一种基于超材料和软表面的天线去耦结构及方法技术

本发明专利技术公开了一种基于超材料和软表面的天线去耦结构及方法，该结构中：天线结构用于向外辐射或接收空间电磁波；超材料单元结构的顶层和底层为相同的开口谐振环金属图案，中间层为介质FR4，其结构使超材料单元结构在特定工作频带内具有负介质参数特性，用于抑制天线结构间电磁波传播；利用软表面对电磁波的阻隔效应，进一步提升带阻特性；通过超材料单元结构和软表面结构组合加载于天线结构之间，用于实现在宽工作频带内的隔离效果。本发明专利技术解决了天线之间空间直达波造成的天线互耦问题，可应用于相控阵天线、高耦合MIMO阵列中；本发明专利技术基本原理简洁、方案清晰，设计的去耦结构工作频带范围宽、去耦效果明显，具有较强的应用价值。具有较强的应用价值。具有较强的应用价值。

An antenna decoupling structure and method based on metamaterials and soft surfaces

【技术实现步骤摘要】
一种基于超材料和软表面的天线去耦结构及方法


[0001]本专利技术涉及新型人工电磁材料领域，尤其涉及一种基于超材料和软表面的天线去耦结构及方法。

技术介绍

[0002]人工电磁材料是指具有自然界中常规媒质所不具备的超常物理特性的一维、二维或者三维周期型人工复合电磁媒质/结构，因其奇特的物理特性，以及低剖面、可灵活设计、易于加工等优点，在电磁领域有着广泛地应用。例如，人工电磁材料在天线设计中，被用于提升阻抗匹配特性、降低天线互耦、提升天线增益、降低天线RCS等。
[0003]另一方面，在现代通信中，对天线的通信容量和传输速率要求愈来愈高。强的干扰耦合会破坏天线的辐射特性、影响设备的正常工作。因此，如何降低不同天线之间的干扰耦合是非常重要的一个设计环节。目前有多种方法用于天线单元之间的去耦合，常见的有在接地面上开槽，其原理是阻止天线单元间的电流通过地面产生耦合，但是这种方法往往会对原有天线的辐射特性产生很大影响；也有通过在馈电端口和天线之间加去耦网络的方法来降低天线单元之间的耦合度，但是该方法去耦效果不明显，且去耦网络设计较为复杂；此外，使用电磁带隙结构来提高天线单元的隔离度，这种方法尽管具有较好的去耦效果，但是其工作带宽往往很窄。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于超材料和软表面的天线去耦结构及方法。
[0005]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0006]本专利技术提供一种基于超材料和软表面的天线去耦结构，包括：
[0007]天线结构，设置在去耦结构的两侧，用于向外辐射或接收空间电磁波；
[0008]超材料单元结构，设置在天线结构之间，靠近每一侧天线结构处均设有不少于两层超材料单元结构；超材料单元结构为人工电磁材料，超材料单元结构的顶层和底层为相同的开口谐振环金属图案，中间层为介质FR4，其结构使超材料单元结构在特定工作频带内具有负介质参数特性，用于抑制天线结构间电磁波传播；
[0009]软表面结构，设置在两侧的超材料单元结构之间，软表面结构设置有多层，利用软表面对电磁波的阻隔效应，进一步提升带阻特性；通过超材料单元结构和软表面结构组合加载于天线结构之间，用于实现在宽工作频带内的隔离效果。
[0010]进一步地，本专利技术的超材料单元结构中，开口谐振环金属图案包括外框、中框、内框；其中：
[0011]外框为中间镂空的窄边正方形结构，其边长为p，窄边宽度为ws；
[0012]中框有一定间隙的设置在外框内，为中间镂空的窄边正方形结构，其上端开设有宽度为gs的开口，中框窄边宽度为w1；
[0013]内框为开口向下的门型结构，有一定间隙的设置在中框内。
[0014]进一步地，本专利技术的超材料单元结构的结构尺寸为：
[0015]开口谐振环金属图案：外框边长p＝7.5mm,外框窄边宽度ws＝0.2mm,中框窄边宽度w1＝1.2mm,中框上端开口宽度gs＝0.5mm；
[0016]介质FR4：厚度t＝2mm，其介电常数和损耗角正切分别为4.3和0.025。
[0017]进一步地，本专利技术的软表面结构的结构尺寸为：
[0018]软表面结构包括10个直立的直立单元和金属底板，直立单元的高度sh＝60mm，宽度sw＝3.5mm，单元间距sp＝12mm，金属底板横向宽度sl＝60mm。
[0019]进一步地，本专利技术的天线结构与相邻的第一层超材料结构的距离为15mm，相邻两层超材料结构的间距为15mm，第二层超材料结构与软表面结构的距离为16mm。
[0020]本专利技术提供一种基于超材料和软表面的天线去耦方法，该方法包括：
[0021]在天线结构之间设置多层超材料单元结构和软表面结构；
[0022]将非均匀不连续的超材料单元结构等效为一种均匀连续的介质材料，利用反演法计算出超材料单元结构的等效阻抗和折射率，进而提取出其等效介电常数和等效磁导率；根据麦克斯韦方程组，电磁波无法在单负材料，即介电常数或磁导率为负的介质中传播，当设计的超材料单元结构具有负电磁参数特性时，即可阻止电磁波继续向前传播；
