CN117394027B - 一种双频自隔离带内全双工超表面天线及其设计方法 - Google Patents

一种双频自隔离带内全双工超表面天线及其设计方法 Download PDF

Info

Publication number
CN117394027B
CN117394027B CN202311694288.2A CN202311694288A CN117394027B CN 117394027 B CN117394027 B CN 117394027B CN 202311694288 A CN202311694288 A CN 202311694288A CN 117394027 B CN117394027 B CN 117394027B
Authority
CN
China
Prior art keywords
feed
super
microstrip feeder
antenna
microstrip
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202311694288.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN117394027A (zh
Inventor
褚庆昕
李顺
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
South China University of Technology SCUT
Original Assignee
South China University of Technology SCUT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by South China University of Technology SCUT filed Critical South China University of Technology SCUT
Priority to CN202311694288.2A priority Critical patent/CN117394027B/zh
Publication of CN117394027A publication Critical patent/CN117394027A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN117394027B publication Critical patent/CN117394027B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/52—Means for reducing coupling between antennas; Means for reducing coupling between an antenna and another structure
    • H01Q1/521—Means for reducing coupling between antennas; Means for reducing coupling between an antenna and another structure reducing the coupling between adjacent antennas
    • H01Q1/525—Means for reducing coupling between antennas; Means for reducing coupling between an antenna and another structure reducing the coupling between adjacent antennas between emitting and receiving antennas
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/48—Earthing means; Earth screens; Counterpoises
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/50—Structural association of antennas with earthing switches, lead-in devices or lightning protectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/0086—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices having materials with a synthesized negative refractive index, e.g. metamaterials or left-handed materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q5/00—Arrangements for simultaneous operation of antennas on two or more different wavebands, e.g. dual-band or multi-band arrangements
    • H01Q5/10—Resonant antennas
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q5/00—Arrangements for simultaneous operation of antennas on two or more different wavebands, e.g. dual-band or multi-band arrangements
    • H01Q5/20—Arrangements for simultaneous operation of antennas on two or more different wavebands, e.g. dual-band or multi-band arrangements characterised by the operating wavebands
    • H01Q5/28—Arrangements for establishing polarisation or beam width over two or more different wavebands
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q5/00—Arrangements for simultaneous operation of antennas on two or more different wavebands, e.g. dual-band or multi-band arrangements
    • H01Q5/30—Arrangements for providing operation on different wavebands
    • H01Q5/307—Individual or coupled radiating elements, each element being fed in an unspecified way
    • H01Q5/314—Individual or coupled radiating elements, each element being fed in an unspecified way using frequency dependent circuits or components, e.g. trap circuits or capacitors
    • H01Q5/335—Individual or coupled radiating elements, each element being fed in an unspecified way using frequency dependent circuits or components, e.g. trap circuits or capacitors at the feed, e.g. for impedance matching
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Landscapes

  • Waveguide Aerials (AREA)

Abstract

本发明公开了一种双频自隔离带内全双工超表面天线及其设计方法，包括：超表面辐射体、带耦合孔的金属接地板、第一介质基板和第二介质基板以及两条微带馈线；超表面辐射体由多个矩形贴片单元周期排列组成，印刷在第一介质基板上；金属接地板的最大尺寸与第一介质基板相同，在金属接地板的中间部位刻蚀一个加载两个T形缝隙枝节的长条形馈电缝隙，金属接地板印刷在第二介质基板上表面，第二介质基板的下表面印刷了两条并行排列的微带馈线，分别连接两个端口，都采用50欧姆的SMA接头馈电。本发明的天线具有结构紧凑、宽带宽、高隔离等优势。

