小型化混合超材料方向图可重构天线及多波束阵列天线

1.本发明涉及多波束扫描阵列天线技术领域，具体涉及一种小型化混合超材料方向图可重构天线及多波束阵列天线。


背景技术：

2.由于人们对高速、低延时和高稳定无线通信的强烈需求，当下以5g通信为核心的无线通信和物联网技术正在不断的快速部署和推进。依托sub 6ghz频段的5g通信技术，作为5g无线通信的重要组成部分，被广泛部署到室内、城市和农村等场景。在基站端，与传统的全向基站天线和双极化固定波束基站天线不同的是，5g基站天线需要支持更高速率、高可靠性和高抗干扰的通信需求。多波束天线不仅能够动态地调整波束指向，还能实现空域的扫描覆盖，因此被引入5g的基站应用中。多波束天线，大致可分为三类：机械扫描多波束天线、方向图可重构天线和相控阵。传统的机械扫描多波束天线，常为可旋转的抛物面反射天线，因此存在结构复杂，波束切换响应慢等问题。方向图可重构天线，主要是在天线辐射体上加载可控电子元件，需要额外的偏置电路网络，存在波束扫描受限和辐射损耗大(辐射能力受限)等缺点。传统的相控阵，需要大规模的阵元以及配套的t/r组件，来实现灵活的空域波束扫描和波束赋形等功能，因此存在高成本的问题。为了进一步满足5g基站对宽角多波束扫描和成本控制的需求，低成本宽角多波束扫描阵列被不断开发。
3.目前，低成本宽角多波束扫描阵列，可大致分为四类：机电扫描阵列、宽波束单元扫描阵列、梯度电磁超表面加载阵列和方向图可重构阵列等。传统机电扫描阵列天线，为了实现全向空域扫描，需要精密的机电伺服系统，因此存在占用空间体积大、造价高和响应速度慢等缺点。宽波束单元扫描阵列，通常会选用具有宽波束的阵元，如电偶极子和磁偶极子等，虽然采用宽波束阵元能够增大阵列波束扫描角度，但是阵列的工作带宽较窄，难以满足sub 6ghz宽频带通信需求。梯度超表面加载阵列，为了拓宽扫描角度，会在天线上空域引入一层梯度相位折射超表面结构，因此会出现天线剖面高、多层结构复杂和工作带宽受限等问题。传统的方向图可重构阵列，采用方向图可重构的天线作为单个阵元，天线的性能在很大程度上取决于阵元的辐射性能，因此常存在工作带宽窄和天线尺寸大等缺点和问题。通过上述现有技术的综述分析，目前的5g基站宽角多波束扫描阵列天线，均难以实现小型化、低成本、宽带宽、且同时具备宽角波束扫描，因此现有的宽角多波束扫描阵列天线难以满足sub 6ghz 5g基站的通信需求。


技术实现要素：

4.针对现有5g多波束基站天线难以在小型化和低成本的前提下，同时兼顾宽频带工作和宽角波束扫描等问题，本发明提供了一种小型化混合超材料方向图可重构天线及多波束阵列天线。
5.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
6.第一方面，本发明提出了一种小型化混合超材料方向图可重构天线，包括：
7.金属地板；
8.设置在所述金属地板上以引入垂直极化单极子模式并进行模式选择的耦合馈电结构；及
9.设置在所述金属地板和耦合馈电结构上以耦合介质谐振器模式和超谐振器模式的混合电磁超材料结构体。
10.进一步地，所述混合电磁超材料结构体包括：
11.设置在所述金属地板和耦合馈电结构上的介质谐振器；及
12.设置在所述介质谐振器上表面的超材料结构。
13.进一步地，所述超材料结构为由多个贴片超材料表面结构板构成的蘑菇型超材料结构。
14.进一步地，所述混合电磁超材料结构体中设置有贯穿加载的金属加载钉，所述金属加载钉的末端与所述耦合馈电结构连接。
15.进一步地，所述耦合馈电结构包括：
16.开设在所述金属地板上的耦合馈电缝隙槽；
17.设置在所述金属地板上并与所述耦合馈电缝隙槽交叉的耦合馈电微带线；及
18.设置在所述金属地板上并与所述金属加载钉的末端连接的模式选择电路。
19.进一步地，所述模式选择电路包括分别设置在所述耦合馈电缝隙槽一侧的第一开关及偏置电路和所述耦合馈电缝隙槽另一侧的第二开关及偏置电路。
20.进一步地，所述混合电磁超材料结构体中设置有贯穿加载的超材料金属短路钉。
