[发明专利]单负材料隔离板及宽频高隔离度单极子阵列天线

说明书

技术领域

本发明属于阵列天线技术领域，具体涉及一种单负材料隔离板及宽频高隔离度单极子阵列天线。

背景技术

天线是无线通信系统中不可或缺的重要部分。其中，相比于孤立天线的性能，天线组阵能够获得更加优越的天线性能指标，因而阵列天线在众多通信系统中应用广泛。但是在实际的阵列天线系统中，天线单元并不是孤立的，每一个天线单元工作时都与其它单元之间存在电磁耦合，我们把这种现象称为阵列天线的互耦效应。尤其在小间距阵列天线系统中，比如MIMO(Multiple Input Multiple Output)系统、GPS(Global Positioning System)系统等，互耦效应将对阵列天线的性能造成不利影响，比如辐射方向图失真、输入阻抗变化等。在阵列天线小型化的发展趋势下，互耦问题成为制约阵列天线性能提高的关键问题。因此，互耦的研究以及互耦抑制的方法在天线阵列领域有着重要的意义。

目前，应用于减小阵列天线互耦效应的方法主要有两类，这些方法对提高阵列天线性能都有着重要的作用。第一类方法是采用算法和模型描述出天线阵列复杂的互耦特性从而利用优化算法进行互耦补偿。第二类方法是在阵列天线设计中引入某些特殊结构从而对互耦进行抑制，比如缺陷地结构(DGS，defected ground structure)、电磁带隙结构(EBG，electromagnetic bandgap)等。其中，阵列天线加载DGS结构或EBG结构是目前在抑制天线互耦方面应用较多的方法。但是，DGS结构需要在天线地板上刻蚀槽缝，而蚀刻的缝隙将泄漏电磁能量，产生后向辐射。EBG结构需要多个周期，因而要占据较大的空间且制作工艺复杂，这样使得设计紧凑的阵列天线变得非常困难。同时，DGS结构和EBG结构在平面微带天线阵列互耦抑制中应用居多，不适合在高剖面线天线阵列中应用。

当介质的等效媒质参数(介电常数ε和磁导率μ)一个为负值且另一个为正值的时候，该类介质可称之为单负材料(SNG，single-negative metamaterial)。由于单负材料的介电常数ε和磁导率μ有且仅有一个为负值(εμ<0)，材料中电磁波的传播常数β为0且衰减常数α大于0，单负材料中电磁波的传播是迅速衰减的，因此单负材料具有带阻电磁传输特性。根据单负材料的特性，我们可将单负材料(如细金属线或SRR环)应用到阵列天线中来降低阵列天线单元间的互耦。这种方法可将单元间的耦合再降低20dB左右。然而，大多数单负材料都是强谐振结构，它们的频段宽度都很窄(如1％左右)。如此窄频段宽度的单负材料与现代系统宽带化的潮流不相匹配，因而其在天线系统上的应用很受限制。2010年，Mohammed M.Bait-Suwailam等在美国电子电气工程师协会主办的天线与传播学报发表了论文“磁单负材料在高剖面MIMO单极子天线阵列互耦抑制中的应用”(Electromagnetic Coupling Reduction in High-Profile Monopole Antennas Using Single-Negative Magnetic Metamaterials for MIMO Applications[J].IEEE Trans.Antennas Propag.,2007,58(9):2894-2910.)。文章中通过在MIMO单极子天线阵中加载单负SRR结构隔离器，在基本不影响阵列天线的性能和结构的情况下，天线单元间隔离度达到了20dB以上。但是，文章中阵列天线的20dB隔离带宽仅为4％。同时，文章的SRR隔离器结构尺寸较大，明显地增大了天线阵的体积从而不利于天线的小型化。上述文献表明，通过加载单负材料隔离板可以降低阵列阵元间的耦合，从而取得高隔离度的阵列天线。目前，尚无基于结构简单且尺寸小的单负材料隔离板的宽频高隔离度单极子阵列天线的报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种单负材料隔离板及宽频高隔离度单极子阵列天线，其通过将尺寸小并且结构简单的单负材料隔离板加载于单极子阵列天线，以抑制阵列天线的互耦，最终获得宽频高隔离度的阵列天线。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：