Description

一种双频自隔离带内全双工超表面天线及其设计方法
技术领域
本发明涉及天线的技术领域，尤其是指一种基于特征模理论的双频自隔离带内全双工超表面天线及其设计方法。
背景技术
天线作为无线通信系统的关键部件，能够向外辐射以及接收外部电磁波，决定着整个通信系统的质量。通信技术的迅猛发展带动了无线通信的容量急剧增大，使得本就宝贵的频谱资源更加拥堵。
带内全双工天线能够在同一频段内同时发射和接受电磁波信号，与传统的时分和频分双工系统相比，它能成倍提高频谱利用效率而受到了广泛的关注。特别是由于多个端口为相同极化时，发射和接收的方向图一致，导致发射和接收信道存在强烈的自干扰，这会严重降低天线的性能以及系统的通信质量，而使其应用场景受到很大的限制。
在目前的研究中，有多种方法能够抑制自干扰，包括收发双极化,使用环形器及耦合器等方法。但这会使得发射和接收的方向图不一致导致可能对系统产生干扰信号，或者会增大天线系统的体积，引入较大的损耗，且只能在单个窄带内工作及隔离度不高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种基于特征模理论的双频自隔离带内全双工超表面天线及其设计方法，该天线的两个端口共享同一个馈电缝隙及辐射体，大大缩减了天线的体积，并且没有添加任何外部器件，实现了两个宽频带内的高隔离度性能。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种基于特征模理论的双频自隔离带内全双工超表面天线，该天线能够在同一时间同一频率实现同时发射和接收电磁波信号，其包括超表面辐射体、第一介质基板、金属接地板、第二介质基板、长条形馈电缝隙、第一T形缝隙枝节、第二T形缝隙枝节、第一微带馈线、第二微带馈线、第一馈电端口和第二馈电端口；所述超表面辐射体由多个相同的矩形贴片单元构成，两两矩形贴片单元之间保持间隔并呈周期性排列，且关于X轴和Y轴对称，被印刷在第一介质基板的上表面；所述金属接地板紧贴在第一介质基板的下表面，被印刷在第二介质基板的上表面；所述金属接地板的中间部位刻蚀一个长条形馈电缝隙，所述金属接地板与长条形馈电缝隙的中心一致，所述长条形馈电缝隙的长边平行于Y轴，短边平行于X轴；所述长条形馈电缝隙的中间部位分别加载第一T形缝隙枝节和第二T形缝隙枝节；所述第一T形缝隙枝节和第二T形缝隙枝节的竖边与X轴平行，所述第一T形缝隙枝节与第二T形缝隙枝节关于Y轴对称，并且自身关于X轴对称；所述第一微带馈线和第二微带馈线尺寸相同，都被印刷在第二介质基板的下表面；所述第一微带馈线和第二微带馈线的一端与第二介质基板的边缘在同一Y方向上齐平，并平行于X轴放置，另一端垂直穿过长条形馈电缝隙；所述第一微带馈线位于第一T形缝隙枝节的负Y轴方向，所述第二微带馈线位于第一T形缝隙枝节的正Y轴方向；所述第一微带馈线和第二微带馈线与第二介质基板的边缘在同一Y方向上齐平的一端分别连接第一馈电端口和第二馈电端口。
进一步，所述第一馈电端口和第二馈电端口采用50欧姆的SMA接头馈电。
进一步，所述第一微带馈线与第二微带馈线共享相同的长条形馈电缝隙和超表面辐射体，且极化方式相同。
进一步，所述矩形贴片单元为金属矩形贴片单元。
进一步，当所述第一馈电端口作为发射端口时，所述第二馈电端口能够作为接收端口；当所述第二馈电端口作为发射端口时，所述第一馈电端口能够作为接收端口；所述第一馈电端口和第二馈电端口具有高隔离度，相互独立。
进一步，所述电磁波信号由第一馈电端口经第一微带馈线耦合至长条形馈电缝隙，进而激励超表面辐射体，在天线远场处产生线极化波。
进一步，所述电磁波信号由第二馈电端口经第二微带馈线耦合至长条形馈电缝隙，进而激励超表面辐射体，在天线远场处产生线极化波。
本发明也提供了一种上述的双频自隔离带内全双工超表面天线的设计方法，包括以下步骤：
1）选择多个矩形贴片单元周期排列的超表面结构作为天线的辐射体；