21.第二方面，本发明还提出了一种小型化混合超材料多波束阵列天线，包括：
22.金属支撑板；及
23.设置在所述金属支撑板上由多个如上述小型化混合超材料方向图可重构天线作为阵元构成的阵列。
24.本发明具有以下有益效果：
25.(1)本发明提出的小型化混合超材料方向图可重构天线及多波束阵列天线具有尺寸小、结构紧凑、带宽宽、高辐射特性(损耗低)、多波束扫描能力好以及多功能的选择等优点，适用于不同sub 6ghz应用和设备的通信需求，特别是5g微基站和宏基站天线；
26.(2)本发明中的天线尺寸小和结构紧凑的优点，使得该发明适用于小型化基站和空间受限的场景中；
27.(3)本发明中的天线工作带宽宽，能够覆盖sub 6ghz应用的频段，满足5g通信和物联网通信需求；
28.(4)本发明中的天线具有损耗低、成本低(少量阵元)等优点，能够满足大规模的基站部署；
29.(5)本发明中的天线具有波束连续扫描角度大的优点，能够满足多波束基站对宽角扫描覆盖的需求；
30.(6)本发明中的天线提供了多个方案，可以根据实际的使用场景，通过选择单元/阵列形式，以及阵列阵元数量等，进而实现不同波束扫描角度的选择，从而实现满足不用应用场景的需求。
31.(7)本发明中的天线成本低，仅采用pcb板、陶瓷介质和金属铝板、螺钉等结构，易
于生产和大规模应用。
附图说明
32.图1为本发明实施例1中小型化混合超材料方向图可重构天线的结构示意图；
33.图2为本发明实施例1中小型化混合超材料方向图可重构天线的俯视结构图；
34.图3为本发明实施例1中混合电磁超材料结构体的俯视结构图；
35.图4为本发明实施例1中金属地板的俯视结构图；
36.图5为本发明实施例1中小型化混合超材料方向图可重构天线的带宽性能示意图；
37.图6为本发明实施例1中小型化混合超材料方向图可重构天线的辐射性能示意图；
38.图7为本发明实施例2中小型化混合超材料多波束阵列天线的结构示意图；
39.图8为本发明实施例2中小型化混合超材料多波束阵列天线的俯视结构图；
40.图9为本发明实施例2中小型化混合超材料多波束阵列天线的带宽性能示意图；
41.图10为本发明实施例2中小型化混合超材料多波束阵列天线的辐射性能示意图。
42.其中附图标记为：1、超材料结构，2、介质谐振器，3、贴片超材料表面结构板，4、超材料金属短路钉，5、金属加载钉，6、耦合馈电缝隙槽，7、耦合馈电微带线，8、模式选择电路，9、金属地板，10、金属支撑板。
具体实施方式
43.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
44.实施例1
45.如图1和图2所示，本发明实施例提供了一种小型化混合超材料方向图可重构天线，包括：
46.金属地板9；
47.设置在金属地板9上以引入垂直极化单极子模式并进行模式选择的耦合馈电结构；及
48.设置在金属地板9和耦合馈电结构上以耦合介质谐振器模式和超谐振器模式的混合电磁超材料结构体。
49.在本实施例中，本发明基于电磁超材料原理、电可重构技术和惠更斯辐射理论，结合介质谐振器辐射体，提出了一种新的混合电磁超材料结构，具有尺寸小、响应带宽宽、辐射性能好等优点。
50.上述混合电磁超材料结构体包括设置在金属地板9和耦合馈电结构上的介质谐振器2及设置在介质谐振器2上表面的超材料结构1。
51.具体而言，上述介质谐振器2由高介电常数陶瓷材料构成，采用方形、圆形、棱形等类似柱形结构。介质谐振器2放置在金属地板9上，用于作为天线的能量辐射体，在谐振时向外辐射能量。
52.如图3所示，上述超材料结构1为由多个贴片超材料表面结构板3构成的蘑菇型超
材料结构，如2
×
2共4个贴片超材料表面结构板3构成的蘑菇型超材料结构，3
×
3共9个贴片超材料表面结构板3构成的蘑菇型超材料结构等类似多单元平面结构。以3
×
