一种用于微带阵列天线的三维超材料去耦结构的制作方法

本发明涉及一种用于微带阵列天线的三维超材料去耦结构。

背景技术：

由于阵列天线有着较高的增益和较强方向性，而且可以提高传输容量和传输质量。近年来，天线阵被广泛应用于无线电通信领域。同时，随着无线通信技术的发展，用户对通信设备集成度的要求逐年提高，阵列天线的小型化研究也得到越来越多的关注。天线阵阵元间的隔离度会影响无线通信系统的性能，例如天线的辐射效率或者幅度和相位的错误。所以，对于天线阵的研究一直都受到阵元间互耦等瓶颈的制约，微带天线阵元之间表面电流的产生在很大程度上增加了耦合的程度，严重恶化了阵列天线的特性。因此，如何在小型化移动终端设备中布局两副或多副天线并实现各天线之间独立工作，尽可能的降低天线阵元间的相互影响，成为天线阵研究的关键问题之一。由此可见，阵列阵元间去耦的研究对于当今以及未来通信行业的发展具有重大的意义。

微带天线阵去耦合的方法很多，如C.H.Park和H.W.Sun于2016提出的“H”形传导桥结构。通过在两阵元间加载此传导桥结构将耦合的电流能量传导到接地板上，从而大幅降低两天线间的耦合。S.Farahani等人于2010年提出一种在微带阵列天线阵元间加载小型的电磁带隙结构，通过此结构可以使微带天线在谐振频率上隔离度增加十几dB，大大的提高了阵列天线的性能。S.Farsi等人于2012年,提出一种简单的微带“U”形结构，通过在阵列天线阵元之间加载此单元，可以吸收微带天线间的耦合来实现天线间较高的隔离度。2016年，K.Wei等人设计了一种“S”形的缺陷地结构，通过在两个天线阵元间的公共接地板上刻蚀三个“S”形的凹槽，可以使地板间的耦合电流被切断，从而降低两阵元间的耦合进而提高隔离度，仿真和实验结果都证明两天线间的隔离度被降低了约40dB。超材料是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工电磁结构，通过关键物理尺度上的结构有序设计，便可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。它在一定频段上可以显示出介电常数和磁导率其中某一种为负或同时为负，电磁波在其中传播时会呈现出一些诸如负折射等奇特现象。超材料的出现为提高阵列天线间的隔离度提供了一个新的方法，例如2016年R.Hafezifard等人提出了一种利用超材料降低阵列天线耦合的的方法，在两天线间的介质板上辐刻6×2个椭圆形的开头嵌套环单元，有效吸收两阵元间的能量，使隔离度得到大幅提升。G.Zhai等人于2015年提出了一种使用传统的蘑菇形超材料结构来降低耦合的方法，通过在四个天线间加载此结构，阵元间隔离度可以达到-40dB。

技术实现要素：

本发明的目的是为了提供一种用于微带阵列天线的三维超材料去耦结构，天线阵为两单元阵列，采用阵元间加载三维超材料结构的方法实现天线阵耦合降低，达到提高隔离度的目标。

本发明的目的是这样实现的：包括公共接地板、设置在公共接地板上方的介质基板、对称设置在介质基板上表面的两个矩形辐射贴片、两个同轴馈电端口，在两个矩形辐射贴片之间的介质基板内嵌入有五个成列布置的三维超材料去耦单元。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述三维超材料去耦单元包括顶部贴片、两个底部贴片以及用来连接顶部贴片和底部贴片的两个短路探针，所述顶部贴片是倒山字形，所述底部贴片是由长竖直边、中间水平边和短竖直边依次连接组成的类L型贴片，且两个底部贴片相对设置，且顶部贴片的两个短边的端部通过短路探针与对应底部贴片的短竖直边的端部连接。

2.顶部贴片、底部贴片和短路探针的材料均是铜。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过在微带天线阵元间介质内嵌入五个三维超材料去耦单元来有效的降低微带天线阵阵元间的相互耦合，从而提高天线阵的隔离度。本发明所设计的三维超材料结构简单结构紧凑，将新颖的三维超材料结构单元加载于天线阵中间即可，且可是采用印刷版电路工艺进行制作，加工方便，成本较低，且可以和微波电路等实现一体化设计。

本发明所设计的三维超材料结构可以简单的加载与微带天线阵中，有效的改变馈电端口耦合到贴片的激励电流，降低或者消除流经公共接地板的电流，有效地降低了天线副瓣电平，同时吸收来自两个天线单元间的耦合能量，达到低耦合和高隔离度的效果，同时不会影响两天线单元的工作带宽和辐射特性。

