基于极化旋转表面的天线去耦结构及方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，涉及一种基于极化旋转表面的天线去耦结构及方法。

背景技术

无论是现代通信、导航、遥感、卫星系统中，还是飞机、无人机、舰船、车辆、手持终端等需要放置多根天线的设备，需要的各种不同的天线越来越多，随着各种通信设备的高集成度与小型化发展，加之设备内部空间有限，天线间的间距越来越小，之间的相互耦合和串扰等问题加剧，容易影响各系统的独立工作性能，导致设备整体工作性能下降。

例如，为了适应现代航海要求，舰船不断增加电子信息设备，使其增设越来越多的天线，导致给舰船上层建筑设计带来诸多困难。为解决天线布置、电磁兼容和雷达散射截面积(RCS)增加等问题，集成桅杆是现代舰船设计的重要标志。在集成桅杆上布置的天线，也随之出现了小型化，集成化的发展趋势。天线的集成自然造成了天线间距缩小，甚至远小于传统认为电磁耦合可忽略不计的半波长，从而造成了各类电磁干扰和电磁兼容问题。由于桅杆上存在多种不同频段，不同功用且大部分紧凑共形布置的天线，就需要我们解决多种类型的电磁耦合问题：从天线互相干扰的频段来说，有同频率干扰，靠近频率干扰乃至谐波频率干扰等问题；从天线的工作模式来说，有同时发射干扰，收发之间干扰等干扰类型；从天线耦合的数目上来看，有两个天线之间的耦合，有整个天线阵列多个阵元之间的耦合还有若干阵列之间的耦合；从天线之间耦合的特性来分，又分为E面耦合，H面耦合以及混合耦合。

发明内容

本发明目的是：提供一种基于极化旋转表面的天线去耦结构及方法，有效提高天线阵列单元之间的隔离度。

本发明的技术方案是：

第一方面，提供了一种基于极化旋转表面的天线去耦结构，包括：至少两个天线单元组成的天线阵列，放置于相邻两个所述天线单元之间的极化旋转表面结构；所述极化旋转表面结构包括周期性排列的多个谐振单元和支撑多个所述谐振单元的介质基板，所述介质基板垂直于所述天线阵列的地板，每个所述谐振单元包括分别设置于所述介质基板的相对两侧、且位置对应的第一谐振结构和第二谐振结构；所述谐振单元用于将电磁波从所述介质基板的一侧入射，经过极化旋转传输到所述介质基板的另一侧发射出去。

通过在相邻两个天线单元之间放置极化旋转表面结构，使得电磁波在极化旋转表面结构中的极化方式旋转90度，进而可以有效降低天线单元之间的空间波耦合，提高天线单元之间的隔离度。

其进一步的技术方案是：所述第一谐振结构或所述第二谐振结构能够实现频率选择。

其进一步的技术方案是：所述第一谐振结构在所述介质基板上的第一投影经过镜像和90°旋转后而得到的第二投影与所述第二谐振结构在所述介质基板上的第三投影的形状相同，且所述第一投影与所述第二投影的形状不同。

通过第一谐振结构和第二谐振结构构成谐振单元，介质基板一侧的谐振结构相当于接收阵列，另一侧的谐振结构相当于辐射阵列，通过介质基板两侧的谐振结构之间耦合，能量可以从介质基板的一侧传输至另一侧，由于第一谐振结构在介质基板上的第一投影经过镜像和90°旋转后得到的第二投影与第二谐振结构在介质基板上的第三投影的形状相同，且第一投影和第二投影的形状不同，不仅可以实现能量传输，也能实现电磁波的极化旋转，从而提高天线单元之间的隔离度。

其进一步的技术方案是：所述第一谐振结构为平行带状金属线结构或与所述平行带状金属线互补的结构。

通过平行带状金属线结构或其互补结构，可以构成不同形式的谐振单元，从而适应不同天线系统的需求。

其进一步的技术方案是：各个所述极化旋转表面结构分别布置在对应的相邻两个所述天线单元之间的中点位置。

通过将极化旋转表面结构布置在对应的相邻两个天线单元之间的中点位置，可以快速确定出极化旋转表面结构的布置位置。

第二方面，提供了一种基于极化旋转表面的天线去耦方法，应用于如第一方面所述的基于极化旋转表面的天线去耦结构中，包括：通过提高所述极化旋转表面结构的极化旋转率，来增大与所述极化旋转表面结构对应的相邻两个所述天线单元间的隔离度。