3类似蘑菇型超材料结构为例，采用3行3列贴片超材料表面结构板3组成阵列形式构成本发明的超材料结构1。上述超材料结构1通过加载在介质谐振器2上表面，与介质谐振器2构成混合电磁超材料结构体。本发明通过混入了具有强谐振的超谐振器模式，实现了天线结构的小型化；同时将介质谐振器模式和超谐振器模式耦合使用，获得了宽频带，从而实现了天线的小型化设计、带宽拓展和高辐射性能的效果。
53.在本实施例中，上述混合电磁超材料结构体中设置有贯穿加载的金属加载钉5，金属加载钉5的末端与耦合馈电结构连接。
54.具体而言，本发明在混合电磁超材料结构体的中部设置贯穿其上、下表面进行加载的金属加载钉5，该金属加载钉5由两根金属圆柱构成，并将金属加载钉5的末端与金属地板9上布设的耦合馈电结构连接，通过调节耦合馈电结构来引入垂直极化的单极子模式，根据惠更斯辐射理论，进而实现了方向图的偏转辐射。
55.在本实施例中，上述混合电磁超材料结构体中设置有贯穿加载的超材料金属短路钉4。
56.具体而言，本发明在混合电磁超材料结构体的四周设置贯穿其上、下表面进行加载的超材料金属短路钉4。金属短路钉用于将贴片超材料表面结构板3和金属地板9电连接起来，通过形成加载电感，增强超谐振器模式的谐振效果，从而降低混合电磁超材料结构体的谐振频率，进而进一步实现小型化设计。
57.在本实施例中，上述耦合馈电结构包括开设在金属地板9上的耦合馈电缝隙槽6；设置在金属地板9上并与耦合馈电缝隙槽6交叉的耦合馈电微带线7；及设置在金属地板9上并与金属加载钉5的末端连接的模式选择电路8。
58.具体而言，如图4所示，本发明通过在金属地板9上开设耦合馈电缝隙槽6，并在金属地板9上与耦合馈电缝隙槽6交叉布设t型耦合馈电微带线7，从而作为混合电磁超材料结构体的激励源，实现将rf信号馈入混合电磁超材料结构体。
59.上述模式选择电路8包括分别设置在耦合馈电缝隙槽6一侧的第一开关及偏置电路和耦合馈电缝隙槽6另一侧的第二开关及偏置电路；第一开关及偏置电路和第二开关及偏置电路结构相同，均由在金属地板上腐刻的微带偏置电路和pin开关二极管组成，具体包括直流dc+、隔交电感、隔直电容、开关二极管、限流电阻、直流dc-以及起电连接作用的焊盘。由于第一开关及偏置电路和第二开关及偏置电路分别与两根金属加载钉5的末端直接连接，因此可以调节pin开关二极管的状态来进行垂直极化的单极子模式的选择；并且根据惠更斯辐射理论，通过选择不同的单极子模式，能够在e面实现方向图的可重构，并保持宽带宽和高辐射效率，从而满足了5g基站对可重构方向图的需求。
60.在本实施例中，上述金属地板9由单面覆铜的介质基板构成，用作天线的参考地板，实现天线的定向辐射。
61.本发明基于传统的全模huygens原理，通过镜像操作，引入地平面，构造出定向辐射的磁偶极子形式和半模电偶极子(单极子)形式，提出一种新颖的半模huygens原理，实现了偏转朝向辐射。通过模式选择电路8选择两根单极子的接入，即可实现多波束的扫描。
62.本发明采用了水平极化平面多波束扫描，能够进行平面选择性覆盖，实现了小型
化设计、宽带宽和多波束扫描，能够适用于5g室内微基站天线的应用。
63.本发明的小型化宽带宽特性的混合电磁超材料结构，使得基于此的方向图可重构天线实现了宽带工作和高辐射性能，如图5和图6所示，图5是小型化混合超材料方向图可重构天线在不同方向图状态下的阻抗带宽性能，其中n78band表示5g新频段中的n78频段，s11表示端口反射系数，d1、d2表示pin开关二极管，天线在小型化的前提下，实现了宽带宽工作3.20-3.90ghz，均覆盖5g-n78、lte b42、b43等4g/5g主流频段，因此该天线能够较好的适用于sub 6ghz各类小型化通信设备应用。图6是小型化超材料方向图可重构天线在不同方向图状态下的方向图辐射状态，其中@3.60ghz表示天线在3.60ghz的方向图。当开关d1闭合且开关d2断开时，天线方向图主波束向前倾斜偏转，实现前部空间辐射覆盖，如图6中(a)所示；当开关d1断开且开关d2断开时，天线方向图主波束指向顶部，实现顶部辐射覆盖，如图6(b)所示；当开关d1断开且开关d2闭合时，天线方向图主波束向后倾斜偏转，实现后部区域辐射覆盖，如图6中(c)所示；图6中(d)为天线与辐射方向的参考示意图。通过控制开关d1和d2的状态，天线的辐射方向图就能够实现一维空间的扫描覆盖，即多波束选择性覆盖，能够对准不同的方向的来波，提高信号抗干扰能力，改善多径效应等，特别适应于5g等复杂信道系统以及作为智能天线。
