改善多天线系统性能的超表面及采用超表面的多天线系统技术方案

本发明专利技术公开了一种改善多天线系统性能的超表面及采用超表面的多天线系统，超表面由一系列周期排布的谐振器及承载谐振器的介质层构成，各谐振器单元的频率，反射系数，透射系数，各谐振器之间的间距，以及超表面距离多个天线单元的高度进行配置，使得多个天线单元之间的互耦在指定的频率范围降低到接近于零，天线单元的匹配带宽增加，同时使得每个天线单元的辐射增益提高。本发明专利技术所公开的超表面原则上可以应用于任意多个天线单元组成的多天线通信系统和天线阵列，可以适用于各种形式的天线，本发明专利技术公开的超表面可以采用传统的印制电路板工艺，柔性PCB工艺实现，也可以采用微波无源集成电路工艺实现，有着广泛的应用前景。

Super surface for improving multi antenna system performance and multi antenna system with ultra surface

The invention discloses a method to improve the performance of multi antenna system using multiple antenna systems over the surface and the surface of the super, super surface composed of a series of periodic arrangement of resonator and bearing resonator dielectric layer, the resonator element frequency, reflection coefficient, transmission coefficient, the distance between the resonators, and the super surface distance the height of the antenna unit configuration, the mutual coupling between a plurality of antenna elements in the specified frequency range is reduced to close to zero, the bandwidth of the antenna unit increases, while the radiation gain of each antenna element provided high. The invention discloses a super surface principle can be multi antenna communication system and antenna array applied to a plurality of antenna elements of arbitrary composition, the antenna can be applied to various forms of the invention can be used for printed circuit board technology of traditional open super surface, flexible PCB technology realization, can also be used in passive microwave integrated circuit technology has a wide application prospect.

