單負(fù)材料隔離板及寬頻高隔離度單極子陣列天線的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于陣列天線技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種單負(fù)材料隔離板及寬頻高隔離度單極子陣列天線。
【背景技術(shù)】
[0002]天線是無線通信系統(tǒng)中不可或缺的重要部分。其中，相比于孤立天線的性能，天線組陣能夠獲得更加優(yōu)越的天線性能指標(biāo)，因而陣列天線在眾多通信系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。但是在實際的陣列天線系統(tǒng)中，天線單元并不是孤立的，每一個天線單元工作時都與其它單元之間存在電磁耦合，我們把這種現(xiàn)象稱為陣列天線的互耦效應(yīng)。尤其在小間距陣列天線系統(tǒng)中，比如 MIMO(Multiple Input Multiple Output)系統(tǒng)、GPS (Global Posit1ningSystem)系統(tǒng)等，互耦效應(yīng)將對陣列天線的性能造成不利影響，比如輻射方向圖失真、輸入阻抗變化等。在陣列天線小型化的發(fā)展趨勢下，互耦問題成為制約陣列天線性能提高的關(guān)鍵問題。因此，互耦的研究以及互耦抑制的方法在天線陣列領(lǐng)域有著重要的意義。
[0003]目前，應(yīng)用于減小陣列天線互耦效應(yīng)的方法主要有兩類，這些方法對提高陣列天線性能都有著重要的作用。第一類方法是采用算法和模型描述出天線陣列復(fù)雜的互耦特性從而利用優(yōu)化算法進(jìn)行互耦補償。第二類方法是在陣列天線設(shè)計中引入某些特殊結(jié)構(gòu)從而對互親進(jìn)行抑制，比如缺陷地結(jié)構(gòu)(DGS，defected ground structure)、電磁帶隙結(jié)構(gòu)(EBG, electromagnetic bandgap)等。其中，陣列天線加載DGS結(jié)構(gòu)或EBG結(jié)構(gòu)是目前在抑制天線互耦方面應(yīng)用較多的方法。但是，DGS結(jié)構(gòu)需要在天線地板上刻蝕槽縫，而蝕刻的縫隙將泄漏電磁能量，產(chǎn)生后向輻射。EBG結(jié)構(gòu)需要多個周期，因而要占據(jù)較大的空間且制作工藝復(fù)雜，這樣使得設(shè)計緊湊的陣列天線變得非常困難。同時，DGS結(jié)構(gòu)和EBG結(jié)構(gòu)在平面微帶天線陣列互耦抑制中應(yīng)用居多，不適合在高剖面線天線陣列中應(yīng)用。
[0004]當(dāng)介質(zhì)的等效媒質(zhì)參數(shù)(介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ)—個為負(fù)值且另一個為正值的時候，該類介質(zhì)可稱之為單負(fù)材料(SNG，single-negative metamaterial)。由于單負(fù)材料的介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ有且僅有一個為負(fù)值(ε μ〈0)，材料中電磁波的傳播常數(shù)β為O且衰減常數(shù)α大于0，單負(fù)材料中電磁波的傳播是迅速衰減的，因此單負(fù)材料具有帶阻電磁傳輸特性。根據(jù)單負(fù)材料的特性，我們可將單負(fù)材料(如細(xì)金屬線或SRR環(huán))應(yīng)用到陣列天線中來降低陣列天線單元間的互耦。這種方法可將單元間的耦合再降低20dB左右。然而，大多數(shù)單負(fù)材料都是強諧振結(jié)構(gòu)，它們的頻段寬度都很窄(如1%左右)。如此窄頻段寬度的單負(fù)材料與現(xiàn)代系統(tǒng)寬帶化的潮流不相匹配，因而其在天線系統(tǒng)上的應(yīng)用很受限制。