其进一步的技术方案是：所述提高所述极化旋转表面结构的极化旋转率，包括：调整所述极化旋转表面结构上的所述谐振单元的尺寸、或/和

所述谐振单元的排布数量、或/和相邻的所述谐振单元之间的间距，以使所述极化旋转表面结构的极化旋转率提高。

通过调整极化旋转表面结构上的谐振单元的尺寸、谐振单元的排布数量以及相邻的谐振单元之间的间距，可以提高极化旋转表面结构的极化旋转率，从而提高隔离度，以适应实际天线系统的隔离度需求。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1是本申请一个实施例提供的基于极化旋转表面的一个天线去耦结构放置于两个天线单元之间的天线系统示意图；

图2是本申请一个实施例提供的基于极化旋转表面的两个天线去耦结构放置于三个天线单元之间的天线系统示意图；

图3是本申请另一个实施例提供的基于极化旋转表面的一个天线去耦结构放置于两个天线单元之间的天线系统示意图；

图4是本申请一个实施例提供的极化旋转表面结构的极化旋转示意图；

图5是本申请一个实施例提供的加载极化旋转表面结构的四个水平全向天线单元组成的天线阵列系统的俯视图；

图6是本申请一个实施例提供的加载极化旋转表面结构的四个水平全向天线单元组成的天线阵列系统的侧视图；

图7是本申请一个实施例提供的极化旋转表面结构一侧的周期性排列的第一谐振结构的示意图；

图8是本申请一个实施例提供的与图7对应的极化旋转表面结构另一侧的周期性排列的第二谐振结构的示意图；

图9是本申请一个实施例提供的分别投影到介质基板上的组成一个谐振单元的第一谐振结构和第二谐振结构的示意图；

图10是本申请另一个实施例提供的分别投影到介质基板上的组成一个谐振单元的第一谐振结构和第二谐振结构的示意图；

图11是本申请提供的未加载去耦结构的两个天线单元组成的线阵的S参数的变化示意图；

图12是本申请提供的加载极化旋转表面结构的两个天线单元组成的线阵的仿真S参数的变化示意图；

图13是本申请提供的包含图9的谐振单元的极化旋转表面结构的吸收率的变化示意图；

图14是本申请提供的包含图9的谐振单元的极化旋转表面结构的极化转换率的变化示意图。

其中：101、天线单元；102、第一谐振结构；103、第二谐振结构；104、介质基板；105、馈电端口；106、地板；201、天线单元；202、第一谐振结构；203、第二谐振结构；204、地板；205、馈电端口；301、天线单元；302、第一谐振结构；303、第二谐振结构；304、地板；305、馈电端口；401、天线单元；402、第一谐振结构；403、第二谐振结构；404、地板；405、馈电端口；501、金属部分；502、介质基板；601、金属部分；602、介质基板；701、介质基板；702、金属部分；801、介质基板；802、金属部分。

具体实施方式

实施例：为了在物理空间受限、相邻天线单元之间存在强烈的互耦的情况下，提高天线单元之间的隔离度，本申请提供了一种基于极化旋转表面的天线去耦结构，采用极化旋转表面去耦结构改善线极化天线单元之间的耦合性能，该天线去耦结构包括：至少两个天线单元组成天线阵列，放置于相邻两个天线单元之间的极化旋转表面结构；极化旋转表面结构包括周期性排列的多个谐振单元和支撑多个谐振单元的介质基板，介质基板垂直于天线阵列的地板，每个谐振单元包括分别设置于介质基板的相对两侧、且位置对应的第一谐振结构和第二谐振结构。

示例性的，图1中两个距离很近的天线单元101组成线阵天线系统，天线单元101之间放置了极化旋转表面结构，极化旋转表面结构包括介质基板104和周期性排列在介质基板104一侧的第一谐振结构102以及周期性排列在介质基板104另一侧的第二谐振结构103，周期性排列的第一谐振结构102和第二谐振结构103组成超表面覆层，分别位于介质基板104的相对两侧，极化旋转表面结构垂直于天线单元101组成的天线阵列的地板106，地板106的底部设置馈电端口105，每个馈电端口105分别于对应的天线单元101连接。

示例性的，图2中三个天线单元201之间布置了两个极化旋转表面结构，每个极化旋转表面结构布置在对应的相邻两个天线单元201之间，天线单元201安装在地板204上，与对应的馈电端口205连接，每个极化旋转表面结构包括介质基板和周期性排列在介质基板一侧的第一谐振结构202以及周期性排列在介质基板另一侧的第二谐振结构203。

