本發(fā)明屬于微波天線，具體涉及基于超材料去耦的天線單元結(jié)構(gòu)及包括若干該天線單元結(jié)構(gòu)組成的相控陣天線。

背景技術(shù)：

1、隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，天線系統(tǒng)在現(xiàn)代電子設(shè)備中的作用愈發(fā)重要。天線陣列，尤其是密集排列的天線陣列，由于陣元之間的電磁耦合效應(yīng)，常常面臨性能下降的問題。這種耦合不僅會(huì)影響天線的輻射效率和方向性，還可能導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定和干擾。因此，如何有效地降低或消除天線陣列中的耦合效應(yīng)，已成為天線設(shè)計(jì)和無線通信領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題。

2、傳統(tǒng)的輻射貼片通常是矩形或圓形（如現(xiàn)有技術(shù)中公開號為cn118431753a中涉及的第一金屬貼片及第二金屬貼片），現(xiàn)有技術(shù)中天線單元的去耦方法包括使用物理隔離、改變陣元間距、調(diào)整饋電網(wǎng)絡(luò)等，但這些方法往往受限于空間限制、成本增加或性能犧牲。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種利用fss對天線進(jìn)行去耦的新結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不僅能夠有效降低天線陣列中的耦合效應(yīng)，還具有設(shè)計(jì)靈活、成本效益高、易于集成等優(yōu)點(diǎn)。通過本發(fā)明的實(shí)施，預(yù)期能夠顯著提升天線系統(tǒng)的整體性能，滿足現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)對高性能天線的需求。

2、為解決上述實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下述技術(shù)方案：

3、一種天線單元結(jié)構(gòu)，包括第一輻射單元、第二輻射單元及饋電單元；所述第一輻射單元設(shè)置于第二輻射單元及饋電單元分別之間；還包括頻率選擇表面，該頻率選擇表面用于將所述第一輻射單元的電磁波透射過，還用于對天線單元外方向的電磁波進(jìn)行抑制，將對應(yīng)天線單元的電磁波束縛在該天線單元內(nèi)；通過頻率選擇表面進(jìn)行頻譜分析計(jì)算得出反射系數(shù)和透射系數(shù)；

4、所述第一輻射單元包括本體及多個(gè)鋸齒延伸體；所述本體中心具有通孔；各鋸齒延伸體分別固定于所述本體，并延伸至所述通孔內(nèi)；所述頻率選擇表面固定于第一輻射單元的本體；所述多個(gè)鋸齒延伸體分別間隔設(shè)置。

5、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)施例所述的天線單元結(jié)構(gòu)的所述第一輻射單元包括本體及多個(gè)鋸齒延伸體，實(shí)現(xiàn)將所述第一輻射單元設(shè)置成鋸齒形，可以有效地增加貼片的等效輻射長度，從而在不增加物理尺寸的情況下提高天線的輻射效率。所述選擇頻率表面能夠提升天線的帶外隔離特性。通過頻率選擇表面天線進(jìn)行去耦的技術(shù)，不僅能夠有效降低天線陣列中的耦合效應(yīng)，還具有設(shè)計(jì)靈活、成本效益高、易于集成等優(yōu)點(diǎn)。通過本發(fā)明的實(shí)施，預(yù)期能夠顯著提升天線系統(tǒng)的整體性能，滿足現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)對高性能天線的需求。

6、優(yōu)選地，為了在相控陣天線中更好的降低各天線單元結(jié)構(gòu)之間的耦合，所述第一輻射單元包括若干多邊形的圖形，所述若干多邊形的圖形以所述通孔的中心為圓心，呈中心對稱的方式分布于所述第一輻射單元的本體；所述多邊形的圖形至少包括兩種尺寸的四邊形；所述相鄰的兩個(gè)多邊形圖形之間形成有空隙。

7、優(yōu)選地，為了更好的提高頻率選擇表面的工作效率，所述兩種尺寸的四邊形成陣列的方式排列形成矩陣；所述矩陣的數(shù)量至少兩個(gè)。

8、優(yōu)選地，所述第一輻射單元的本體包括第一表面與第二表面，所述第一表面朝向所述第二輻射單元，所述第二表面朝向所述饋電單元；所述頻率選擇表面固定于第一表面與第二表面二者中的至少一個(gè)。

