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的制作方法

本发明涉及无线通信技术领域，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。

背景技术：

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(Massive MIMO)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Massive MIMO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。

技术实现要素：

本发明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。

在本发明中，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数，各介质层之间的间距，以及介质层距离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低最低。

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数，各介质层之间的间距，以及介质层距离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。

另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；

所述谐振器排布于所述多天线系统的天线单元周围构成与多天线系统同层的超表面；

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，以及谐振器与所述多天线系统中各天线单元的距离进行配置，使得多天线系统各天线单元之间的耦合系数降低最低。

另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；

所述谐振器排布于所述多天线系统的天线单元下方形成一层超表面，所形成的超表面代替原多天线系统的地板。

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进行配置，使得多天线系统各天线单元之间的耦合系数降低最低。

优选的，谐振器的形式为但不限于方形闭合谐振环，圆形闭合谐振环，方形开口谐振环，圆形开口谐振环，十字线型谐振器，十字型槽，圆形槽，方形槽，矩形贴片，圆形贴片。

优选的，超表面采用共形设计，与天线罩或安装多天线系统的表面共形。

一种采用超表面的多天线系统，包括：

用于接收和发射信号的多个馈电端口，连接至多个天线单元，多个天线单元按照一定的规则排布组成阵列；

一层至多层超表面，由多个周期排布的谐振器，以及承载谐振器的介质层组成；

超表面放置于多天线系统的上方，或与所述多个天线单元位于同一层，或替代所述多天线系统的地板；

对各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以及超表面各谐振器距离多天线系统中各天线单元的距离进行配置，使得所述多天线系统在一个很宽的工作频段内具有接近于零的单元间互相耦合，同时各单元具有较高的增益。

优选的，所述多天线系统，还包括：各超表面上的谐振器工作频率通过可调谐装置动态调整，使得带有此类超表面的天线阵列，在多个不同的频段之上，单元之间的耦合系数被降至最低。

优选的，多天线系统天线单元个数大于等于两个。

优选的，多天线系统天线单元是线阵，方阵，圆阵，三角阵以及不规则形状组成的大于等于两个的阵列。

本发明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，例如：微带贴片天线，缝隙天线，单极子、偶极子天线，介质谐振天线，反射面天线与透镜天线等。本发明公开的超表面可以采用传统的印制电路板(PCB)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。能够很好的应用在智能移动终端，无线路由器，Massive MIMO(大规模多输入多输出)通信系统，移动基站、小基站，反射面天线和相控阵等产品和系统上。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中:

图1示出了一个典型的大规模多输入多输出阵列(Massive MIMO)的系统，包括：5G基站，Massive MIMO天线阵列，多个通信波束，以及多个用户终端；

图2示出了本发明实例中一种含有超表面(Meta-surface)的两天线单元组成的MIMO天线系统；

图3示出了本发明实例中另一种覆盖超表面的四单元MIMO天线系统，形式为四单元线阵；

图4示出了本发明实例中另一种覆盖超表面的四单元MIMO天线系统，形式为四单元方阵；

图5示出了本发明实例中的一种覆盖两层超表面的两单元MIMO天线系统；

图6示出了本发明实例中的一种覆盖两层介质层的四单元线阵的实施方式；

图7示出了本发明实例中一种超表面与天线单元同层的实施方式；

图8示出了本发明实例的另一种实现形式，用超表面替代了原始天线的地板；

图9示出了本发明实例中超表面的另一种实施方式；超表面的谐振器带有可调谐装置；

图10示出了本发明实例中超表面抑制单元间耦合以及提高天线增益的电磁场原理解释；

图11示出了本发明实例中一种不含有超表面的两单元天线阵列的电场分布；

图12示出了本发明实例中一种含有超表面的两单元天线阵列的电场分布；

图13示出了本发明实例提出的不含有超表面的天线阵列典型的散射参数；

图14示出了本发明实例提出的含有超表面的天线阵列典型的散射参数；

图15示出了本发明实例一个实施实例中的不含有超表面的两单元MIMO天线的测量散射参数响应；

图16示出了本发明实例一个实施实例中的含有超表面的两单元MIMO天线的测量散射参数响应；

图17示出了本发明实例一个实施实例中的含有及不含有超表面的两单元MIMO天线系统的天线增益测量结果；

图18示出了本发明实例中，多天线系统的各种实现形式；

图19示出了本发明实例中，超表面上的谐振器的各种实现形式。

具体实施方式

本实施方式提供可以自适应消除天线阵中任意干扰的方法和实现形式，详述如下：

图1是一个典型的含有Massive MIMO的5G基站。101为Massive MIMO的天线阵，在图1中，各天线单元是微带天线，阵列排布的方式是方阵。通过调整每个天线单元上的馈电幅度和相位，该Massive MIMO阵列可以产生多个如102示出的波束，分别对准如103所示的各个用户/终端。104为5G基站设备。

由于基站的体积有限，排布天线101的面积有限，因此，可以采用超表面覆盖的方式提高Massive MIMO的性能。一个覆盖有超表面的两单元天线阵列实例如图2所示。在图2中，202为一个微带天线单元，其地板为203，地板和天线单元之间可以填充有介质层205。超表面的谐振器208周期的排布在介质层207之上，并通过支撑柱206支撑。另外，201是进一步改善天线匹配状态的U型槽。204和209是天线的馈电端口。