其中，天线单元101和天线单元201为水平全向天线单元，图3中示出了另一种盘锥天线形状的天线单元，两个天线单元301之间布置了极化旋转表面结构，天线单元301安装在地板304上，与对应的馈电端口305连接，极化表面结构包括介质基板和周期性排列在介质基板一侧的第一谐振结构302以及周期性排列在介质基板另一侧的第二谐振结构303。

天线阵列是由许多相同的单个天线按一定规律排列组成的天线系统，也称天线阵，构成天线阵的独立单元成为阵元或天线单元。如果阵元排列在一条直线或一个平面上，则称为直线阵列或平面阵列。

隔离度是指天线之间相互干扰的程度，指一个天线发射信号，耦合到另一个天线上的信号与该发射天线信号的比值。

耦合是指能量从一个元件、电路或网络到另一个元件、电路或网络的能量传递。去耦是指消除天线系统单元之间存在的耦合，提高单元之间的隔离度的一种技术手段。

谐振单元用于将电磁波从介质基板的一侧入射，经过极化旋转传输到介质基板的另一侧发射出去。

结合参考图4，图中的E为电场矢量方向，H为磁场矢量方向，k为电磁场的传播方向，入射波的电场方向在经过极化旋转表面之后与出射波的电场方向相比旋转了90°。

周期性的谐振单元是构成极化旋转表面结构的核心，具有特定的极化转换特性，能够使电磁波在极化旋转表面结构中的极化方式旋转90°，进而可以有效降低天线单元之间的空间波的耦合，提高天线单元间的隔离度。整体的极化旋转表面采用双层结构形式，在介质基板的两侧分别印刷周期性的谐振结构，该谐振结构能够实现频率选择。

极化转换是指将一种极化方式的电磁波在传播过程中转换为另一种极化方式的电磁波。极化转换率是指一种极化到另一种极化的转换效率。

介质基板上的谐振单元构成了超表面结构，超表面是一种二维阵列平面，由具有特定几何形状的单元周期性或非周期性地排列所构成的超材料结构单元组成，可以灵活有效的调控电磁波的相位、极化方式、传播模式等特性。

本申请提出的去耦结构不仅限于两个水平全向线阵，同样也适用于三个水平全向线阵或2*2及更大的水平全向天线单元阵列，示例性的，图5和图6分别示出了四个水平全向天线单元组成的2*2的天线阵列的俯视图和侧视图，任意相邻的两个天线单元401之间布置有对应的极化旋转表面结构，极化旋转表面结构包括介质基板和周期性排列在介质基板一侧的第一谐振结构402以及周期性排列在介质基板另一侧的第二谐振结构403，天线单元401安装在地板404上，与各自对应的馈电端口405连接。

第一谐振结构和第二谐振结构分别投影到介质基板上时，第一谐振结构在介质基板上的第一投影经过镜像和90°旋转后而得到的第二投影与第二谐振结构在介质基板上的第三投影的形状相同，且第一投影和第二投影的形状不同。

可选的，在实际应用中，可以将谐振单元看作两部分，一部分用于将电磁波的极化方式旋转90°，另一部分将介质基板一侧谐振结构的电磁波传递到另一侧的谐振结构上。

可选的，第一谐振结构(或第二谐振结构)为平行带状金属线结构或与平行带状金属线互补的结构。

示例性的，图7和图8分别是极化旋转表面结构两侧对应的周期性排布的第一谐振结构和第二谐振结构的示意图，单个谐振结构采用类似L型的金属结构，其中，501和601表示金属部分，502和602表示介质基板。

图9是单个谐振单元映射到同一平面上的第一谐振结构和第二谐振结构的示意图，701表示介质基板，702表示金属部分，图9中的谐振单元经过周期性排布可以得到图7和图8中的极化旋转表面。

可选的，单个谐振单元还可以采用图10中的两根平行线的形式，图10中的801表示介质基板，802表示金属部分。

在实际应用中，还可以采用与图9或图10互补的谐振结构，即调换图中金属部分与介质基板的分布区域，也可以采用其他能够实现频率选择的结构作为谐振结构。

在实际应用中，根据实际天线系统的需求选择谐振结构的形式，并使得周期性的谐振单元在所需频段内谐振。由周期性的谐振单元构成的极化旋转表面结构对电磁波具有良好的极化转换特性，不需要额外的匹配手段对天线进行匹配。