9、優(yōu)選地，多個(gè)所述鋸齒延伸體以環(huán)形陣列方式排列；各個(gè)所述鋸齒延伸體的最大直徑為所述通孔最大孔徑的1/5-1/3。

10、優(yōu)選地，沿著從第一輻射單元朝向第二輻射單元的方向投影的條件下，所述饋電單元、鋸齒延伸體的投影均位于所述通孔內(nèi)，所述饋電單元與鋸齒延伸體的投影之間部分重疊。

11、優(yōu)選地，所述天線單元結(jié)構(gòu)，還包括阻性單元，所述阻性單元環(huán)繞于所述第二輻射單元及所述頻率選擇表面的外周。

12、優(yōu)選地，所述阻性單元的方阻率為60—70ω/sq；或70—80ω/sq。

13、優(yōu)選地，根據(jù)如上所述的天線單元結(jié)構(gòu)，通過頻率選擇表面進(jìn)行頻譜分析計(jì)算得出反射系數(shù)和透射系數(shù)的過程如下：通過傅里葉變換，并利用如下公式得到頻率選擇表面譜域：

14、

15、其中，；；

16、式中為真空的磁導(dǎo)率，a、b分別為兩個(gè)周期方向的單元周期值，k0為真空中對應(yīng)波長的波矢大小，為譜域的格林函數(shù)；hxinc為x方向的入射波的磁場強(qiáng)度，hxinc為y方向的入射波的磁場強(qiáng)度;αmn、βmn分別二維周期方向上的切向波數(shù)；kx、ky分別為入射平面波在照射平面x、y方向上的波矢分量；ω為頻率選擇表面兩個(gè)周期方向的傾斜角；式中θ、φ分別為平面波入射角和方位角；式中?x和?y分別為離散的每個(gè)子單元的長度和寬度；分別表示x和y方向的切向等效磁流，j為自然數(shù)。

17、優(yōu)選地，所述饋電單元包括第一饋電單元及第二饋電單元，所述第一饋電單元與所述第一輻射單元連接；所述第二饋電單元與所述第二輻射單元連接。

18、優(yōu)選地，實(shí)現(xiàn)了天線的小型化、阻抗帶寬的拓展以及天線單元之間隔離度的增加，從而顯著提升了天線系統(tǒng)的性能和應(yīng)用范圍。本發(fā)明還提供一種相控陣天線，包括至少兩個(gè)天線單元結(jié)構(gòu)；所述線單元結(jié)構(gòu)為以上任一實(shí)施例所述線單元結(jié)構(gòu)；相鄰的線單元結(jié)構(gòu)的邊緣相互接觸；各個(gè)所述線單元結(jié)構(gòu)的頻率選擇表面用于抑制從一個(gè)天線單元輻射出的電磁波直接耦合到另一個(gè)天線單元。

19、本發(fā)明有益效果：

20、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明公開的一種天線單元結(jié)構(gòu)及由該天線單元結(jié)構(gòu)組成的相控陣天線，分別通過在第一輻射單元上固定設(shè)置所述頻率選擇表面，采用頻率選擇表面去耦技術(shù)，使其對工作頻帶外的電磁波具有高反射或高透射特性，而對其他頻率的電磁波則表現(xiàn)出低反射或低透射特性。能夠提升天線的帶外隔離特性。

21、此外，該頻率選擇表面結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)成對陣元外方向的電磁波進(jìn)行抑制，將每個(gè)單元的電磁波束縛在該陣元內(nèi)，這種方向性的控制可以減少從一個(gè)天線輻射出的電磁波直接耦合到另一個(gè)天線的情況。該頻率選擇表面結(jié)構(gòu)可以抑制在介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ谋砻娌?，減少在大角度掃描時(shí)天線之間耦合增加導(dǎo)致的駐波變差的情況發(fā)生。

22、綜上所述本發(fā)明所述的天線單元結(jié)構(gòu)及由該天線單元結(jié)構(gòu)組成的相控陣天線不僅尺寸小，并且能夠有效降低天線陣列中的耦合效應(yīng)，還具有設(shè)計(jì)靈活、成本效益高、易于集成等優(yōu)點(diǎn)。通過本發(fā)明的實(shí)施，預(yù)期能夠顯著提升天線系統(tǒng)的整體性能，滿足現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)對高性能天線的需求。