64.实施例2
65.如图7和图8所示，本发明实施例还提供了一种小型化混合超材料多波束阵列天线，包括：
66.金属支撑板10；及
67.设置在金属支撑板10上由多个如实施例1所描述的小型化混合超材料方向图可重构天线作为阵元构成的阵列。
68.在本实施例中，本发明以实施例1所描述的小型化混合超材料方向图可重构天线为基础，将小型化混合超材料方向图可重构天线作为宽角扫描阵列天线的阵元，采用任意至少两单元的阵元构成线阵、面阵、二维阵、圆阵、稀疏/稀布阵等多形式的阵列。
69.上述金属支撑板10由切割后金属薄板组成，附在金属地板9下表面，用来提高地板的机械强度和天线的固定。
70.上述阵列由多个小型化混合超材料方向图可重构天线作为阵元组成，通过调整金属地板9上的pin开关二极管，选择阵元的波束指向，再通过设置阵列的馈电相位，实现波束的连续空域扫描。特别是，采用了方向图可重构天线作为阵列的阵元，能够在少阵元的前提下，实现宽角多波束扫描，满足了5g多波束基站对宽角波束覆盖的性能需求。
71.本发明综合考虑到5g多波束基站天线对扫描角度的需求和成本情况，将低成本宽角扫描阵列的阵元设置为5个。以五单元的线阵为例，将五单元的小型化混合超材料方向图可重构天线呈“一”字线型排列，阵间距大致设置为0.5λ0，其中λ0为中心频率自由空间波长，构成一个多阵元的线阵，以增大波束的扫描角度，同时获得更高的辐射增益。
72.由于阵元天线的方向图是可重构的，阵元天线在e面拥有两个倾斜波束和一个定向辐射波束。相比于传统仅有定向辐射波束的阵元，该宽角扫描阵列能够使用倾斜波束作为方向图因子，从而拓宽波束扫描角度。同时，由于阵元天线的可重构波束在e面是对称连续扫描的，因此该阵列的主波束能够在e面实现连续的宽角扫描。
73.为了实现低成本的宽角度波束扫描，将多波束扫描天线作为阵元，进行相控扫描。
在五元阵列中，利用移相馈电网络或者t/r组件，对阵列的每个阵元端口的馈电相位按照等步进递增，馈电幅度选择为等幅、三角分布或者锥削分布等，进行激励，即可实现阵列的波束扫描或调制相位。由于采用了较少的阵元数量，相比于现有技术(通常为8个阵元以上)，降低了配套t/r组件和控制电路的数量，极大的降低了成本。
74.本发明利用多波束扫描阵元的偏转朝向辐射模式，进行相控扫描。通过开关选择到多波束扫描阵元的偏转朝向的辐射模式，在进行相控扫描，由于单元天线的辐射方向图本身存在偏转，因此获得额外地偏转角度，即实现大角度波束扫描。
75.如图7和图8所示，利用阵元的三个波束，分别进行相控扫描，实现宽角波束一维扫描。每一个阵元的两个开关状态d1和d2设置为(d1＝on,d2＝off)，对五阵元e1-e5进行馈电相位和幅度的选择，实现【-70度，0】的扫描；每一个阵元的两个开关状态设置为(d1＝off,d2＝off)，对五阵元e1-e5进行馈电相位和幅度的选择，实现【-35度，35度】的扫描；每一个阵元的两个开关状态设置为(d1＝off,d2＝on)，对五阵元e1-e5进行馈电相位和幅度的选择，实现【0，70度】的扫描；以上三个状态组合起来，实现了低成本条件下的，阵列宽角连续扫描【-70度，70度】。
