专利名称：一种无线移动终端用时间反演亚波长阵列天线的制作方法
技术领域：
本发明属于电子技术领域，涉及一种高密度布阵天线阵列，其天线单元面到面之 间的距离远小于工作波长，具体涉及一种用于无线移动终端的时间反演亚波长天线阵列。
背景技术：
提高移动通信系统的通信容量和通信速率，始终是移动通信追求的目标。随着个 人业务需求的不断增长，移动终端面临着通信容量和通信速率亟待提高的巨大需求。在移 动终端上设计多个天线单元，增加独立的无线信道数量，以提高移动终端的通信容量和通 信速率，是未来移动通信提高移动终端通信性能的主要手段之一。由于移动终端平台的尺寸有限，尽管人们对天线单元小型化进行了诸多研究，要 将多个用于不同信道的天线集成在移动终端上，多个天线所占用的空间仍然较大。这是因 为，根据传统理论，为使多天线系统获得良好的空间分集增益和空间复用增益，要求天线单 元间距不能小于半个工作波长，从而导致多个天线占用的空间较大。如果在有限空间内使 得天线单元间距远小于半个工作波长，将导致单元间的耦合增大，各天线对应的无线信道 的相关性大大提高，导致移动终端系统的通信容量和通信速率极大地降低，严重损害了通 信质量，从而失去了引入多天线系统的意义。因此，在移动终端尺寸有限的平台上，如何构建众多信道相互独立的高密度多天 线系统，从而极大地提高通信容量和通信速率，可以采用极化分集等方法，但这些方法只能 够使用两个极化方向不同的天线，如果天线数目进一步的增多，则难以适用。随着时间反演技术的日益成熟，利用时间反演电磁波自适应的空间、时间同步聚 焦特性，可以解决许多传统方法无法解决的难题。时间反演(Time Reversal，即TR)需要 在包围源的封闭曲面上布满信号接收器，该接收装置称为TR Cavities，即TRC。TRC接收 到源发射的信号后进行时间反演，再重新发射，重发射的信号就可以在源点附近实现空间 与时间聚焦。封闭的TRC是理想的接收装置，很难在应用中实现。Fink等人把有限个接收 天线组成的阵列(TRMirror，即TRM)放置在具有丰富多径的环境中进行实验，同样也可以 观测到聚焦现象。1991 年，D. R. Jackson 与 D. R. Dowling 发表题为"Phase conjugation in underwater acoustics，，(J. Acoust. Soc. Amer. , vol. 89, pp. 171-181),文中对对时 间反演在“标量波”传输情况下所具有的聚焦特性给予了理论证明。2004年，G. Ierosey 等人发表题为 “Time Reversal of electromagnetic waves，，(Phys. Rev. Lett.，vol. 92, PP. 1939041)，文中首次实验验证了“时间反演电磁波”同样具有空时聚焦特性。2007年， R. Carminati 等人发表题为"Theory of the timereversal cavity for electromagnetic fields” (Optics Lett.，vol. 32, Nov. 2007)，文中使用并矢格林函数对时间反演“矢量电 磁波”的聚焦性进行了证明。同样在2007年G. Lerosey等人的在《Science》发表题为 "Focusing beyong the diffraction limit with far-field time reversal，， (Science, vol. 315, pp. 1119-1122, Feb. 2007.)，文中给出了一种亚波长天线阵列，它由随机分布的金 属丝包围在同轴探针周围构成。这种天线阵列结合时间反演电磁波在封闭的金属腔内，工
3作在2. 45GHz，可以展示出1/30波长的超分辨率聚焦特性。这些成果目前还仅限于实验阶 段，该天线阵列的带宽也有待提高，但它已经初步展示了亚波长超分辨率天线阵列的可实 现性。本发明旨在基于时间反演电磁波的远场超分辨率聚焦特性，研究信道相互独立、 间距远小于波长的亚波长微结构天线阵列，为用于高性能移动终端的亚波长微结构天线阵 列设计提供最佳的阵列结构、高效高精度的设计方法。