【技术实现步骤摘要】
改善多天线系统性能的超表面及采用超表面的多天线系统
本专利技术涉及无线通信
，尤其涉及一种无线设备中针对大规模多天线通信系统的改善多天线系统性能的超表面及采用超表面的多天线系统。
技术介绍
在大数据，移动互联网，以及虚拟现实，4K高清视频等应用的趋势下，迫切需要第五代移动通讯系统(5G)的技术快速成熟与应用，包括移动通信，Wi-Fi，高速无线数传无一例外的需要相比现在更宽的传输速率，更低的传输延时以及更稳定可靠的数据传输。在此背景下，大规模多输入多输出系统(MassiveMIMO)以及不可逆转的成为下一代移动通信系统的标配；多输入输出技术利用在收发系统之间的多个天线之间存在的多个空间信道上，传输多流相互正交的数据，能够提高数据吞吐率，以及提高通信的稳定性。与此同时，毫米波、太赫兹通讯技术也在防撞雷达，探测，遥感，成像等领域快速发展。对了对抗频率高时较大的路径损耗，大规模的多天线阵列、相控阵也将大规模被采用。阵列的口径越大，对应的天线增益也就越高，也就能够更好的弥补路径损耗造成的衰减。然而，考虑实际应用场景，无论是5G的基站，还是毫米波系统前端的天线阵列，都有空间的限制。例如，毫米波汽车防撞雷达，少则32单元，多则64单元甚至更多的天线阵列，要集成到汽车上，必然不能有特别大的体积。再比如，未来带有MassiveMIMO的5G基站，考虑基站的成本，功耗，以及建站时候空间的限制，天线阵的体积不能很大。在多天线系统物理尺寸受限的情况下，多个天线单元之间的互相耦合、干扰，必然会造成天线性能的下降，例如：(1)天线单元间互相耦合增大，使得波束扫描角度变小；(2)造成天线副瓣较高；(3)由于天线单元之间互相的干扰，造成信噪比变差；(4)天线单元之间的互耦，使得能够有效辐射的能量减少，造成增益降低；(5)各天线单元之间相关性变高，使得MIMO系统的通讯吞吐率降低。综上所述，迫切的需要一种，在多天线系统中改善天线性能的办法，使得空间受限的多天线系统、天线阵列，能够即缩小体积，又保持原有的天线阵性能。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题就是上面提到的在物理尺寸受限的情况下，多个天线单元之间的互相耦合、干扰，造成的多天线系统、天线阵列性能的下降。在本专利技术中，所述的改善天线性能的超表面，包括:一系列周期排布的谐振器，谐振器的形式可以多种多样，包括：(开口或闭合)谐振环、谐振贴片，十字形贴片等；承载谐振器的介质层；所有谐振器可以印刷在介质层上；所述介质层根据实际需要，可以有较低或较高的介电常数；也可以用柔性PCB组成。支撑所述超表面的支撑柱。支撑柱原则上应该选用非金属结构，避免对原多天线系统和超表面本身的特性造成影响。由所述谐振器及承载谐振器的介质层构成超表面，通过所述支撑柱支撑，覆盖于多天线系统上方。对所述谐振器的谐振频率、反射系数、透射系数，各谐振器之间的间距，承载谐振器的介质层的介电常数，以及超表面距离原多天线系统的高度进行配置，使得多天线系统在以下几个方面获得性能改善：使得覆盖超表面的多天线系统各天线单元之间的耦合系数降至最低，接近于零；使得覆盖超表面的多天线系统中各天线单元的增益较原始多天线系统提高；使得覆盖超表面的多天线系统中各天线单元的匹配带宽较原始多天线系统提高；使得覆盖超表面的天线阵副瓣降低；使得覆盖超表面的相控阵扫描角度变宽。需要说明的是，根据实际的多天线系统特性以及需求，上述5点性能改善，可能同时发生，也可能有其中一项或几项单独发生。根据本申请的另一方面，所述超表面上的谐振器，可以配置可调谐装置，通过调整可调谐装置，动态改变所述谐振器的谐振频率、反射系数、透射系数，使得含有超表面的多天线系统，可以具有可重构性。具有含有可重构超表面的多天线系统，能够具有以下特性：(1)可以根据调谐状态，工作在多个频段(2)根据系统需求，动态调整多天线系统间各单元之间的耦合系数(3)用作相控阵时，可以根据多天线系统扫描的角度，调谐状态，展宽相控阵扫描的角根据本申请的又一个方面，超表面可以是两层的，多层的，多层的超表面可以展宽多天线系统性能提升的频带宽度。根据本申请的又一个方面，超表面还可以位于多天线系统中各天线单元的同一层，还可以直接替代原多天线系统天线单元的地板，获得更低的剖面。还可以采用共形设计，与天线罩或者安装多天线系统的其他表面共形。以下为具体方案：一种用于改善多天线系统性能的超表面，包括：一系列周期排布的谐振器；承载谐振器的介质层；支撑所述超表面的支撑柱；由所述谐振器及承载谐振器的介质层构成超表面，通过所述支撑柱支撑，覆盖于多天线系统上方；对所述谐振器的谐振频率、反射系数、透射系数，各谐振器之间的间距，承载谐振器的介质层的介电常数，以及超表面距离原多天线系统的高度进行配置，使得覆盖超表面的多天线系统各天线单元之间的耦合系数降至最低。优选的，对所述谐振器的谐振频率、反射系数、透射系数，各谐振器之间的间距，承载谐振器的介质层的介电常数，以及超表面距离原多天线系统的高度进行配置，使得覆盖超表面的多天线系统中各天线单元的增益较原始多天线系统提高。优选的，对所述谐振器的谐振频率、反射系数、透射系数，各谐振器之间的间距，承载谐振器的介质层的介电常数，以及超表面距离原多天线系统的高度进行配置，使得覆盖超表面的多天线系统中各天线单元的匹配带宽较原始多天线系统提高。优选的，对所述谐振器的谐振频率、反射系数、透射系数，各谐振器之间的间距，承载谐振器的介质层的介电常数，以及超表面距离原多天线系统的高度进行配置，使得覆盖超表面的天线阵副瓣降低。优选的，对所述谐振器的谐振频率、反射系数、透射系数，各谐振器之间的间距，承载谐振器的介质层的介电常数，以及超表面距离原多天线系统的高度进行配置，使得覆盖超表面的相控阵扫描角度变宽。优选的，连接在谐振器上的可调谐装置，通过调整可调谐装置，动态改变所述谐振器的谐振频率、反射系数、透射系数。优选的，覆盖在第一层超表面之上的第二层超表面；第二层超表面包括：一系列周期排布的谐振器；承载谐振器的介质层；支撑所述超表面的支撑柱；由所述谐振器及承载谐振器的介质层构成第一层超表面，通过所述支撑柱支撑，覆盖于多天线系统上方；由所述谐振器及承载谐振器的介质层构成第二层超表面，覆盖于所述第一层超表面之上；对所述的第一层、第二层超表面的谐振器的谐振频率、反射系数、透射系数，各谐振器之间的间距，承载谐振器的介质层的介电常数，第一层超表面距离多天线系统的高度，两层超表面之间的间距进行配置，使得覆盖双层超表面的多天线系统中各天线单元之间的耦合系数较原始多天线系统在一个更宽的频段内降低最低。优选的，超表面还包括：覆盖在第一层超表面之上的第二层超表面；第二层超表面包括：一系列周期排布的谐振器；承载谐振器的介质层；支撑所述超表面的支撑柱；对所述的第一层、第二层超表面的谐振器的谐振频率、反射系数、透射系数，各谐振器之间的间距，承载谐振器的介质层的介电常数，第一层超表面距离多天线系统的高度，两层超表面之间的间距进行配置，使得覆盖双层超表面的多天线系统中各天线单元的增益较原始多天线系统在一个更宽的频段内提高。另一种用于改善多天线系统性能的超表面，包括：多层叠加在多天线系统上方的介质层，支撑各介质层的支撑柱；对所述各层介质的介电常本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于改善多天线系统性能的超表面，包括：一系列周期排布的谐振器；承载谐振器的介质层；支撑所述超表面的支撑柱；由所述谐振器及承载谐振器的介质层构成超表面，通过所述支撑柱支撑，覆盖于多天线系统上方；对所述谐振器的谐振频率、反射系数、透射系数，各谐振器之间的间距，承载谐振器的介质层的介电常数，以及超表面距离原多天线系统的高度进行配置，使得覆盖超表面的多天线系统各天线单元之间的耦合系数降至最低。

