一种频率选择表面应用于天线解耦的方法及天线

本发明属于微波天线，尤其涉及一种频率选择表面应用于天线解耦的方法。

背景技术：

1、目前，随着无线通信技术的不断发展，天线的集成度和小型化要求越来越高，导致天线中的辐射单元数量越来越多，辐射单元之间的距离越来越小；这将导致辐射单元之间的相互耦合增大，出现辐射方向图畸变和s参数恶化等问题。例如，在mimo天线中，强烈的耦合会减小天线的辐射效率，降低信号干扰比，增加天线单元间的相关性，进而降低系统的吞吐量。因此实际使用的mimo天线通常需要进行天线单元的解耦。

2、解耦是阵列天线中一个重要的研究方面。目前，已经有多种技术用于阵列天线解耦，例如阵列天线解耦表面(array-antenna decoupling surface，ads)、中和线、超表面、频率选择表面等。其中，阵列天线解耦表面技术可以对双极化、大规模阵列天线进行解耦，同时拥有比较好的解耦效果；但是，当使用阵列天线解耦表面对多个频段进行解耦时，多层阵列天线解耦表面将会出现相互干扰的情况，影响解耦效果。

3、频率选择表面(frequency selective surface，fss)可以对空间中的电磁波进行滤波。通过将多个频率选择表面单元在二维平面上周期性排列，可以形成具有特定的反射/透射相位分布的超材料。当电磁波入射到频率选择表面时，频率选择表面可以选择性地通过/阻止不同频率的电磁波。目前，已经有很多将频率选择表面应用在天线解耦问题上的实例，其应用可以分为同频解耦和异频解耦。例如，发明专利“具有频率选择表面的基站天线”(公开号cn202010521800.3)中，将频率选择表面放置在两个同频天线单元之间，通过频率选择表面的空间滤波特性，阻止电磁波传播到邻近天线单元上，从而减小天线相互之间的同频耦合；例如，发明专利“一种用于缩减移动通信基站天线布局面积的结构”(公开号cn202210458553.6)中，通过将低频天线的辐射单元用频率选择表面设计，从而利用频率选择表面的滤波特性，降低了高低频辐射单元之间的相互干扰，从而实现异频解耦的目的；例如，在文献“a low-profile triple-band shared-aperture antenna array for 5g basestation applications”中，为了消除低频天线对中频和高频天线阵列的影响，提出了一种宽带带阻频率选择表面，通过将该频率选择表面加载在低频天线上方，为该共享孔径天线阵列提供了稳定的辐射方向图和平均增益，从而达到了异频解耦的目的。

4、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

5、(1)现有技术使用阵列天线解耦表面对多个频段进行解耦时，多层阵列天线解耦表面将会出现相互影响的情况，影响解耦效果。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种频率选择表面应用于天线解耦的方法。

2、本发明是这样实现的，一种频率选择表面应用于天线解耦的方法，所述频率选择表面应用于天线解耦的方法包括以下步骤：

3、s101，将频率选择表面放置于阵列天线中每个天线单元的辐射方向上；

4、s102，通过频率选择表面的空间滤波器特性，将所需解耦频段的电磁波部分反射回来，反射回来的所需解耦频段的电磁波部分耦合到其他天线单元上，再引入新的天线耦合，新引入的天线耦合与天线之间原本的耦合在幅度上相等，在相位上相反，两种耦合相互抵消，减小天线之间的相互耦合；

5、s103，解耦频段外对应的电磁波将透过频率选择表面，正常辐射，可减小解耦结构对解耦频段外天线电磁特性的影响。

6、进一步，频率选择表面放置于阵列天线中每个天线单元的辐射方向上，其放置方式和放置位置与阵列天线解耦表面的放置方式和放置位置相似；所用的频率选择表面可以是带阻型频率选择表面，也可以是带通型频率选择表面；但是，在解耦频段上，所用的频率选择表面应呈现阻带特性。