2）确定天线的两个工作频段，分析超表面辐射体在这两个工作频段内的多个特征模式的磁场分布，要使天线获得自隔离特性，则需要选择具有两个零点区域的模式作为目标模式，并提取模式重要性系数曲线来判断该模式能不能使得天线获得预期的工作频带；
3）若两个工作频段内的模式重要性系数小于设定值，则需要添加耦合缝隙馈电方式，并在添加馈电缝隙之后提取模式重要性系数曲线，以确保在耦合缝隙馈电的激励下，天线在所期望的工作频带内的模式重要性系数大于设定值；
4）确定第一微带馈线的馈电位置，并判断激励后能否获得期望的两个工作频带，其中，第一微带馈线的馈电位置应在第一特征磁场零点区域附近，并观察在不同位置下的反射系数曲线分布，以获得最佳馈电位置，并验证是否达到了预期的工作频带；
5）在确定第一微带馈线后，再确定第二微带馈线的馈电位置，判断第二微带馈线的位置是否影响第一微带馈线下获得的工作频带，以及两者之间是否满足高隔离度的要求；其中，第二条馈线应放置在第二特征磁场零点区域附近，并验证两个端口间是否达到了预期的隔离度及对第一微带馈线的影响；
6）使用全波电磁商业仿真软件CST对天线的超表面辐射体的长度及宽度，第一、二微带馈线的长度及宽度进行参数优化，以使天线达到最佳性能。
进一步，所述设定值为0.707。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本发明利用特征模理论分析了辐射体结构的多个特征磁场分布，分别选择具有两个零点区域的模式作为目标模式。在此基础上，采用了馈电缝隙结构使得天线能够满足双频工作频带需求，并把两条馈线放置在磁场零点区域附近以获得高隔离度。
2、本发明利用特征模理论设计的天线能够在不添加任何外部结构的条件下实现两个频段的自隔离效果，能够抑制天线在同时发射和接收电磁波信号情况下的自干扰。
3、本发明提供的天线的发射和接收端口共享了馈电缝隙和辐射体，使得结构更加紧凑。
4、本发明提供的天线的发射和接收端口能够以相同的极化方式在相同的频段工作，且两者的方向图保持对称特性。
5、本发明的基于特征模理论的双频自隔离带内全双工超表面天线的设计方法具有更清晰和直观的指导过程，天线的馈电位置能够被精准地预测到，且能获得多个宽带工作频段，并且在每个频段内都能获得多个耦合零点，使得天线具有宽带自隔离效果。
附图说明
图1为本发明的设计方法流程图。
图2为本发明设计的双频自隔离带内全双工超表面天线结构图。
图3为超表面辐射体的结构示意图。
图4为超表面辐射体的特征模式3在3.43GHz处的磁场分布图。
图5为超表面辐射体的特征模式3在3.9GHz处的磁场分布图。
图6为超表面辐射体的特征模式34在4.84GHz处的磁场分布图。
图7为超表面辐射体的特征模式34在5.16GHz处的磁场分布图。
图8为超表面辐射体的特征模式3的模式重要性曲线图。
图9为超表面辐射体的特征模式34的模式重要性曲线图。
图10为带有长条形馈电缝隙、第一T形缝隙枝节和第二T形缝隙枝节的金属接地板结构图。
图11为添加带有长条形馈电缝隙、第一T形缝隙枝节和第二T形缝隙枝节的金属接地板的超表面辐射体的特征模式3的模式重要性曲线图。
图12为添加带有长条形馈电缝隙、第一T形缝隙枝节和第二T形缝隙枝节的金属接地板的超表面辐射体的特征模式34的模式重要性曲线图。
图13a为第一微带馈线及第一馈电端口的不同偏移距离d1示意图。
图13b为第一微带馈线及第一馈电端口在不同偏移距离d1下的反射曲线S11图。
图14a为第一微带馈线及第一馈电端口固定不变，第二微带馈线及第二馈电端口的不同偏移距离d2示意图。
图14b为第一微带馈线及第一馈电端口固定不变，第二微带馈线及第二馈电端口在不同偏移距离d2下的反射曲线S11图。
图14c为第一微带馈线及第一馈电端口固定不变，第二微带馈线及第一馈电端口在不同偏移距离d2下的隔离度曲线S21图。
图15为本发明设计的双频自隔离带内全双工超表面天线的反射曲线S11及隔离度曲线S21图。
图16为第一微带馈线及第一馈电端口固定不变，第二微带馈线及第二馈电端口翻转180度的结构图。