2010年，Mohammed Μ.Bait-Suwailam等在美國電子電氣工程師協(xié)會主辦的天線與傳播學(xué)報發(fā)表了論文“磁單負(fù)材料在高剖面MMO單極子天線陣列互耦抑制中的應(yīng)用，，(Electromagnetic Coupling Reduct1n in High-Profile Monopole Antennas UsingSingle-Negative Magnetic Metamaterials for MIMO Applicat1ns[J].1EEE Trans.Antennas Propag., 2007, 58(9): 2894-2910.)。文章中通過在MIMO單極子天線陣中加載單負(fù)SRR結(jié)構(gòu)隔離器，在基本不影響陣列天線的性能和結(jié)構(gòu)的情況下，天線單元間隔離度達(dá)到了 20dB以上。但是，文章中陣列天線的20dB隔離帶寬僅為4%。同時，文章的SRR隔離器結(jié)構(gòu)尺寸較大，明顯地增大了天線陣的體積從而不利于天線的小型化。上述文獻(xiàn)表明，通過加載單負(fù)材料隔離板可以降低陣列陣元間的耦合，從而取得高隔離度的陣列天線。目前，尚無基于結(jié)構(gòu)簡單且尺寸小的單負(fù)材料隔離板的寬頻高隔離度單極子陣列天線的報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種單負(fù)材料隔離板及寬頻高隔離度單極子陣列天線，其通過將尺寸小并且結(jié)構(gòu)簡單的單負(fù)材料隔離板加載于單極子陣列天線，以抑制陣列天線的互耦，最終獲得寬頻高隔離度的陣列天線。
[0006]為解決上述問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0007]單負(fù)材料隔離板，由介質(zhì)基板、覆在介質(zhì)基板其中一側(cè)表面的金屬覆層、以及蝕刻在金屬覆層的蝕刻圖形構(gòu)成；上述蝕刻圖形包括4組槽縫，上述4組槽縫具有一個共同的圖形中心，且這4組槽縫以圖形中心為中心，并由內(nèi)向外嵌設(shè)分布；其中位于最內(nèi)層的一組槽縫即第一槽縫包括4個完全相同的直角扇形槽，且這4個直角扇形槽以圖形中心為中心呈中心對稱分布；位于次內(nèi)層的一組槽縫即第二槽縫為工字圓形槽縫，該工字圓形槽縫由I個圓形槽和4個完全相同的T形槽構(gòu)成，上述圓形槽以圖形中心為圓心，4個T形槽的下端均與圓形槽相連，且4個T形槽以圖形中心為中心呈中心對稱分布；位于次外層的一組槽縫即第三槽縫為齒輪形槽縫，該齒輪形槽縫具有8個完全相同的矩形齒槽，且這8個矩形齒槽以圖形中心為中心呈中心對稱分布；位于最外層的一組槽縫即第四槽縫為正圓形槽縫，該正圓形槽縫以圖形中心為圓心。
[0008]所述蝕刻圖形在圓周方向上的對稱中心線相互對應(yīng)，即第一槽縫的4個直角扇形槽縫在圓周方向上的中心對稱線分別朝向東南方向、西南方向、西北方向和東北方向；第二槽縫的4個T形槽在圓周方向上的中心對稱線分別朝向正東方向、正南方向、正西方向和正北方向；第三槽縫的8個矩形齒槽在圓周方向上的中心對稱線分別朝向正東方向、東南方向、正南方向、西南方向、正西方向、西北方向、正北方向和東北方向。
[0009]所述介質(zhì)基板呈正方形。
[0010]寬頻高隔離度單極子陣列天線，包括接地板和立設(shè)于接地板上的2個單極子陣元；上述2個單極子陣元之間設(shè)有單負(fù)材料隔離板；該由介質(zhì)基板、覆在介質(zhì)基板其中一側(cè)表面并朝向其中一個單極子陣元的金屬覆層、以及蝕刻在金屬覆層的蝕刻圖形構(gòu)成；上述蝕刻圖形包括4組槽縫，上述4組槽縫具有一個共同的圖形中心，且這4組槽縫以圖形中心為中心，并由內(nèi)向外嵌設(shè)分布；其中位于最內(nèi)層的一組槽縫即第一槽縫包括4個完全相同的直角扇形槽，且這4個直角扇形槽以圖形中心為中心呈中心對稱分布；位于次內(nèi)層的一組槽縫即第二槽縫為工字圓形槽縫，該工字圓形槽縫由I個圓形槽和4個完全相同的T形槽構(gòu)成，上述圓形槽以圖形中心為圓心，4個T形槽的下端均與圓形槽相連，且4個T形槽以圖形中心為中心呈中心對稱分布；位于次外層的一組槽縫即第三槽縫為齒輪形槽縫，該齒輪形槽縫具有8個完全相同的矩形齒槽，且這8個矩形齒槽以圖形中心為中心呈中心對稱分布；位于最外層的一組槽縫即第四槽縫為正圓形槽縫，該正圓形槽縫以圖形中心為圓心。
[0011]所述蝕刻圖形在圓周方向上的對稱中心線相互對應(yīng)，即第一槽縫的4個直角扇形槽縫在圓周方向上的中心對稱線分別朝向東南方向、西南方向、西北方向和東北方向；第二槽縫的4個T形槽在圓周方向上的中心對稱線分別朝向正東方向、正南方向、正西方向和正北方向；第三槽縫的8個矩形齒槽在圓周方向上的中心對稱線分別朝向正東方向、東南方向、正南方向、西南方向、正西方向、西北方向、正北方向和東北方向。