7、进一步，频率选择表面由频率选择表面单元组阵而来，其组阵形式和频率选择表面单元数量可以根据具体性能要求不同而进行调整。

8、进一步，所述频率选择表面应用于天线解耦的方法可通过调节频率选择表面与天线单元辐射层之间的距离，调整解耦频段；当缩小频率选择表面与天线单元辐射层之间的距离时，解耦频段向高频移动，当增大频率选择表面与天线单元辐射层之间的距离时，解耦频段向低频移动；

9、还可通过使用不同的频率选择表面，调整解耦频段，但只有当在所需解耦频段上，频率选择表面呈现阻带特性，才能在所需解耦频段上实现解耦。

10、进一步，所述频率选择表面应用于天线解耦的方法可通过使用不同的频率选择表面，调整引入的新的天线间耦合强度，调节解耦效果。

11、进一步，所述频率选择表面应用于天线解耦的方法仅在解耦频段上对天线阵列的电磁特性有所影响，而在其他频段上对天线阵列的电磁特性影响比较小，通过选择不同电磁特性的频率选择表面，可以调节对解耦频段以外频段上天线阵列电磁特性的影响大小。

12、进一步，所述频率选择表面应用于天线解耦的方法应用于两个频段解耦时，可以在阵列天线辐射方向上添加两层频率选择表面，两层频率选择表面对不同频段进行解耦，其中一个频率选择表面对另一个频率选择表面解耦效果影响非常小，对另一个频率选择表面起作用频段的电磁特性影响也非常小。

13、进一步，所述频率选择表面应用于天线解耦的方法应用于两个频段解耦时还可以将一层频率选择表面与一层阵列天线解耦表面组合使用，相较于使用两层阵列天线解耦表面，该组合使用可以降低两个解耦频段之间的相互影响。

14、进一步，所述频率选择表面应用于天线解耦的方法对多频段解耦时，可以使用多层频率选择表面进行解耦，也可以使用多层频率选择表面与阵列天线解耦表面的组合进行解耦。

15、进一步，所述频率选择表面应用于天线解耦的方法可以应用于任意规模大小的阵列天线的解耦。

16、本发明的另一目的在于提供一种如上述的方法制备的天线，包括：

17、频率选择表面单元位于天线阵列中每个天线单元的辐射方向上；

18、第一端口、第二端口、第三端口和第四端口分别连接到天线阵列中的不同天线单元

19、天线阵列的频率选择表面由多个频率选择表面单元组成。

20、天线阵列也具有类似的频率选择表面，用于解耦该天线阵列中的天线单元。

21、进一步，每个天线单元包括以下组件：

22、集成微带巴伦馈电部分：连接到天线单元的馈电端口；

23、辐射层介质：位于集成微带巴伦馈电部分上方的介质层，用于辐射电磁波；

24、辐射金属贴片：位于辐射层介质上方的金属贴片，用于辐射电磁波；

25、频率选择表面单元，是高频天线阵列解耦表面的组成部分。

26、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

27、第一、本发明解决了现有技术中使用阵列天线解耦表面对多个频段进行解耦时，多层阵列天线解耦表面将会出现相互影响的情况，影响解耦效果的情况，可更精准的控制解耦频段。

28、在本发明公开中，频率选择表面的应用方法区别于以往的频率选择表面在天线解耦问题上的应用方法，起着类似于阵列天线解耦表面的作用。相较于阵列天线解耦表面，将阵列天线解耦表面替换为频率选择表面，通过频率选择表面的频选特性，只反射解耦频段对应波长的电磁波，而不反射解耦频段以外对应波长的电磁波，减小对解耦频段外电磁特性的影响，实现了更精准的解耦频段控制。

29、第二，本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：本发明的技术方案可以为天线解耦问题提供新的解决方法，具有较高的的商业价值。例如，其可以应用于基站天线中，降低天线单元之间的耦合，相比于阵列天线解耦表面，其体积更小，因而在成本上有一定优势；同时，其操作灵活、设计装配简单，便于实际应用。未来，随着移动通信技术的不断发展，本发明的技术方案将随着mimo技术的发展和应用得到更多的应用，从而产生更多的商业价值。