图17为第一微带馈线及第一馈电端口固定不变，第二微带馈线及第二馈电端口翻转180度的反射曲线S11及隔离度曲线S21图。
图18为本发明设计的双频自隔离带内全双工超表面天线在第一馈电端口激励时的不同频点方向图。
图19为本发明设计的双频自隔离带内全双工超表面天线在第二馈电端口激励时的不同频点方向图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图2和图3所示，本实施例提供了一种基于特征模理论的双频自隔离带内全双工超表面天线，包括超表面辐射体1、第一介质基板2、金属接地板3、第二介质基板4、长条形馈电缝隙5、第一T形缝隙枝节51、第二T形缝隙枝节52、第一微带馈线61、第二微带馈线62、第一馈电端口71和第二馈电端口72；所述超表面辐射体1由多个相同的金属矩形贴片单元构成，矩形贴片单元之间保持间隔并呈周期性排列，且关于X轴和Y轴对称，被印刷在第一介质基板2的上表面，其中每个矩形贴片单元的长度和宽度分别为13.25mm和11mm，相邻两个矩形贴片单元的横向和纵向间距分别为0.95mm和0.725mm；所述第一介质基板2的材质为Rogers 4350B，介电常数为3.55，损耗角正切为0.0037，第一介质基板2的长和宽均是82mm，高度为4.572mm；所述金属接地板3紧贴在第一介质基板2的下表面，被印刷在第二介质基板4的上表面；所述金属接地板3的中间部位刻蚀一个长条形馈电缝隙5，所述金属接地板3与长条形馈电缝隙5的中心一致，所述长条形馈电缝隙5的长边平行于Y轴，短边平行于X轴；所述长条形馈电缝隙5的中间部位分别加载第一T形缝隙枝节51和第二T形缝隙枝节52；所述第一T形缝隙枝节51和第二T形缝隙枝节52的竖边与X轴平行，所述第一T形缝隙枝节51与第二T形缝隙枝节52关于Y轴对称，并且自身关于X轴对称；如图2、图10所示，所述金属接地板3印刷在第二介质基板4的上表面，位于第一介质基板2的下层，长和宽均是82mm；所述第二介质基板4的材质为Rogers 4350B，介电常数为3.55，损耗角正切为0.0037，第二介质基板4的长和宽均是82mm，高度为0.508mm；所述长条形馈电缝隙5的长度为62.5mm，宽为2.1mm；第一T形缝隙枝节51和第二T形缝隙枝节52的水平部分长度为8.5mm，宽为1.7mm，竖直部分长度为3.7mm，宽为2.7mm；所述第一微带馈线61及第二微带馈线62尺寸相同，都被印刷在第二介质基板4的下表面，为金属材质；所述第一微带馈线61及第二微带馈线62都距离中心线8.965mm，且长度均为51mm，宽度均为1.45mm；所述第一微带馈线61及第二微带馈线62的一端与第二介质基板4的边缘在同一Y方向上齐平，并平行于X轴放置，另一端垂直穿过长条形馈电缝隙5；所述第一微带馈线61位于第一T形缝隙枝节51的负Y轴方向，所述第二微带馈线62位于第一T形缝隙枝节51的正Y轴方向；所述第一微带馈线61和第二微带馈线62与第二介质基板4的边缘在同一Y方向上齐平的一端连接第一馈电端口71和第二馈电端口72，都采用了50欧姆的SMA接头馈电。
上述天线可以在同一时间同一频率实现同时发射和接收电磁波信号，并且没有引入额外的结构，也即没有引入多余的损耗，仅靠自身的特性，实现了发射和接收信道的高隔离效果。天线可以工作在两个宽频带，可以满足多个场景应用。
第一微带馈线61与第二微带馈线62共享相同的长条形馈电缝隙5和超表面辐射体1，结构紧凑，且极化方式相同。
当第一馈电端口71作为发射端口时，第二馈电端口72可以作为接收端口。当第二馈电端口72作为发射端口时，第一馈电端口71可以作为接收端口。第一馈电端口71和第二馈电端口72具有很高的隔离度，相互独立。
电磁波信号由第一馈电端口71经第一微带馈线61耦合至长条形馈电缝隙5，进而耦合给超表面辐射体1辐射出去，在天线远场处产生线极化波。
电磁波信号由第二馈电端口72经第二微带馈线62耦合至长条形馈电缝隙5，进而耦合给超表面辐射体1辐射出去，在天线远场处产生线极化波。