【技术特征摘要】
1.一种用于改善多天线系统性能的超表面，包括：一系列周期排布的谐振器；承载谐振器的介质层；支撑所述超表面的支撑柱；由所述谐振器及承载谐振器的介质层构成超表面，通过所述支撑柱支撑，覆盖于多天线系统上方；对所述谐振器的谐振频率、反射系数、透射系数，各谐振器之间的间距，承载谐振器的介质层的介电常数，以及超表面距离原多天线系统的高度进行配置，使得覆盖超表面的多天线系统各天线单元之间的耦合系数降至最低。2.如权利要求1所述的改善多天线系统的超表面，其特征在于：对所述谐振器的谐振频率、反射系数、透射系数，各谐振器之间的间距，承载谐振器的介质层的介电常数，以及超表面距离原多天线系统的高度进行配置，使得覆盖超表面的多天线系统中各天线单元的增益较原始多天线系统提高。3.如权利要求1所述的改善多天线系统的超表面，其特征在于：对所述谐振器的谐振频率、反射系数、透射系数，各谐振器之间的间距，承载谐振器的介质层的介电常数，以及超表面距离原多天线系统的高度进行配置，使得覆盖超表面的多天线系统中各天线单元的匹配带宽较原始多天线系统提高。4.如权利要求1所述的改善多天线系统的超表面，其特征在于：对所述谐振器的谐振频率、反射系数、透射系数，各谐振器之间的间距，承载谐振器的介质层的介电常数，以及超表面距离原多天线系统的高度进行配置，使得覆盖超表面的天线阵副瓣降低。5.如权利要求1所述的改善多天线系统的超表面，其特征在于：对所述谐振器的谐振频率、反射系数、透射系数，各谐振器之间的间距，承载谐振器的介质层的介电常数，以及超表面距离原多天线系统的高度进行配置，使得覆盖超表面的相控阵扫描角度变宽。6.如权利要求1～5所述的改善多天线系统的超表面，其特征在于：还包括：连接在谐振器上的可调谐装置，通过调整可调谐装置，动态改变所述谐振器的谐振频率、反射系数、透射系数。7.如权利要求1～5所述的改善多天线系统的超表面，其特征在于：还包括：覆盖在第一层超表面之上的第二层超表面；第二层超表面包括：一系列周期排布的谐振器；承载谐振器的介质层；支撑所述超表面的支撑柱；由所述谐振器及承载谐振器的介质层构成第一层超表面，通过所述支撑柱支撑，覆盖于多天线系统上方；由所述谐振器及承载谐振器的介质层构成第二层超表面，覆盖于所述第一层超表面之上；对所述的第一层、第二层超表面的谐振器的谐振频率、反射系数、透射系数，各谐振器之间的间距，承载谐振...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵鲁豫，王紫阳，沈明，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61