[0012]所述單負(fù)材料隔離板處于2個單極子陣元的中點處。
[0013]所述介質(zhì)基板呈正方形。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具體如下特點:
[0015]1.本發(fā)明中所述單負(fù)材料隔離板結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低，適應(yīng)于集成批量加工。由于單負(fù)材料隔離板尺寸較小，隔離板的引入對陣列天線體積的影響很小。
[0016]2.本發(fā)明的基于單負(fù)材料隔離板的寬頻高隔離度單極子陣列天線，所述單極子陣列天線加載單負(fù)材料隔離板后互耦抑制性能能夠達(dá)到20dB以上，并且20dB隔離帶寬達(dá)到10%以上。在取得寬頻高隔離度單極子陣列的情況下，加載單負(fù)材料隔離板后陣列的工作頻率和帶寬并未產(chǎn)生明顯變化。
【附圖說明】
[0017]圖1為一種單負(fù)材料隔離板的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2為一種寬頻高隔離度單極子陣列天線的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖3為單負(fù)材料隔離板的TEM波導(dǎo)仿真模型圖。
[0020]圖4為單負(fù)材料隔離板的等效媒質(zhì)參數(shù)。
[0021]圖5為增設(shè)了單負(fù)材料隔離板的單極子陣列的S參數(shù)和無單負(fù)材料隔離板的單極子陣列的S參數(shù)對比圖。
[0022]圖中標(biāo)號:1、單負(fù)材料隔離板；1_1、介質(zhì)基板；1_2、金屬覆層；1_3、蝕刻圖形；1-3-1、第一槽縫；1-3-2、第二槽縫；1-3-3、第三槽縫；1_3_4、第四槽縫；2、單極子陣元；3、接地板。
【具體實施方式】
[0023]—種單負(fù)材料隔離板，如圖1所示，由介質(zhì)基板1-1、覆在介質(zhì)基板1-1其中一側(cè)表面的金屬覆層1-2、以及蝕刻在金屬覆層1-2的蝕刻圖形1-3構(gòu)成。上述單負(fù)材料隔離板I類似于電路領(lǐng)域常用的印制電路板。介質(zhì)基板1-1的形狀可以根據(jù)設(shè)計需求進(jìn)行設(shè)定，如可以為圓形、多邊形或正方形，以使其其盡量滿足尺寸小和易于加工制作的要求。蝕刻圖形1-3使用印制電路工藝印制在單面金屬覆層1-2的介質(zhì)基板1-1上。
[0024]蝕刻圖形1-3為單負(fù)材料隔離板I的設(shè)計核心，其具體形狀決定了本隔離板的性能。在本發(fā)明中，蝕刻圖形1-3包括4組槽縫，上述4組槽縫具有一個共同的圖形中心，且這4組槽縫以圖形中心為中心，并由內(nèi)向外嵌設(shè)分布。位于最內(nèi)層的一組槽縫即第一槽縫
1-3-1包括4個完全相同的直角扇形槽，且這4個直角扇形槽以圖形中心為中心呈中心對稱分布。位于次內(nèi)層的一組槽縫即第二槽縫1-3-2為工字圓形槽縫，該工字圓形槽縫由I個圓形槽和4個完全相同的T形槽構(gòu)成，上述圓形槽以圖形中心為圓心，4個T形槽的下端均與圓形槽相連，且4個T形槽以圖形中心為中心呈中心對稱分布。位于次外層的一組槽縫即第三槽縫1-3-3為齒輪形槽縫，該齒輪形槽縫具有8個完全相同的矩形齒槽，且這8個矩形齒槽以圖形中心為中心呈中心對稱分布。位于最外層的一組槽縫即第四槽縫1-3-4為正圓形槽縫，該正圓形槽縫以圖形中心為圓心。
[0025]上述蝕刻圖形1-3的4組槽縫在圓周方向上的對稱中心線可以相互錯開，但也可以根據(jù)性能需求，如本發(fā)明優(yōu)選實施例所示，蝕刻圖形1-3的4組槽縫在圓周方向上的對稱中心線相互對應(yīng)，即:第一槽縫1-3-1的4個直角扇形槽縫在圓周方向上的中心對稱線分別朝向東南方向、西南方向、西北方向和東北方向。第二槽縫1-3-2的4個T形槽在圓周方向上的中心對稱線分別朝向正東方向、正南方向、正西方向和正北方向。第三槽縫1-3-3的8個矩形齒槽在圓周方向上的中心對稱線分別朝向正東方向、東南方向、正南方向、西南