如图1所示，本实施例上述双频自隔离带内全双工超表面天线的设计流程如下：
步骤1， 选择多个矩形贴片单元周期排列的超表面结构作为天线的辐射体；
步骤2， 确定天线的两个工作频段，分析超表面辐射体在这两个工作频段内的多个特征模式的磁场分布，要使天线获得自隔离特性，则需要选择具有两个零点区域的模式作为目标模式，并提取模式重要性系数曲线来判断该模式能不能使得天线获得预期的工作频带，如图4、图5所示，显示了在低频时超表面辐射体模式3的特征磁场分布，在两个频率点处，中间一列超表面单元的磁场分布较为微弱，而旁边的磁场较为强烈，若把馈线放置在适当的位置，则有可能实现宽带有效激励及高隔离度。如图6、图7所示，显示了在高频时超表面辐射体模式34的特征磁场分布，在两个频率点处，在中间及两侧超表面单元的相接处，磁场分布较为微弱，形成了相对的零点区域，而旁边的较为强烈，是实现宽带有效激励及高隔离度的目标模式。提取模式重要性系数曲线，如图8、图9所示，模式3和模式34在所预期工作频段内模式重要性系数曲线过低，很难将两种模式激励起来，也即难以获得预期的工作频带。
步骤3，若两个工作频段内的模式重要性系数小于0.707，则需要添加耦合缝隙馈电方式。并在添加馈电缝隙之后提取模式重要性系数曲线，以确保在耦合缝隙馈电的激励下，天线在所期望的工作频带内的模式重要性系数大于0.707；
如图11、图12所示，模式3和模式34在所预期工作频段内模式重要性系数曲线均大于0.707，两种模式易被激励起来，获得预期的工作频带。
步骤4，确定第一微带馈线的馈电位置，并判断激励后能否获得期望的两个工作频带。其中，第一微带馈线的馈电位置原则上应在第一特征磁场零点区域附近，并观察在不同位置下的反射系数曲线分布，以获得最佳馈电位置，并验证是否达到了预期的工作频带；
第一微带馈线馈电位置应在第一个特征磁场零点区域附近，并观察不同位置下的反射系数曲线分布以验证预期的工作频带；如图13a、图13b所示，把单馈线及其激励端口放置于相应的位置，并通过偏移中心的距离d1观察反射系数的变化情况。当距离d1从4.965mm逐步增加到8.965mm时，位于低频的两个谐振频率点在相互靠拢，使得工作频带在逐渐变宽；而在高频时的两个谐振点的反射系数则是越来越小，并且在8.965mm时，两个谐振点之间还出现了第三个谐振点，高频的工作频带随之被拓展；而当距离d1从8.965mm继续增加到12.965mm时，低频的两个谐振频率点也继续相互靠拢，直至融为一体，工作频带却在逐渐变窄；而高频的两个谐振频率点却相互远离，分成了两个窄带频段。综合来看，把馈线在偏移中心8.965mm的位置上能够实现出想要的工作频带。
步骤5，在确定第一微带馈线后，再确定第二微带馈线的馈电位置，判断第二微带馈线的位置是否影响第一微带馈线下获得的工作频带，以及两者之间是否满足高隔离度的要求；其中，第二条馈线原则上应放置在第二特征磁场零点区域附近，并验证两个端口间是否达到了预期的隔离度及对第一微带馈线的影响；
第二微带馈线应放置在第二个特征磁场零点区域附近，以获得两个端口间的高隔离度；当确定了激励的端口及馈电的位置之后，另一条馈电端口及馈线的位置也同样需要分析；根据磁场零点的分布情况，第二微带馈线应该放置于中心线的另一边；我们同样观察偏移中心不同距离d2时的S参数变化情况；如图14a、图14b和图14c所示，随着第二微带馈线的偏移距离d2不同，工作频带受到的影响很小，而隔离度的变化就比较大；当距离d2从4.965mm逐步增加到8.965mm，低频的两个最大隔离度的频率和数值都在增大；而在高频时，两个最大隔离度的频率几乎不发生变化，而数值一直都在增大；而当距离d2从8.965mm继续增加到12.965mm时，低频的第一个最大隔离度的频率和数值在继续增大，而第二个最大隔离度的数值却在急剧减小；高频的两个最大隔离度的数值都在减小；所以综合来看，当两条馈线的偏移距离d1和d2都正好偏移中心8.965mm时，形成了对称馈电结构，能够获得双频宽带工作频带和高隔离度；所以，可以选择任意一个端口作为发射端口，另一个作为接收端口，且可以同时工作，发射和接收端口共享了同一长条形馈电缝隙和超表面辐射体，且都具备双频宽带工作特性，两个端口之间的自干扰得到了很好的抑制，并且没有添加额外的结构，没有引入其它的损耗，结构紧凑，两个端口的极化方式相同，具有对称的方向图特性。
