基于非周期人工磁导体结构的双极化高增益MIMO天线制造技术

本发明专利技术提供一种基于非周期人工磁导体结构的双极化高增益MIMO天线，采用双层叠放的介质基板组成，包括印制于上层介质基板上表面的贴片天线，印制于下层介质基板下表面的金属地板，印制于下层介质基板上表面的人工磁导体反射板，及从下层介质基板下表面插入人工磁导体反射板和上层介质基板的四根同轴馈电探针，所述四个同轴馈电探针与十字型贴片天线连接；所述贴片天线为十字型结构，所述人工磁导体反射板被分割为若干个大小不一且呈中心对称设置的人工磁导体单元，每个人工磁导体单元为矩形金属贴片。本发明专利技术能实现双极化、高增益、高效率、高隔离的辐射特性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种微带天线，特别是一种基于非周期人工磁导体结构的双极化高增益MIMO天线。
技术介绍
近几年来，人工磁导体是微波毫米波领域研究的热点之一。利用其具有独特的表面波带隙特性以及对平面波同相反射特性，可以有效地改善天线的性能。F.Yang与Y.Rahmat-Samii等人将人工磁导体结构应用于微带天线周围，用以抑制表面波的传播，提高天线的增益，降低背瓣。同时，将其作为偶极子天线和螺旋线圈天线的反射面，可以使天线紧贴人工磁导体结构表面，实现低剖面天线。此外，A.Foroozesh等人将人工磁导体结构应用到贴片天线上，带宽及辐射增益都得到了很大的改善。但是，当若干个相同的人工磁导体单元组成反射板位于天线下方时，由于每个单元与天线的距离不同，每个单元表面的电流强度分布也不一致，因此不能最大程度地增强天线的辐射增益。W.Yang等人提出支节加载人工磁导体(Stub-loaded artificial magnetic conductor，SLAMC)结构，并将其作为探针馈电贴片天线的地板，使得天线的工作频带、辐射增益和辐射效率都有很大的提高。但辐射效率仅有83％，且交叉极化抑制效果较差。为了改善天线的性能，他们紧接着提出了一种基于非周期人工磁导体结构的高效率微带天线，能实现高效率的辐射特性和较好的交叉极化抑制，但是这种结构仅仅能实现单极化特性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于非周期人工磁导体结构的双极化高增益MIMO天线，能实现双极化、高增益、高效率、高隔离的辐射特性。一种基于非周期人工磁导体结构的双极化高增益MIMO天线，采用双层叠放的介质基板组成，包括十字型贴片天线、金属地板、人工磁导体反射板、同轴馈电探针。十字型贴片天线印制于上层介质基板上表面，金属地板印制于下层介质基板下表面，人工磁导体反射板印制于下层介质基板上表面，同轴馈电探针从下层介质基板下表面插入人工磁导体反射板和上层介质基板，所述四个同轴馈电探针与十字型贴片天线连接。所述人工磁导体反射板被分割为多个独立的呈矩阵式排列的人工磁导体单元，相邻的两个人工磁导体单元之间设有窄型缝隙，在此
需要说明的是，当对角线上相邻的两个人工磁导体单元的尺寸差距过大时，会出现对角线上相邻的两个单元重合的现象，这可以通过微小剪切来避免，同时基本不会影响超材料结构的电磁特性。因此，每个人工磁导体单元可能为常规的矩形金属贴片，也可能是带有微小剪切的矩形金属贴片。所述矩阵式排列的人工磁导体单元关于水平轴线和垂直轴线均对称设置。此外，考虑到角落边缘处的电流较弱，可以将地板的四角切除，这样既保证了天线的辐射性能，又增强了波束在方位面的一致性。作为本专利技术的一种改进，所述贴片天线为十字型结构，具有水平极化和垂直极化的双极化特性，两个维度的耦合度都会受到距离的影响，都可以通过尺寸变化和排布变化来补偿。作为本专利技术的一种改进，所述人工磁导体反射板呈中心对称，人工磁导体单元在两个维度上即水平轴线和垂直轴线上均为对称设置。作为本专利技术的一种改进，所述相邻的两个人工磁导体单元之间设有窄型缝隙。若出现对角线上相邻的两个单元重合的现象，可通过微小剪切来避免，同时基本不会影响超材料结构的电磁特性。作为本专利技术的一种改进，考虑到角落边缘处的电流较弱，可以将地板的四角切除，这样既保证了天线的辐射性能，又增强了波束在方位面的一致性。作为本专利技术的一种改进，同轴馈电探针采用两组差分同轴馈电方式为贴片天线馈电，来实现较好的交叉极化抑制。