30、本发明的技术方案是否解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：

31、本发明的技术方案在解决多频解耦时多个频段解耦结构的相互干扰问题上具有优势，由于使用了频率选择表面，其在一定程度上可以消除解耦结构对其他频段电磁特性的干扰。对比地，在已有技术方案中，可以使用两层阵列天线解耦表面进行双频解耦，但是两层阵列天线解耦表面之间会相互影响，从而影响了解耦效果；例如，在本发明的技术方案中，可以使用一层经过设计的频率选择表面替换产生干扰较大的阵列天线解耦表面，由于频率选择表面仅在对应解耦频段上有阻带特性，而在其他频段上呈现电磁透明特性，因而其保留了原本整列天线解耦表面的去耦特性，并且消除了对其他频段电磁特性的干扰。

32、第三，这种频率选择表面应用于天线解耦的方法具有以下特点和取得的显著技术进步：

33、1.s101：将频率选择表面放置于阵列天线中每个天线单元的辐射方向上。这样做可以确保频率选择表面在辐射方向上发挥作用。

34、2.s102：通过频率选择表面的空间滤波器特性，将所需解耦频段的电磁波部分反射回来。频率选择表面具有特定的频率选择性，只允许特定频段的电磁波通过，而将其他频段的电磁波反射回来。

35、反射回来的所需解耦频段的电磁波部分耦合到其他天线单元上。这种耦合可以通过频率选择表面的反射传播到其他天线单元，实现解耦效果。

36、引入新的天线耦合。由于所需解耦频段的电磁波部分反射回来并耦合到其他天线单元上，会引入新的天线之间的耦合。

37、新引入的天线耦合与天线之间原本的耦合在幅度上相等，在相位上相反。为了抵消新引入的耦合对系统性能的影响，新引入的耦合与原有耦合之间需要满足特定的幅度和相位关系。

38、两种耦合相互抵消，减小天线之间的相互耦合。通过精确调节新引入的耦合与原有耦合的幅度和相位，可以实现两种耦合的互相抵消，从而减小天线之间的相互干扰和耦合效应。

39、3.s103：解耦频段外对应的电磁波将透过频率选择表面，正常辐射。频率选择表面只对所需解耦频段的电磁波进行反射，而对解耦频段外的电磁波允许其正常辐射。这样做可以减小解耦结构对解耦频段外天线电磁特性的影响，确保系统在解耦频段外的正常工作。

40、这种频率选择表面应用于天线解耦的方法实现了对天线之间相互干扰和耦合的减小，同时保持了解耦频段外的正常工作。这代表了在天线系统中取得的显著技术进步。

41、第四，这种天线具有以下特征和取得的显著技术进步：

42、1.频率选择表面单元位于天线阵列中每个天线单元的辐射方向上。这样安置频率选择表面单元在天线的辐射方向上发挥作用。

43、2.第一端口、第二端口、第三端口和第四端口分别连接到天线阵列中的不同天线单元。这些端口用于将信号传输到或从天线阵列的各个天线单元。

44、3.天线阵列的频率选择表面由多个频率选择表面单元组成。天线阵列的频率选择表面是一系列频率选择表面单元的集合，用于实现频率选择、解耦和干扰抑制等功能。

45、4.天线阵列也具有类似的频率选择表面，用于解耦该天线阵列中的天线单元。这表明天线阵列内部的天线单元之间存在相互耦合，而频率选择表面的作用是减小这种耦合效应。

46、5.每个天线单元包括以下组件：

47、集成微带巴伦馈电部分：连接到天线单元的馈电端口，用于提供电能供应。

48、辐射层介质：位于集成微带巴伦馈电部分上方的介质层，用于辐射电磁波。

49、辐射金属贴片：位于辐射层介质上方的金属贴片，用于辐射电磁波。

50、6.频率选择表面单元是高频天线阵列解耦表面的组成部分。高频天线阵列解耦表面是一种用于减小天线单元之间相互干扰和耦合的结构。

51、通过上述特征和组成，这种天线实现了频率选择、解耦和干扰抑制等功能，从而取得了显著的技术进步。