步骤6，使用全波电磁商业仿真软件CST对天线的超表面辐射体的长度及宽度，第一、二微带馈线的长度及宽度进行参数优化，以使天线达到最佳性能。
本实施例上述的双频自隔离带内全双工超表面天线效果可通过以下仿真进一步说明：
仿真1，利用CST软件对本发明的双频自隔离带内全双工超表面天线的S参数进行仿真计算，结果如图15所示。本发明的双频自隔离带内全双工超表面天线可以同时覆盖3.26-4.1GHz和4.58-5.19GHz频段，天线隔离度均在13dB以下，其中最好隔离度高达48dB，具有良好的隔离效果。
仿真2，通过对前述特征磁场分布的观察来看，其存在着关于Y轴的对称特性。保持第一馈电端口及第一微带馈线不变，将第二馈电端口及第二微带馈线沿Y轴对称放置，如图16、图17所示，显示了S参数几乎保持不变，所以根据应用场景的不同，有更多的天线布局方案可供考虑。
仿真3，利用CST对本发明的双频自隔离带内全双工超表面天线的方向图进行仿真计算，结果如图18、图19所示，其中，图18为第一馈电端口在3.43GHz、3.9GHz、4.84GHz和5.16GHz Hz频点所对应的方向图，图19为第二馈电端口在3.43GHz、3.9GHz、4.84GHz和5.16GHz频点所对应的方向图。可以看出，本发明的双频自隔离带内全双工超表面天线中的两个端口在不同频点的方向图基本保持对称性，发射和接收的方向图一致。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于特征模理论的双频自隔离带内全双工超表面天线，其特征在于，该天线能够在同一时间同一频率实现同时发射和接收电磁波信号，其包括超表面辐射体(1)、第一介质基板(2)、金属接地板(3)、第二介质基板(4)、长条形馈电缝隙(5)、第一T形缝隙枝节(51)、第二T形缝隙枝节(52)、第一微带馈线(61)、第二微带馈线(62)、第一馈电端口(71)和第二馈电端口(72)；所述超表面辐射体(1)由多个相同的矩形贴片单元构成，两两矩形贴片单元之间保持间隔并呈周期性排列，且关于X轴和Y轴对称，被印刷在第一介质基板(2)的上表面；所述金属接地板(3)紧贴在第一介质基板(2)的下表面，被印刷在第二介质基板(4)的上表面；所述金属接地板(3)的中间部位刻蚀一个长条形馈电缝隙(5)，所述金属接地板(3)与长条形馈电缝隙(5)的中心一致，所述长条形馈电缝隙(5)的长边平行于Y轴，短边平行于X轴；所述长条形馈电缝隙(5)的中间部位分别加载第一T形缝隙枝节(51)和第二T形缝隙枝节(52)；所述第一T形缝隙枝节(51)和第二T形缝隙枝节(52)的竖边与X轴平行，所述第一T形缝隙枝节(51)与第二T形缝隙枝节(52)关于Y轴对称，并且自身关于X轴对称；所述第一微带馈线(61)和第二微带馈线(62)尺寸相同，都被印刷在第二介质基板(4)的下表面；所述第一微带馈线(61)和第二微带馈线(62)的一端与第二介质基板(4)的边缘在同一Y方向上齐平，并平行于X轴放置，另一端垂直穿过长条形馈电缝隙（5）；所述第一微带馈线(61)位于第一T形缝隙枝节（51）的负Y轴方向，所述第二微带馈线(62)位于第一T形缝隙枝节(51)的正Y轴方向；所述第一微带馈线(61)和第二微带馈线(62)与第二介质基板(4)的边缘在同一Y方向上齐平的一端分别连接第一馈电端口(71)和第二馈电端口(72)；所述第一微带馈线(61)与第二微带馈线(62)共享相同的长条形馈电缝隙(5)和超表面辐射体(1)，且极化方式相同。
