伸与“H”形耦合槽4也无交点。其中，第一槽和第三槽的长度均小于“I”形耦合槽5的长度，而第一槽的长度与第三槽的长度相等。

在本实施例中，采用微带线槽耦合的形式为贴片1馈电，与传统的探针馈电相比，天线两极化的隔离度可以得到提升，天线的加工难度更低。此外，槽耦合馈电还可以提供更多的调节自由度，以及更宽的带宽。“H”形耦合槽通过增大整体占用的宽度来压缩槽的长度，进而可以在单一天线单元中同时放置两个正交极化对应的耦合槽，以实现双极化独立工作。

本发明的一个实施例中，如图1和图5所示，微带线7有两条，分别为第一微带线7-1和第二微带线7-2，相应地，第一微带线7-1由第一左侧延时线10-1、第一PIN二极管开关9-1、第一主线8-1、第二PIN二极管开关9-2和第一右侧延时线11-1顺次连接组成。第二微带线7-2由第二左侧延时线10-2、第三PIN二极管开关9-3、第二主线8-2、第四PIN二极管开关9-4和第二右侧延时线11-2顺次连接组成。其中第一微带线7-1设置在“H”形耦合槽4的正下方，第二微带线7-2设置在“I”形耦合槽5的正下方。第一主线8-1的投影垂直跨过“H”形耦合槽4，更具体地，是跨过其第二槽。第二主线8-2的投影垂直跨过“I”形耦合槽5。第一左侧延时线10-1、第二左侧延时线10-2、第一右侧延时线11-1和第二右侧延时线11-2，均与“I”形耦合槽5为平行关系。也即，各延时线均在主线的长度方向延伸。

在本实施例中，微带线7的宽度决定了其特性阻抗，第一主线8-1和第二主线8-2的长度决定了两极化附加相位的参考点，第一左侧延时线10-1、第二左侧延时线10-2、第一右侧延时线11-1和第二右侧延时线11-2的长度决定了由PIN二极管开关控制的不同状态下的相移。微带线7的长度与其提供的相移呈非线性的正相关关系，这种关系主要由微带线对应的耦合槽参数来决定。对于形状和参数都不相同的“H”形耦合槽4和“I”形耦合槽5，需要根据耦合槽下方微带线的频率响应曲线，分别设计各段主线与延时线的长度，以获得理想的相移以及工作带宽。

本发明的一个实施例中，如图1和图5所示，第二主线8-2的主体与“I”形耦合槽5为垂直关系，其首尾两端分别弯折90°，以避免再次跨过耦合槽。示例地，第二主线8-2的首端向右弯折90°，然后通过第四PIN二极管开关9-4连接第二右侧延时线11-2；第二主线8-2的尾端向左弯折90°，然后通过第三PIN二极管开关9-3连接第二左侧延时线10-2，此时，第二左侧延时线10-2位于第二主线8-2的左侧，而第二右侧延时线11-2位于第二主线8-2的右侧。本领域知晓，显然，第二主线8-2的首端也可以向左弯折90°，其尾端亦可以向右弯折90°。

在本实施例中，微带线主线的主体与耦合槽呈垂直关系，以保证耦合槽内的电场方向与微带线一致，从而实现较好的耦合效果。

本发明的一个实施例中，主线的投影仅跨过所述耦合槽一次，延时线避开耦合槽放置，即延时线的投影与耦合槽不重叠。

在本实施例中，根据微带线槽耦合馈电的基本原理，微带线能且只能跨过耦合槽一次，因此所述微带线的延时线应避免再次跨过耦合槽，同时，应避免微带线与天线正交极化的耦合槽发生耦合，故延时线的走线应尽量避开正交极化的耦合槽，即微带线的延时线应同时避开两个耦合槽。示例地，微带线7-2的延时线10-2与延时线11-2进行了90°弯折的设计。

本发明的一个实施例中，工作频段选定为3.4-3.8GHz，属于5G移动通信Sub-6GHz频段中的n78频段。示例地，微带线7的特征阻抗为50欧姆。

本实施例中，贴片1为矩形贴片单元，其长度和宽度约为λ_g(介质中的波长)/2，工作在半波长模式。两耦合槽的谐振频率均高于天线的工作频段，其主要作用是将贴片1与微带线7之间的能量相互进行耦合而不引入额外的谐振点。每条微带线7由一条主线、两个PIN二极管开关以及两条延时线组成，每条微带线中，其两条延时线的长度不相同，通过PIN二极管开关控制主线与延时线的联通关系，改变微带线的总长度，进而提供不同的反射相位。介质板一2为低损耗的F4B高频板，介质板二6为低损耗的罗杰斯RO4003板材。

本发明的技术方案是这样实现的：每一条微带线7即为一个2-bit移相器，它包含一条主线、两个PIN二极管开关以及两条不等长的延时线。两条微带线分别为两个正交的极化方向提供相移以实现天线双极化工作。图5为两条微带线的仰视图，通过改变每条微带线上PIN二极管开关的断开和闭合状态，将会组合出四种微带线的总长度，这四种微带线长度分别对应0°、90°、180°以及270°的单元状态。以第一微带线7-1为例，具体工作原理解释如下：1)当第一PIN二极管开关9-1和第二PIN二极管开关9-2均断开时，微带线长度最短，所提供的相移最小，此时提供的相移作为参考，对应0°相位。2)当第一PIN二极管开关9-1断开而第二PIN二极管开关9-2闭合时，第一主线8-1与较短的第一右侧延时线11-1联通，此时第一微带线7-1长度变长，可以提供更多的相移，对应90°相位。3)当第一PIN二极管开关9-1闭合而第二PIN二极管开关9-2断开时，第一主线8-1与较长的第一左侧延时线10-1联通，此时第一微带线7-1长度相较2)中更长，对应180°相位。4)当第一PIN二极管开关9-1和第二PIN二极管开关9-2均闭合时，第一微带线7-1长度最长，此时提供的相位最大，对应270°相位。表1给出了两个正交极化方向下四种单元状态对应的PIN二极管开关的不同状态组合。因此，该移相器仅使用两个PIN二极管开关即实现了2-bit移相的功能。