可选的，用于支撑谐振单元的介质基板也可以根据实际情况需求，采用不同的厚度或不同的介电常数的介质基板。

可选的，各个极化旋转表面结构分别布置在对应的相邻两个天线单元之间的中点位置。

为了验证本申请提供的去耦结构对耦合效应的改善效果，图11和图12分别示出了加载极化旋转表面结构前后的天线系统的仿真S参数的变化示意图，图11是不加载极化旋转表面结构的两个天线单元组成的线阵天线系统的S参数，可以看出，虽然天线的反射系数S11在所需频段内都小于-10dB，但两个天线单元之间的耦合系数在2-3GHz内都大于-20dB，接近-15dB。而在加载极化旋转表面结构之后，如图12所示为仿真结果，两个天线单元之间的耦合系数在2-3GHz内都被降低到低于-20dB，甚至-30dB，强耦合频段内的耦合系数平均值均为-33.71dB。

图13为本申请实例采用图9中的谐振单元，通过仿真软件提取出的吸收率，吸收率是指投射到物体上被吸收的能量与投射到物体上的总能量之比。从图中可以看出，吸收率低于0.1，表面电磁波在极化旋转表面结构中的损耗很小。

图14为本申请实例采用图9中的谐振单元，通过仿真软件提取出的极化转换率电磁特性，从图中可以看出，在强耦合频段，天线单元的极化转换率能达到0.6以上，表明电磁波通过极化旋转表面结构后，发生极化转换的电磁波在60％以上。

在实际应用中，对上述提到的实例进行了加工实测，实测的结果与仿真数据保持有几乎相同的变化趋势，尤其是反射系数，强耦合频段内的耦合系数平均值约为-32.66dB。

本申请还提供了一种基于极化旋转表面的天线去耦方法，应用于上述天线去耦结构中，包括：通过提高极化旋转表面结构的极化旋转率，来增大与极化旋转表面结构对应的相邻两个天线单元间的隔离度。

可选的，提高极化旋转表面结构的极化旋转率，可以包括：调整极化旋转表面结构上的谐振单元的尺寸、或/和谐振单元的排布数量、或/和相邻的谐振单元之间的间距，以使极化旋转表面结构的极化旋转率提高。

在对极化旋转表面结构进行调整时，主要调整的是谐振单元的结构，根据极化转换率的变化对谐振单元的尺寸、数量、间距进行调整，极化转换率越高，去耦效果越好，极化转换率根据需求的隔离度确定，需求隔离度越高，则需要调整谐振单元达到的极化转换率越高。

可选的，本申请还可以对介质基板的厚度或介电常数调节，通过调节放置在天线阵列中间的极化旋转表面结构上的谐振单元的尺寸、排布数量以及相邻谐振单元的间距或调节介质基板的厚度、介电常数，可以使得含有极化旋转表面结构的天线阵列的各单元间耦合降低，隔离度提高。在实际应用中，可以使得在指定的频段内，天线阵列各单元之间的耦合系数接近于0，S21有效降低到20或25分贝以下。本申请公开的天线去耦结构及方法可以很好的应用到多天线通信系统中。

综上所述，本申请提供的基于极化旋转表面的天线去耦结构机方法，通过在相邻两个天线单元之间放置极化旋转表面结构，使得电磁波在极化旋转表面结构中的极化方式旋转90度，进而可以有效降低天线单元之间的空间波耦合，提高天线单元之间的隔离度。

另外，通过第一谐振结构和第二谐振结构构成谐振单元，介质基板一侧的谐振结构相当于接收阵列，另一侧的谐振结构相当于辐射阵列，通过介质基板两侧的谐振结构之间耦合，能量可以从介质基板的一侧传输至另一侧，由于第一谐振结构在介质基板上的第一投影经过镜像和90°旋转后得到的第二投影与第二谐振结构在介质基板上的第三投影的形状相同，且第一投影和第二投影的形状不同，不仅可以实现能量传输，也能实现电磁波的极化旋转，从而提高天线单元之间的隔离度。

另外，通过平行带状金属线结构或其互补结构，可以构成不同形式的谐振单元，从而适应不同天线系统的需求。

另外，通过将极化旋转表面结构布置在对应的相邻两个天线单元之间的中点位置，可以快速确定出极化旋转表面结构的布置位置。

另外，通过调整极化旋转表面结构上的谐振单元的尺寸、谐振单元的排布数量以及相邻的谐振单元之间的间距，可以提高极化旋转表面结构的极化旋转率，从而提高隔离度，以适应实际天线系统的隔离度需求。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含所指示的技术特征的数量。由此，限定的“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或者两个以上。

上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。