2.根据权利要求1所述的一种基于特征模理论的双频自隔离带内全双工超表面天线，其特征在于，所述第一馈电端口(71)和第二馈电端口(72)采用50欧姆的SMA接头馈电。
3.根据权利要求1所述的一种基于特征模理论的双频自隔离带内全双工超表面天线，其特征在于，所述矩形贴片单元为金属矩形贴片单元。
4.根据权利要求1所述的一种基于特征模理论的双频自隔离带内全双工超表面天线，其特征在于，当所述第一馈电端口(71)作为发射端口时，所述第二馈电端口(72)能够作为接收端口；当所述第二馈电端口(72)作为发射端口时，所述第一馈电端口(71)能够作为接收端口；所述第一馈电端口(71)和第二馈电端口(72)具有高隔离度，相互独立。
5.根据权利要求1所述的一种基于特征模理论的双频自隔离带内全双工超表面天线，其特征在于，所述电磁波信号由第一馈电端口(71)经第一微带馈线(61)耦合至长条形馈电缝隙(5)，进而激励超表面辐射体(1)，在天线远场处产生线极化波。
6.根据权利要求1所述的一种基于特征模理论的双频自隔离带内全双工超表面天线，其特征在于，所述电磁波信号由第二馈电端口(72)经第二微带馈线(62)耦合至长条形馈电缝隙(5)，进而激励超表面辐射体(1)，在天线远场处产生线极化波。
7.权利要求1至6任意一项所述的一种基于特征模理论的双频自隔离带内全双工超表面天线的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）选择多个矩形贴片单元周期排列的超表面结构作为天线的辐射体；
2）确定天线的两个工作频段，分析超表面辐射体在这两个工作频段内的多个特征模式的磁场分布，要使天线获得自隔离特性，则需要选择具有两个零点区域的模式作为目标模式，并提取模式重要性系数曲线来判断该模式能不能使得天线获得预期的工作带宽；
3）若两个工作频段内的模式重要性系数小于设定值，则需要添加耦合缝隙馈电方式，并在添加馈电缝隙之后提取模式重要性系数曲线，以确保在耦合缝隙馈电的激励下，天线在所期望的工作带宽内的模式重要性系数大于设定值；
4）确定第一微带馈线的馈电位置，并判断激励后能否获得期望的两个工作带宽；其中，第一微带馈线的馈电位置应在第一特征磁场零点区域附近，并观察在不同位置下的反射系数曲线分布，以获得最佳馈电位置，并验证是否达到了预期的工作带宽；
5）在确定第一微带馈线后，再确定第二微带馈线的馈电位置，判断第二微带馈线的位置是否影响第一微带馈线下获得的工作带宽，以及两者之间是否满足高隔离度的要求；其中，第二条馈线应放置在第二特征磁场零点区域附近，并验证两个端口间是否达到了预期的隔离度及对第一微带馈线的影响；
6）使用全波电磁商业仿真软件CST对天线的超表面辐射体的长度及宽度，第一、二微带馈线的长度及宽度进行参数优化，以使天线达到最佳性能。
8.根据权利要求7所述的一种基于特征模理论的双频自隔离带内全双工超表面天线的设计方法，其特征在于，所述设定值为0.707。
CN202311694288.2A 2023-12-12 2023-12-12 一种双频自隔离带内全双工超表面天线及其设计方法 Active CN117394027B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311694288.2A CN117394027B (zh) 2023-12-12 2023-12-12 一种双频自隔离带内全双工超表面天线及其设计方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311694288.2A CN117394027B (zh) 2023-12-12 2023-12-12 一种双频自隔离带内全双工超表面天线及其设计方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN117394027A CN117394027A (zh) 2024-01-12
CN117394027B true CN117394027B (zh) 2024-03-08