表1四种单元状态对应的PIN二极管开关的不同状态组合

其中：0表示开关断开，1表示开关闭合。

图6和图7为单元在两个正交极化方向的S11参数，在工作频段内，四个状态的|S11|参数均小于-0.3dB，说明该天线单元能够有效地将接收到的能量重新辐射到自由空间，单元引起的损耗在实际工程应用中是可接受的。

图8和图9为单元在两个正交极化方向的相移曲线，在工作频段内，单元相邻状态的相位差均保持在90°±20°的区间内，说明该天线单元可以在较宽的工作频段内带来较低的量化误差，进而提供较高的指向精度以及天线增益，量化相位存在一定的偏差在实际工程应用中认为是可接受的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限定，凡是在本发明权利要求范围内所作的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种2-bit双极化智能超表面天线单元，其特征在于，自上至下包括贴片(1)、地板(3)、微带线(7)以及反射板(12)；所述地板(3)刻蚀有耦合槽；所述微带线(7)由主线、两个PIN二极管开关以及两段不等长的延时线组成，所述主线位于所述耦合槽的正下方且其投影跨过所述耦合槽，所述主线的两端分别通过一个所述PIN二极管开关连接一段所述延时线，通过所述两个PIN二极管开关控制所述主线与各延时线的联通状态，进而控制所述微带线(7)的长度，以提供0°、90°、180°以及270°的相位变化；所述微带线(7)有两条，分别为两个正交的极化方向提供相移，实现2-bit双极化的特性。

2.根据权利要求1所述2-bit双极化智能超表面天线单元，其特征在于，所述贴片(1)印刷于介质板一(2)的上表面，所述地板(3)印刷于介质板二(6)的上表面，所述微带线(7)印刷于介质板二(6)的下表面，所述介质板一(2)与所述地板(3)之间为空气层，所述微带线(7)与所述反射板(12)之间为空气层。

3.根据权利要求1所述2-bit双极化智能超表面天线单元，其特征在于，每条所述微带线(7)的主线的两端分别通过一个PIN二极管开关连接一段延时线；所述耦合槽有两个，每条所述微带线(7)的主线位于一个耦合槽的正下方且其投影跨过相应的耦合槽；两个所述耦合槽分别对应于两个正交的极化分量，每条微带线(7)为其上方的耦合槽对应的极化分量提供相移，两条所述微带线(7)分别对应天线的两个正交极化。

4.根据权利要求3所述2-bit双极化智能超表面天线单元，其特征在于，两个所述耦合槽的谐振频率均高于天线的工作频段。

5.根据权利要求3所述2-bit双极化智能超表面天线单元，其特征在于，所述耦合槽由相互隔离的“H”形耦合槽(4)和“I”形耦合槽(5)组成，所述“H”形耦合槽(4)由第一槽、第二槽和第三槽组成，其中第一槽与第三槽平行，第二槽垂直连接于第一槽和第三槽之间，所述“I”形耦合槽(5)与所述第一槽平行，并关于所述第二槽对称，且所述第一槽和第三槽的长度均小于所述“I”形耦合槽(5)的长度。

6.根据权利要求5所述2-bit双极化智能超表面天线单元，其特征在于，所述贴片(1)的形状为矩形，所述“H”形耦合槽(4)的正下方设置第一微带线(7-1)，所述第一微带线(7-1)包括第一主线(8-1)，所述“I”形耦合槽(5)的正下方设置第二微带线(7-2)，所述第二微带线(7-2)包括第二主线(8-2)；所述第一主线(8-1)的投影垂直跨过所述第二槽，所述第二主线(8-2)的投影垂直跨过所述“I”形耦合槽(5)。

7.根据权利要求5所述2-bit双极化智能超表面天线单元，其特征在于，所述第二主线(8-2)的首尾两端分别弯折90°，通过相应的PIN二极管开关与相应的延时线连接，且其首尾段连接的延时线分别位于所述第二主线(8-2)的两侧。

8.根据权利要求3所述2-bit双极化智能超表面天线单元，其特征在于，所述主线的投影仅跨过所述耦合槽一次，所述延时线的投影与所述耦合槽不重叠。

9.根据权利要求3所述2-bit双极化智能超表面天线单元，其特征在于，当PIN二极管开关闭合时，该PIN二极管开关连接的主线和延时线联通，当PIN二极管开关断开时，该PIN二极管开关连接的主线和延时线断开。

10.根据权利要求1所述2-bit双极化智能超表面天线单元，其特征在于，所述贴片(1)接收自由空间中的电磁波能量，所述电磁波能量通过地板(3)上刻蚀的耦合槽耦合到微带线(7)的主线，并在微带线末端反射回到主线，经过耦合槽耦合到贴片(1)，进而激励贴片(1)向自由空间辐射。

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