发明内容
为了有效缩减阵列天线各天线单元之间的间距，减小阵列天线占用的空间体积， 本发明提供一种无线移动终端用时间反演亚波长阵列天线。该阵列天线工作频带内每个单 元输入端口电压驻波比小于2. 1，阵列中单元与单元面对面的间距小于1/2工作波长(波长 以中心频率计算)。使得传统天线阵列无法有效集成在体积有限的无线移动终端系统中的 瓶颈得以打破。该天线阵列具有体积小，大量生产成本低，性能好，易于集成的优点。本发明技术方案为一种无线移动终端用时间反演亚波长阵列天线，如图1所示，由多个相同的天线 单元层叠而成；相邻两个天线单元之间的距离在1/40 1/2波长之间。每个天线单元如图2所示，由矩形介质基片、位于矩形介质基片正面的金属贴片 和位于矩形介质基片背面的金属贴片构成。位于矩形介质基片正面的金属贴片如图2(a)所示，由分离的两部分构成第一部分金属贴片1为椭圆形辐射单元，椭圆形辐射单元的几何中心位于介质基 片窄边中线上，椭圆的长轴平行于矩形介质基片的窄边；椭圆形辐射单元通过位于介质基 片窄边中线上的1/4波长阻抗变换微带线2与同样位于介质基片窄边中线上的特性阻抗为 50欧姆的微带馈线3相连，特性阻抗为50欧姆的微带馈线3的末端位于介质基片窄边中间 位置。第二部分金属贴片由彼此相连的第一矩形金属贴片5和第一直角梯形金属贴片 4构成；其中第一直角梯形金属贴片4的两条长直角边分别处于介质基片的宽边和窄边位 置；第一矩形金属贴片5中，一条长边位于介质基片的宽边，一条短边与直角梯形金属贴片 4的短直角边相重合，另一条短边位于特性阻抗为50欧姆的微带馈线3的末端所在介质基 片窄边。位于矩形介质基片背面的金属贴片如图2(b)所示，由彼此相连的第二矩形金属 贴片7和第二直角梯形金属贴片6构成；其中第二直角梯形金属贴片6在矩形介质基片背 面的位置与第一直角梯形金属贴片4在在矩形介质基片正面的位置正好相对；第二矩形金 属贴片7的宽度尺寸与第一矩形金属贴片的长度尺寸相等，第二矩形金属贴片7的长度尺 寸略小于矩形介质基片的宽边尺寸，第二矩形金属贴片7靠近矩形介质基片中部的地方具 有一个弧形突起8，弧形突起8最高点离第二矩形金属贴片7对边的距离略小于1/4波长阻 抗变换微带线2与50欧姆的微带馈线3的长度之和。所有金属贴片上都均勻分布得有椭圆形或圆形的刻蚀凹槽，所有刻蚀凹槽线宽一 致，槽内无金属材料。本发明依据时间反演电磁波在高密度天线阵列单元间的耦合及单元附近的谐振特性，实现具有高空间分辨率的高密度集成亚波长阵列天线，提出了 一种在空间有限的移 动终端上实现高密度多天线系统集成问题的有效解决方案，探索新一代高性能移动通信网 中的空间超分辨率特性的多天线集成系统的设计方法，以提高多天线系统的空间复用增益 与空间分集增益等性能。与现有的移动终端天线系统相比，该亚波长阵列天线能够支持更 高的数据传输率、更高的频谱利用率、更高的信息安全性以及更大的灵活性，很大程度上提 高了移动终端的通信容量及通信速率。尽管亚波长天线阵列中单元之间的间距小于、甚至远小于半个波长，但结合时间 反演电磁波所具有空间超分辨率特性，可以极大抑制极近距离天线之间的互耦。在多天线 无线移动终端通信系统平台有限的空间中，阵列天线中的单元数目相比传统天线单元数目 迅速膨胀，进而使得通信速率、通信容量迅速提高。本发明应用在实际通信时，不需要对信 号进行复杂的处理，仅仅是简单的反演处理，即可以展示出超分辨率特性，整个过程实现起 来便捷，易于工程实现。特别需要指出，由于时间反演电磁波以其自适应的空间、时间聚焦特性，在多径越 是丰富，环境越是复杂的情况下，聚焦效果越好。本发明所设计的亚波长多天线阵列，具有 很强的灵活，能够应在各种复杂环境中(包括山区、河流、森林、城市以及郊区)，更能够充 分利用复杂环境中信号的多径，利用天线单元之间的耦合与局部谐振特性，更利于在复杂 环境中进行高速率、大容量、高可靠性以及高保密性的通信。综上所述，本发明应用在时域通信系统移动终端中，利用时间反演技术，直接对时 域信号进行反演处理，使得多天线系统中各信道保持相对独立，互耦很小，邻道干扰极低， 能够支持更高的数据传输率、更高的频谱利用率、更高的信息安全性以及更大的灵活性，很 大程度上提高了移动终端的通信容量及通信速率，进而确保多天线、大容量通信过程中的 通信质量。