76.本发明采用了水平极化一维波束宽角连续扫描，能够实现一个方向上的宽域覆盖，实现了紧凑的阵列布局、宽带宽和连续的大角度波束扫描，能够适用于5g宏基站多波束天线的应用。如图9和10所示，图9为所提出的多波束阵列天线的s参数性能，其中s参数表示散射参数，s11表示阵元e1的端口反射系数，s22表示阵元e2的端口反射系数，s33表示阵元e3的端口反射系数，s44表示阵元e4的端口反射系数，s55表示阵元e5的端口反射系数，s21表示阵元e2和阵元e1之间的端口隔离度，s31表示阵元e3和阵元e1之间的端口隔离度，s41表示阵元e4和阵元e1之间的端口隔离度，s51表示阵元e5和阵元e1之间的端口隔离度，s32表示阵元e3和阵元e2之间的端口隔离度，s42表示阵元e4和阵元e2之间的端口隔离度，s52表示阵元e5和阵元e2之间的端口隔离度，s43表示阵元e4和阵元e3之间的端口隔离度，阵列天线在小型化和紧凑尺寸下，阵列的各阵元实现了宽频带宽工作3.25-4.00ghz，各阵元端口隔离度均优于-15db，且带宽覆盖了5g-n78、lte b42、b43等4g/5g主流频段，因此该阵列天线能够作为多波束基站天线应用于无线通信系统。图10为多波束阵列天线的宽角波束扫描性能，通过组合阵元天线的三种不同辐射状态(图6所示)和阵列的相控激励，多波束阵列天线在仅有少量阵元和小规模前提下，实现主波束的大角度扫描[-70,+70
°
]，覆盖了半个平面空域的覆盖，因此该阵列天线适用于多波束基站和探测雷达等。
[0077]
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
[0078]
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种小型化混合超材料方向图可重构天线，其特征在于，包括：金属地板(9)；设置在所述金属地板(9)上以引入垂直极化单极子模式并进行模式选择的耦合馈电结构；及设置在所述金属地板(9)和耦合馈电结构上以混合介质谐振器模式和超谐振器模式的混合电磁超材料结构体。2.根据权利要求1所述的小型化混合超材料方向图可重构天线，其特征在于，所述混合电磁超材料结构体包括：设置在所述金属地板(9)和耦合馈电结构上的介质谐振器(2)；及设置在所述介质谐振器(2)上表面的超材料结构(1)。3.根据权利要求2所述的小型化混合超材料方向图可重构天线，其特征在于，所述超材料结构(1)为由多个贴片超材料表面结构板(3)构成的蘑菇型超材料结构。4.根据权利要求1、2、3任一所述的小型化混合超材料方向图可重构天线，其特征在于，所述混合电磁超材料结构体中设置有贯穿加载的金属加载钉(5)，所述金属加载钉(5)的末端与所述耦合馈电结构连接。5.根据权利要求4所述的小型化混合超材料方向图可重构天线，其特征在于，所述耦合馈电结构包括：开设在所述金属地板(9)上的耦合馈电缝隙槽(6)；设置在所述金属地板(9)上并与所述耦合馈电缝隙槽(6)交叉的耦合馈电微带线(7)；及设置在所述金属地板(9)上并与所述金属加载钉(5)的末端连接的模式选择电路(8)。6.根据权利要求5所述的小型化混合超材料方向图可重构天线，其特征在于，所述模式选择电路(8)包括分别设置在所述耦合馈电缝隙槽(6)一侧的第一开关及偏置电路和所述耦合馈电缝隙槽(6)另一侧的第二开关及偏置电路。7.根据权利要求1至6任一所述的小型化混合超材料方向图可重构天线，其特征在于，所述混合电磁超材料结构体中设置有贯穿加载的超材料金属短路钉(4)。8.一种小型化混合超材料多波束阵列天线，其特征在于，包括：金属支撑板(10)；及设置在所述金属支撑板(10)上由多个如权利要求1至7任一所述小型化混合超材料方向图可重构天线作为阵元构成的阵列。

技术总结
本发明公开了一种小型化混合超材料方向图可重构天线及多波束阵列天线，该多波束阵列天线包括金属支撑板及设置在金属支撑板上由多个小型化混合超材料方向图可重构天线作为阵元构成的阵列；该小型化混合超材料方向图可重构天线包括金属地板，设置在金属地板上的耦合馈电结构及设置在金属地板和耦合馈电结构上的混合电磁超材料结构体。本发明能够在实现天线小型化和阵列低成本的同时，保证具有宽的工作频带和宽角波束扫描能力，满足了5G宽频带多波束基站以及Sub 6GHz无线通信的高质量通信需求。信需求。信需求。


技术研发人员：董元旦 王崭 刘昱伶 刘殊璇
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2021.11.30
技术公布日：2022/3/8