通过配置谐振器208的谐振频率，反射和投射系数，谐振器之间的间距，以及超表面层207距离天线单元202的距离，可以：

1)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低至接近于零；即端口204和端口209之间的隔离度，S21被降低至接近于0，或者小于20dB。

2)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)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；即端口204和209可以在一个更宽的频带内，其反射系数S11,尽可能的小。一般小于-10dB。

4)使得覆盖超表面的天线阵副瓣降低；

5)使得覆盖超表面的相控阵扫描角度变宽。

本发明提出的性能改善方法不限于两单元阵列，图3，图4示出的是超表面应用于四单元阵列的实例。其中，图3是四单元线阵，图4是四单元方阵。除了单元数目与排布方式不同外，其余的设置方式与图2的两单元阵列完全相同。

另外，可以在图2～4的基础上，再增加一层超表面，如图5所示，501和502分别为两层超表面，通过调整501,502上，谐振器的特性，和介质层的节点常数，以及501和502之间的间距，以及501、502距离天线单元504的距离，使得覆盖有两层超表面的多天线系统性能的改善在更宽的一个频段内实现。

图6是本发明实例的另一种实现形式，这里超表面601与602不含有谐振器，只有介质层。通过配置601与602的介电常数，间距，以及距离天线单元604的距离，同样能够实现图3一样的性能改善。

图7与图8为本发明中超表面的另两种实现形式。图7中，超表面702位于天线单元701的同一层，与701共用介质层704和地板703,705为天线单元的馈电端口；而在图8中超表面803替换了天线单元801的地板。这两种形式通过配置谐振器的特性和介质板的介电常数，同样可以获得如图2所述实例的性能改善。

图9是在超表面谐振器901上天线可调谐装置902的实例。调谐装置可以是可变电容，变容二极管，PIN二极管，MEMS开关等。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。

为了解释覆盖超表面改善天线性能的工作机理，图10示出了天线辐射场经过超表面之前和之后的电场和磁场还有坡印廷矢量的分布。1001为天线辐射场通过超表面之前的分布，可以看到，电场E虽然的方向是沿1003所示的坐标轴y方向，而磁场H的方向是与x方向有一定夹角的，这样，坡印廷矢量k的方向就会向侧面传播(与-x方向有一定夹角)这样，若没有超表面，天线单元1004辐射的能量就被耦合到了单元1005上。

加入超表面1006之后，由于超表面的各向异性，只允许坡印廷矢量k沿正z轴方向传播，也只允许磁场H平行于超表面1006传播，也就是说，任何沿x轴方向的电磁波将被抑制，因此，从天线单元1004耦合到1005的电磁波将被抑制。因此，加入超表面之后，天线单元之间的耦合系数大大降低。

另外，比较图11和图12中，含有和不含有超表面的天线的电场分布可以看到，加入超表面之后，更多的电磁波被汇聚到天线与超表面正上方，而不是横向传播到其他天线单元，覆盖超表面的天线增益，会显著的高于没有覆盖超表面的天线。

图13示出的是一个不含有超表面的两单元MIMO天线的典型散射参数响应，可以看到，虽然天线的反射系数S11,S22都小于-10dB，但两单元之间的耦合系数，接近10dB。采用超表面抑制横向传播之后，天线的反射系数S11不但没有恶化，而且还有所改善，如图14所示，同时，两天线之间的耦合系数被降低到超过-35dB。频率f3-f4之间的工作带宽明显大于频率f1-f2之间的工作带宽。表明了超表面不但降低了两天线单元之间的耦合系数，还展宽了其工作带宽。

下面以一个两单元微带天线阵列作为具体例子来说明，如图2所示的两单元微带天线阵列，工作在5.8GHz，当不含有超表面208时，其测量得到的散射参数如图15，可以看到，在5.61GHz至5.97GHz频段中，反射系数：S11和S22均小于-15dB，而耦合系数S21却接近-8dB。加入超表面208之后，其测试的散射参数如图16所示，可以看到，含有超表面时候，天线反射系数小于-20dB的带宽已经基本等于不含超表面时候天线反射系数小于-15dB带宽，说明匹配的状态和带宽都被大幅度改善。而含有超表面时候的两单元之间耦合系数S21，已经在5.49GHz至6GHz之间被提升至小于-25dB。

除了散射参数的改善，含有超表明的天线的增益也明显提高，如图17所示，含有超表面208之后，天线单元的增益提高超过了2个dB。

需要指出的是，本发明中，天线阵不仅仅限于两天线，四天线，可以扩展到多个天线组成的多天线系统。

所述的天线阵列形式多种多样，包括线阵，圆阵，方阵，还有一些形状不规则的不规则阵列形式。如图18所示。

所述超表面的谐振单元，可以有多种的实现形式，如图19所示。可以有贴片型，环形，开槽型，环形开口型。需要说明的是，图19中深色的部分为金属，浅色的部分为露出的介质。

所述的多个天线，可以谐振在完全相同的频段，也可以谐振在相邻的频段，甚至有所重叠的不同频段。

本发明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，例如：微带贴片天线，缝隙天线，单极子、偶极子天线，介质谐振天线，反射面天线与透镜天线等。

本发明公开的超表面可以采用传统的印制电路板(PCB)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。

本发明所公开的超表面能够很好的应用在智能移动终端，无线路由器，Massive MIMO(大规模多输入多输出)通信系统，移动基站、小基站，雷达前端，反射面天线和相控阵等产品和系统上。

最后所应说明的是：以上实施例仅以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。