图1是本发明提供的阵列天线结构示意图。图2是本发明提供的阵列天线的天线单元结构示意图。其中(a)为基片正面结构， (b)为基片背面结构。图3是本发明具体实施方式
提供的阵列天线的天线单元尺寸标注示意图。其中 (a)为基片正面结构尺寸标注，(b)为基片背面结构尺寸标注。图4是本发明提供的阵列天线输入端口电压驻波比的测试结果。图5是本发明提供的阵列天线的天线单元在3GHz频率下的远场辐射方向图仿真结果。图6是本发明提供的阵列天线的天线单元在5GHz频率下的远场辐射方向图仿真结果。图7是本发明提供的阵列天线的天线单元在6GHz频率下的远场辐射方向图仿真结果。图8是本发明提供的阵列天线阵列超分辨率测试结果。
具体实施例方式一种无线移动终端用时间反演亚波长阵列天线，如图1所示，由多个相同的天线 单元层叠而成，相邻两个天线单元之间的距离在1/40 1/2波长之间。每个天线单元如图2所示，由矩形介质基片、位于矩形介质基片正面的金属贴片 和位于矩形介质基片背面的金属贴片构成。位于矩形介质基片正面的金属贴片如图2(a)所示，由分离的两部分构成第一部分金属贴片1为椭圆形辐射单元，椭圆形辐射单元的几何中心位于介质基 片窄边中线上，椭圆的长轴平行于矩形介质基片的窄边；椭圆形辐射单元通过位于介质基片窄 边中线上的1/4波长阻抗变换微带线2与同样位于介质基片窄边中线上的特性阻抗为50欧姆 的微带馈线3相连，特性阻抗为50欧姆的微带馈线3的末端位于介质基片窄边中间位置。第二部分金属贴片由彼此相连的第一矩形金属贴片5和第一直角梯形金属贴片 4构成；其中第一直角梯形金属贴片4的两条长直角边分别处于介质基片的宽边和窄边位 置；第一矩形金属贴片5中，一条长边位于介质基片的宽边，一条短边与直角梯形金属贴片 4的短直角边相重合，另一条短边位于特性阻抗为50欧姆的微带馈线3的末端所在介质基 片窄边。位于矩形介质基片背面的金属贴片如图2(b)所示，由彼此相连的第二矩形金属 贴片7和第二直角梯形金属贴片6构成；其中第二直角梯形金属贴片6在矩形介质基片背 面的位置与第一直角梯形金属贴片4在在矩形介质基片正面的位置正好相对；第二矩形金 属贴片7的宽度尺寸与第一矩形金属贴片的长度尺寸相等，第二矩形金属贴片7的长度尺 寸略小于矩形介质基片的宽边尺寸，第二矩形金属贴片7靠近矩形介质基片中部的地方具 有一个弧形突起8，弧形突起8最高点离第二矩形金属贴片7对边的距离略小于1/4波长阻 抗变换微带线2与50欧姆的微带馈线3的长度之和。所有金属贴片上都均勻分布得有椭圆形或圆形的刻蚀凹槽，所有刻蚀凹槽线宽一 致，槽内无金属材料。图3是本发明具体实施方式
提供的阵列天线的天线单元尺寸标注示意图。其中 (a)为基片正面结构尺寸标注，(b)为基片背面结构尺寸标注。需要说明的是，图3只是给 出了一种具体实施方式
，是对本发明技术效果的证明，而并非是对本发明的进一步限定，本 领域技术人员根据本发明技术方案的描述，应当确定本发明具有更多类似实现方案。如图3所示矩形介质基片长55mm、宽50mm，介质基片的相对介电常数为2. 2，损 耗角正切为0. 001 ；正面椭圆形金属贴片1长轴和短轴半径分别为14mm、5mm，1/4波长阻抗 变换微带线2长18mm、宽1. 4mm，特性阻抗为50欧姆的微带馈线3长8mm、宽2. 4mm ；介质基 片正面第一矩形金属贴片5长24mm、宽4mm，第一直角梯形贴片4长直角边为27mm、短直角 边为2mm、高为31mm ；介质基片背面第二直角梯形金属贴片6与正面第一直角梯形贴片4尺 寸相同，第二矩形贴片7长48mm、宽24mm，弧形突起为正面椭圆形贴片的上部弧线，突起的 顶端高出矩形贴片上边缘1mm。贴片上蚀刻的椭圆凹槽，其外椭圆长短轴半径分别为1. 3，mm、0. 8mm,内椭圆长短 轴半径分别为lmm、0. 5mm;在正面椭圆形金属贴片上椭圆凹槽个数为19个，第一直角梯形 贴片上椭圆凹槽个数为32个，第一矩形贴片上椭圆凹槽个数为7个；在背面第二直角梯形 贴片上椭圆凹槽个数为32个，第二矩形贴片上椭圆凹槽个数为7*13共91个。