Family

ID=89472496

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202311694288.2A Active CN117394027B (zh) 2023-12-12 2023-12-12 一种双频自隔离带内全双工超表面天线及其设计方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN117394027B (zh)

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105591197A (zh) * 2016-02-29 2016-05-18 华南理工大学 一种低剖面、宽带、高增益滤波天线
CN105680153A (zh) * 2016-03-18 2016-06-15 努比亚技术有限公司 一种天线和终端
CN106711595A (zh) * 2016-12-12 2017-05-24 武汉滨湖电子有限责任公司 一种低剖面的c波段双极化多层微带贴片天线单元
CN109841965A (zh) * 2019-03-07 2019-06-04 华南理工大学 一种定向辐射的宽带多谐振低剖面超表面天线
CN109904605A (zh) * 2019-03-05 2019-06-18 电子科技大学 基于混合his的宽带极化可重构天线及高性能天线阵列
CN112968278A (zh) * 2021-03-29 2021-06-15 广州智讯通信系统有限公司 一种全双工滤波天线阵列
CN114374085A (zh) * 2021-12-09 2022-04-19 南通大学 一种面向5g毫米波双频段应用的双极化混合天线
CN115084856A (zh) * 2022-07-21 2022-09-20 广东工业大学 低剖面高隔离度超表面微带贴片天线及无线通信设备
CN115332787A (zh) * 2022-08-10 2022-11-11 电子科技大学 一种四端口高隔离mimo天线

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105591197A (zh) * 2016-02-29 2016-05-18 华南理工大学 一种低剖面、宽带、高增益滤波天线
CN105680153A (zh) * 2016-03-18 2016-06-15 努比亚技术有限公司 一种天线和终端
CN106711595A (zh) * 2016-12-12 2017-05-24 武汉滨湖电子有限责任公司 一种低剖面的c波段双极化多层微带贴片天线单元
CN109904605A (zh) * 2019-03-05 2019-06-18 电子科技大学 基于混合his的宽带极化可重构天线及高性能天线阵列
CN109841965A (zh) * 2019-03-07 2019-06-04 华南理工大学 一种定向辐射的宽带多谐振低剖面超表面天线
CN112968278A (zh) * 2021-03-29 2021-06-15 广州智讯通信系统有限公司 一种全双工滤波天线阵列
CN114374085A (zh) * 2021-12-09 2022-04-19 南通大学 一种面向5g毫米波双频段应用的双极化混合天线
CN115084856A (zh) * 2022-07-21 2022-09-20 广东工业大学 低剖面高隔离度超表面微带贴片天线及无线通信设备
CN115332787A (zh) * 2022-08-10 2022-11-11 电子科技大学 一种四端口高隔离mimo天线

Also Published As

Publication number Publication date
CN117394027A (zh) 2024-01-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106856261B (zh) 天线阵列
CN110911839B (zh) 一种5g双频带高隔离双端口共地单极子天线
US7423591B2 (en) Antenna system
CN109088165B (zh) 一种基于超表面的宽带双极化天线
CN111987458B (zh) 双频天线阵列中相邻矩形贴片间的去耦结构
CN108110415B (zh) 一种紧凑型双频圆极化微带天线
CN111211400A (zh) 高隔离、低侧面的宽带mimo天线系统
CN109830802B (zh) 一种毫米波双极化贴片天线
CN111430919A (zh) 一种小型化具有三陷波特性的uwb-mimo天线
CN113193360A (zh) 基于电磁耦合抵消的自解耦mimo天线
CN114156659A (zh) Sub-6GHz和毫米波频段的宽带共口径偶极子阵列
El-Hassan et al. Compact-Size Quad-Band Patch and MIMO Antenna System for 5G Mobile Handsets.
CN212033242U (zh) 微带天线
CN109037936A (zh) 一种宽频带微带贴片天线
KR100674200B1 (ko) 다중 ｕ-슬롯 마이크로스트립 패치 안테나
CN117394027B (zh) 一种双频自隔离带内全双工超表面天线及其设计方法
KR100425381B1 (ko) 광대역용 이중원편파 마이크로스트립 패치안테나
CN114597652A (zh) 天线阵列
CN211320310U (zh) 高隔离、低侧面的宽带mimo天线系统
Ashraf et al. Reduction of Correlation Coefficient Using Frequency Selective Surface for Multi-band MIMO Antenna
Jeyabharathi et al. A Compact Meander Infused (CMI) MIMO Antenna for 5G Wireless Communication
CN113809530A (zh) 一种基于场对消解耦的高隔离度mimo天线
CN109861003B (zh) 一种超材料宽带高隔离mimo天线
Manirathnam et al. A Compact, Two-Port MIMO Antenna for mm-wave 5G Application
Patil et al. 5G Dual Band Microstrip patch antenna

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant