單負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，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)—個為負值且另一個為正值的時候，該類介質(zhì)可稱之為單負材料(SNG，single-negative metamaterial)。由于單負材料的介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ有且僅有一個為負值(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，單負材料中電磁波的傳播是迅速衰減的，因此單負材料具有帶阻電磁傳輸特性。根據(jù)單負材料的特性，我們可將單負材料(如細金屬線或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。上述文獻表明，通過加載單負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材料隔離板后互耦抑制性能能夠達到20dB以上，并且20dB隔離帶寬達到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為單負材料隔離板的TEM波導(dǎo)仿真模型圖。
[0020]圖4為單負材料隔離板的等效媒質(zhì)參數(shù)。
[0021]圖5為增設(shè)了單負材料隔離板的單極子陣列的S參數(shù)和無單負材料隔離板的單極子陣列的S參數(shù)對比圖。
[0022]圖中標號:1、單負材料隔離板；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