技術(shù)特征：

1.一種天線單元結(jié)構(gòu)，包括第一輻射單元、第二輻射單元及饋電單元；所述第一輻射單元設(shè)置于第二輻射單元及饋電單元分別之間；其特征在于：還包括頻率選擇表面，該頻率選擇表面用于將所述第一輻射單元的電磁波透射過，還用于對天線單元外方向的電磁波進(jìn)行抑制，將對應(yīng)天線單元的電磁波束縛在該天線單元內(nèi)；通過頻率選擇表面進(jìn)行頻譜分析計(jì)算得出反射系數(shù)和透射系數(shù)；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線單元結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述第一輻射單元包括若干多邊形的圖形，所述若干多邊形的圖形以所述通孔的中心為圓心，呈中心對稱的方式分布于所述第一輻射單元的本體；所述多邊形的圖形至少包括兩種尺寸的四邊形；所述相鄰的兩個(gè)多邊形圖形之間形成有空隙。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的天線單元結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述兩種尺寸的四邊形成陣列的方式排列形成矩陣；所述矩陣的數(shù)量至少兩個(gè)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3任一項(xiàng)所述的天線單元結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述第一輻射單元的本體包括第一表面與第二表面，所述第一表面朝向所述第二輻射單元，所述第二表面朝向所述饋電單元；所述頻率選擇表面固定于第一表面與第二表面二者中的至少一個(gè)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3任一項(xiàng)所述的天線單元結(jié)構(gòu)，其特征在于：多個(gè)所述鋸齒延伸體以環(huán)形陣列方式排列；各個(gè)所述鋸齒延伸體的最大直徑為所述通孔最大孔徑的1/5-1/3。

6.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3任一項(xiàng)所述的天線單元結(jié)構(gòu)，其特征在于：通過頻率選擇表面進(jìn)行頻譜分析計(jì)算得出反射系數(shù)和透射系數(shù)的過程如下：通過傅里葉變換，并利用如下公式得到頻率選擇表面譜域：

7.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3任一項(xiàng)所述的天線單元結(jié)構(gòu)，其特征在于：還包括阻性單元，所述阻性單元環(huán)繞于所述第二輻射單元及所述頻率選擇表面的外周。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的天線單元結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述阻性單元的方阻率為60—70ω/sq；或70—80ω/sq。

9.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3任一項(xiàng)所述的天線單元結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述饋電單元包括第一饋電單元及第二饋電單元，所述第一饋電單元與所述第一輻射單元連接；所述第二饋電單元與所述第二輻射單元連接。

10.一種相控陣天線，其特征在于，包括至少兩個(gè)天線單元結(jié)構(gòu)；所述線單元結(jié)構(gòu)為權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述線單元結(jié)構(gòu)；相鄰的線單元結(jié)構(gòu)的邊緣相互接觸；各個(gè)所述線單元結(jié)構(gòu)的頻率選擇表面用于抑制從一個(gè)天線單元輻射出的電磁波直接耦合到另一個(gè)天線單元。

技術(shù)總結(jié)
發(fā)明公開一種天線單元結(jié)構(gòu)及包括若干該天線單元結(jié)構(gòu)的相控陣天線，所述天線單元結(jié)構(gòu)包括第一輻射單元、第二輻射單元、饋電單元及頻率選擇表面；所述第一輻射單元設(shè)置于第二輻射單元及饋電單元分別之間；該頻率選擇表面用于將所述第一輻射單元的電磁波透射過，還用于對天線單元外方向的電磁波進(jìn)行抑制，將對應(yīng)天線單元的電磁波束縛在該天線單元內(nèi)；所述第一輻射單元包括本體及多個(gè)鋸齒延伸體；所述本體中心具有通孔；各鋸齒延伸體分別固定于所述本體，并延伸至所述通孔內(nèi)；所述頻率選擇表面固定于第一輻射單元的本體。本發(fā)明所述的天線單元結(jié)構(gòu)及天線單元結(jié)構(gòu)的相控陣天線具有實(shí)現(xiàn)了小型化、阻抗帶寬的拓展以及天線單元之間隔離度的增加等效果。

技術(shù)研發(fā)人員：王博琛,黃兆明,賈鵬程,孔翔鳴
受保護(hù)的技術(shù)使用者：廣州程星通信科技有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19