本发明采用同轴馈电方式对两天线单元进行馈电，使天线便于集成设计，且可以实现平衡馈电。

本发明一种用于微带天线阵的三维超材料去耦结构，仅需要通过设计顶部和底部贴片的长度、宽度，两个短路针的高度，三维超材料结构单元距离贴片的垂直距离等参数可实现不同谐振频率的去耦合效果，大大节省了优化时间。

附图说明

图1是本发明的俯视方向的结构示意图；

图2是是本发明主视方向的结构示意图；

图3是本发明的三维超材料单元的结构示意图；

图4是本发明的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如图1和图2所示，本发明包括印刷在介质基板下表面的公共接地板101，印刷在介质基板上表面的矩形辐射贴片201和202，两个同轴馈电端口301和302，超材料结构单元顶部贴片401，超材料结构单元底部贴片402和403，连接超材料结构单元顶部与底部的两个短路探针501和502。

所述介质基板601是介电常数为4.4的FR4介质，为了降低设计成本，介质基板601的长度和宽度根据天线阵的小型化设计和辐射方向图需求进行设计，也即介质基板的采用天线小型化理论进行设计。介质基板601上的矩形辐射贴片201和202以及介质基板601下表面的公共接地板101均采用铜材料是覆铜结构。

如图1所示，本发明的一种用于微带天线阵的三维超材料去耦结构，印刷在介质基板601上表面的矩形辐射贴片201和202采用覆铜结构，两个同轴馈电端口301和302通过SMA直接给矩形辐射贴片201和202馈电，SMA的内导体直接和辐射贴片201和202相连，SMA的外导体与介质基板下表面的公共接地板101相连。所设计的三维超材料去耦结构将两个矩形辐射贴片201和202对称的隔离与两边，便与实现方向图的对称化设计。

如图1所示，本发明的一种用于微带天线阵的三维超材料去耦结构，通过将五个三维超材料结构单元嵌入在两个微带天线阵元之间的介质板中，来降低两天线阵阵元间的耦合，进而提高天线阵阵元间的隔离度。也实现小型化和低剖面设计，其可以采用电路板加工工艺进行加工。

如图2和图3所示，根据天线去耦合理论及超材料相关理论，设计满足降低耦合、提高隔离度的三维超材料去耦结构单元，为了降低耦合，实现小型化，三维超材料去耦结构单元结构采用三维结构，由两个短路针501和502将顶部贴片401，底部贴片402和403连接在一起构成三维超材料去耦单元，天线阵阵元间的耦合可以通过设计三维超材料去耦结构嵌入介质基板的深度，有效降低天线阵的耦合。且顶部贴片401，底部贴片402和403采用铜材料，两个短路针501和502采用铜柱材料。顶部贴片和底部贴片的长、宽可根据其去耦合频率进行设计，为使在所工作的频段内达到最好的去耦效果，三维超材料结构单元的两个短路针的高度及半径可以进行调整以满足所需要求。同时，所设计的三维超材料单元距离贴片的垂直距离可根据实际工程需求进行设计，以满足天线去耦合需求。此外，通过调整三维超材料结构单元的尺寸，即调节顶部贴片和底部贴片的长和宽，短路针的高度及半径、距离贴片的垂直距离等参数实现不同谐振频率的去耦。

如图3所示，本发明的一种用于微带天线阵的三维超材料去耦结构，采用加载三维超材料实现去耦合，加载的三维超材料去耦结构设计在不同的层，可以通过选择合适的三维超材料去耦结构尺寸，降低天线阵阵元间耦合，提高隔离度。

如图4所示，本发明的一种用于微带天线阵的三维超材料去耦结构，在选择合理尺寸后，可以使天线阵间的隔离度提高近25dB。

综上，本发明公开了一种用于微带天线阵的三维超材料去耦结构，该微带天线阵采用加载三维超材料的方法实现耦合降低的目的，主要通过在天线阵两个阵元之间加载五个三维超材料结构单元，降低天线阵阵元间的相互耦合作用，得到较高的隔离度。主要由印刷在介质基板下表面的公共接地板101，印刷在介质基板上表面的矩形辐射贴片201和202，两个同轴馈电端口301和302，超材料结构单元顶部贴片401，超材料结构单元底部贴片402和403，连接超材料结构单元顶部与底部的两个短路探针501和502构成。本发明所设计的三维超材料去耦结构，可以有效吸收两个阵元间的耦合能量，大幅度提高阵列天线间的隔离度，满足阵列天线高隔离度的需求。