[0023]软表面结构表面设有横向的金属波纹，当金属波纹的高度为工作频率的四分之一个波长时，在入射平面波的电场垂直于金属波纹方向的情况下，其反射相位为0
°
，即对于这种极化的波，表面阻抗近似无穷大，相当于磁边界，在入射平面波的电场平行于金属波纹方向的情况下，其反射相位为180
°
，即对于这种极化的波，表面阻抗近似为0，相当于电边界；这种表面在其高度约为四分之一波长的频率附近既有电边界又有磁边界的性质，故在其表面具有阻碍电磁波能量传播的特性；
[0024]设计具有阻带特性的超材料单元结构和软表面结构两种人工电磁材料结构，使两者的阻带范围覆盖天线结构的工作频段，阻止电磁波在天线之间的传播，从而降低天线之间的互耦。
[0025]进一步地，本专利技术的提取等效介电常数和等效磁导率的公式为：
[0026][0027][0028]μ＝nz
[0029]其中，z为等效阻抗，n为折射率，ε为介电常数，μ为磁导率，S
11
、S
21
为S参数，k为电磁波波矢，d为超材料厚度。
[0030]本专利技术产生的有益效果是：本专利技术的基于超材料和软表面的天线去耦结构及方法，采用超材料和软表面两种人工电磁材料组合的方式实现天线去耦。通过合理设计结构，使得超材料在特定工作频带内具有负介质参数特性，达到抑制天线间电磁波传播的目的；在此基础上，利用软表面对电磁波的阻隔效应，进一步提升带阻特性。两种结构组合加载于天线之间，实现了在宽工作频带内的高隔离度效果。本专利技术解决了天线之间空间直达波造
成的天线互耦问题，可应用于相控阵天线、高耦合MIMO阵列中。本专利技术基本原理简洁、方案清晰，设计的去耦结构工作频带范围宽、去耦效果明显，具有较强的应用价值。
附图说明
[0031]下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：
[0032]图1是本专利技术实施例的基于超材料和软表面的天线去耦结构示意图；
[0033]图2是本专利技术实施例的超材料单元结构示意图；
[0034]图3是本专利技术实施例的超材料反射系数、传输系数仿真结果；
[0035]图4是本专利技术实施例的超材料等效介电常数和磁导率曲线
[0036]图5是本专利技术实施例的电磁软表面结构示意图；
[0037]图6是本专利技术实施例的电磁软表面传输系数仿真结果；
[0038]图7是本专利技术实施例的天线反射系数仿真结果；
[0039]图8是本专利技术实施例的天线间隔离度仿真结果；
[0040]图中：1
‑
外框，2
‑
中框，3
‑
内框。
具体实施方式
[0041]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于超材料和软表面的天线去耦结构，其特征在于，包括：天线结构，设置在去耦结构的两侧，用于向外辐射或接收空间电磁波；超材料单元结构，设置在天线结构之间，靠近每一侧天线结构处均设有不少于两层超材料单元结构；超材料单元结构为人工电磁材料，超材料单元结构的顶层和底层为相同的开口谐振环金属图案，中间层为介质FR4，其结构使超材料单元结构在特定工作频带内具有负介质参数特性，用于抑制天线结构间电磁波传播；软表面结构，设置在两侧的超材料单元结构之间，软表面结构设置有多层，利用软表面对电磁波的阻隔效应，进一步提升带阻特性；通过超材料单元结构和软表面结构组合加载于天线结构之间，用于实现在宽工作频带内的隔离效果。2.根据权利要求1所述的基于超材料和软表面的天线去耦结构，其特征在于，超材料单元结构中，开口谐振环金属图案包括外框(1)、中框(2)、内框(3)；其中：外框(1)为中间镂空的窄边正方形结构，其边长为p，窄边宽度为ws；中框(2)有一定间隙的设置在外框(1)内，为中间镂空的窄边正方形结构，其上端开设有宽度为gs的开口，中框窄边宽度为w1；内框(3)为开口向下的门型结构，有一定间隙的设置在中框(2)内。3.根据权利要求2所述的基于超材料和软表面的天线去耦结构，其特征在于，超材料单元结构的结构尺寸为：开口谐振环金属图案：外框(1)边长p＝7.5mm,外框(1)窄边宽度ws＝0.2mm,中框(2)窄边宽度w1＝1.2mm,中框(2)上端开口宽度gs＝0.5mm；介质FR4：厚度t＝2mm，其介电常数和损耗角正切分别为4.3和0.025。4.根据权利要求1所述的基于超材料和软表面的天线去耦结构，其特征在于，软表面结构的结构尺寸为：软表面结构包括10个直立的直立单元和金属底板，直立单元的高度sh＝60mm，宽度sw＝3.5mm，单元间距sp＝12mm，金属底板横向宽度sl＝60mm。5...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾宪亮，吴为军，陶理，谭辉，黄琛，
申请(专利权)人：中国舰船研究设计中心，
类型：发明
国别省市：