经过计算机仿真计算，上述天线阵列在2GHz-7GHz频段内的电压驻波比与远场辐 射方向特性见图3、图4、图5与图6所示。图3给出了馈电端口电压驻波比，该单元在2. 7GHz到6. 7GHz的频率范围内，具有 较为理想的驻波比，在4. 7GHz频率下，电压驻波比有较大值为2. 2。图4给出了天线单元在3GHz频率下的远场辐射方向图。图5给出了天线单元在5GHz频率下的远场辐射方向图。图6给出了天线单元在6GHz频率下的远场辐射方向图。将图3所示的4个天线单元组成阵列，天线面对面摆放，间距小于半个波长，直到 1/40波长均可以展示出超分辨率的聚焦特性。图7给出了天线阵列，结合时间反演技术展 示出的超分辨率特性。定义天线单元从上往下依次为1、2、3、4号天线单元，以2号天线为 例，当2号天线发送信号，TRM提取其信道特征后，再次发送，只有2号天线单元接收到的信 号幅度最大，其它天线接收到的信号幅度均小于2号天线的一半，这意味着，通信时，2号天 线是一个独立的信道，2号天线对其它天线的干扰很小。而其它天线在通信时，也是与2号 天线具有等同的地位，每个天线代表一个相互独立的信道，对其它天线均会有很小的干扰， 可很方便的利用时间反演技术进行高速率、高质量的多天线通信。
权利要求
1. 一种无线移动终端用时间反演亚波长阵列天线，由多个相同的天线单元层叠而成； 相邻两个辐射单元之间的距离在1/40 1/2波长之间；每个天线单元由矩形介质基片、位于矩形介质基片正面的金属贴片和位于矩形介质基 片背面的金属贴片构成；位于矩形介质基片正面的金属贴片由分离的两部分构成第一部分金属贴片(1)为椭圆形辐射单元，椭圆形辐射单元的几何中心位于介质基片 窄边中线上，椭圆的长轴平行于矩形介质基片的窄边；椭圆形辐射单元通过位于介质基片 窄边中线上的1/4波长阻抗变换微带线(2)与同样位于介质基片窄边中线上的特性阻抗为 50欧姆的微带馈线(3)相连，特性阻抗为50欧姆的微带馈线(3)的末端位于介质基片窄边 中间位置；第二部分金属贴片由彼此相连的第一矩形金属贴片( 和第一直角梯形金属贴片(4) 构成；其中第一直角梯形金属贴片(4)的两条长直角边分别处于介质基片的宽边和窄边位 置；第一矩形金属贴片( 中，一条长边位于介质基片的宽边，一条短边与直角梯形金属贴 片(4)的短直角边相重合，另一条短边位于特性阻抗为50欧姆的微带馈线(3)的末端所在 介质基片窄边；位于矩形介质基片背面的金属贴片由彼此相连的第二矩形金属贴片(7)和第二直角 梯形金属贴片(6)构成；其中第二直角梯形金属贴片(6)在矩形介质基片背面的位置与第 一直角梯形金属贴片(4)在在矩形介质基片正面的位置正好相对；第二矩形金属贴片(7) 的宽度尺寸与第一矩形金属贴片的长度尺寸相等，第二矩形金属贴片(7)的长度尺寸略小 于矩形介质基片的宽边尺寸，第二矩形金属贴片(7)靠近矩形介质基片中部的地方具有一 个弧形突起(8)，弧形突起(8)最高点离第二矩形金属贴片(7)对边的距离略小于1/4波长 阻抗变换微带线O)与50欧姆的微带馈线(3)的长度之和；所有金属贴片上都均勻分布得有椭圆形或圆形的刻蚀凹槽，所有刻蚀凹槽线宽一致， 槽内无金属材料。
全文摘要
一种无线移动终端用时间反演亚波长阵列天线，属于电子技术领域。由间距在1/40～1/2波长之间的多个天线单元层叠而成。每个天线单元由位于矩形介质基片正反两面金属贴片构成；正面金属贴片包括中间的椭圆形辐射单元和彼此相连的第一矩形金属贴片和第一直角梯形金属贴片；反面金属贴片由彼此相连的第二矩形金属贴片和第二直角梯形金属贴片构成；两个直角梯形金属贴片大小一致、位置相对，第二矩形金属贴片靠近椭圆形辐射单元的地方具有弧形突起；所有金属贴片上都均匀分布得有刻蚀凹槽。本发明应用于时间反演的时域通信移动终端，各天线单元信道相对独立、互耦很小、邻道干扰极低，能够支持更高的数据传输率、更高的频谱利用率。
文档编号H01Q9/04GK102110901SQ201110066620
公开日2011年6月29日 申请日期2011年3月18日 优先权日2011年3月18日
发明者王秉中, 臧锐, 葛广顶 申请人:电子科技大学