采用上述的微带天线，贴片天线1为十字型，印制于上层介质基板2上表面中心，其长为0.1λg,0.75λg，宽为0.1λg,0.5λg，其中λg为上层介质基板2的介质有效波长。采用上述的微带天线，人工磁导体单元的长和宽为0.03λ,0.26λ，窄型缝隙的宽度为0.001λ,0.015λ，微小剪切的长和宽为0.001λ,0.015λ。采用上述的微带天线，上层介质基板和下层介质基板的介电常数εr均为2.2,10.2，厚度H均为0.01λ,0.1λ，其中λ为自由空间波长。采用上述的微带天线，贴片天线为十字型结构，印制于上层介质基板上表面中心，其长为0.1λg,0.75λg，宽为0.1λg,0.5λg，其中λg为上层介质基板的介质有效波长。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：(1)本专利技术可实现两种极化方式，
该结构采用十字型贴片天线，具有水平极化和垂直极化的双极化特性，并设置人工磁导体面中心对称，两个维度的耦合度都会受到距离的影响，都可以通过尺寸变化和排布变化来补偿；(2)本专利技术提出的基于非周期人工磁导体结构的双极化高增益MIMO天线，通过适当调节其尺寸来控制矩形金属贴片的长度分布，最终可以有效地改善天线表面的电场强度分布，实现宽带、高效率、高隔离的辐射特性，与此同时，口径效率也可提高到105％；(3)本专利技术提出的基于非周期人工磁导体结构的双极化高增益MIMO天线，考虑到角落边缘处的电流较弱，可以将地板的四角切除，这样既保证了天线的辐射性能，又增强了波束在方位面的一致性；(4)本专利技术提出的基于非周期人工磁导体结构的双极化高增益MIMO天线，仍然保留了基于非周期人工磁导体结构的高效率微带天线相比的低剖面特性，整体结构只有0.05λ的厚度；(5)本专利技术提出的基于非周期人工磁导体结构的双极化高增益MIMO天线，采用双层微波介质板，结构简单，加工容易，成本和重量都相对较小，因而可以大规模生产。下面结合说明书附图对本专利技术做进一步描述。附图说明图1为本专利技术基于非周期人工磁导体结构的双极化高增益MIMO天线的三维图、俯视图和侧视图，其中图(a)为三维图，图(b)为俯视图，图(c)为侧视图。图2为本专利技术非周期人工磁导体单元的三维图和俯视图，其中图(a)为矩形人工磁导体单元的三维图，图(b)为矩形人工磁导体单元的俯视图。图3为本专利技术32个独立的人工磁导体单元的矩形金属贴片的长lm、宽ln的分布图。图4为基于图3在人工磁导体单元不同长度ln下的反射相位图。图5为基于图3在十字型金属贴片的长度分布为l1＝9mm，l2＝8.8mm，l3＝4.5mm时的反射系数和增益以及隔离和口径效率曲线，其中(a)为反射系数和增益的曲线，(b)为隔离和口径效率曲线。图6为基于图3在十字型金属贴片的长度分布为l1＝9mm，l2＝8.8mm，l3＝4.5mm时的最大增益点处的辐射方向图。图7为本专利技术16个独立的人工磁导体单元的矩形金属贴片的长lm、宽ln分
布图。图8为基于图7在矩形金属贴片的长度分布为l1＝8.5mm，l2＝8mm时的反射系数和增益以及隔离和口径效率曲线，其中(a)为反射系数和增益的曲线，(b)为隔离和口径效率曲线。图9为基于图7在矩形金属贴片的长度分布为l1＝8.5mm，l2＝8mm时的最大增益点处的辐射方向图。具体实施方式结合图1，一种基于非周期人工磁导体结构的双极化高增益MIMO天线，采用双层叠放的介质基板组成，包括十字型贴片天线1、金属地板6、人工磁导体反射板4、同轴馈电探针3。贴片天线1印制于上层介质基板2上表面，金属地板印制于下层介质基板7下表面，人工磁导体反射板4印制于下层介质基板7上表面，同轴馈电探针3从下层介质基板7下表面插入人工磁导体反射板4本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于非周期人工磁导体结构的双极化高增益MIMO天线，采用双层叠放的介质基板组成，包括：印制于上层介质基板[2]上表面的贴片天线[1]，印制于下层介质基板[7]下表面的金属地板[6]，印制于下层介质基板[7]上表面的人工磁导体反射板[4]，及从下层介质基板[7]下表面插入人工磁导体反射板[4]和上层介质基板[2]的四根同轴馈电探针[3]，所述四个同轴馈电探针[3]与十字型贴片天线[1]连接；其特征在于，所述贴片天线[1]为十字型结构，所述人工磁导体反射板[4]被分割为若干个大小不一且呈中心对称设置的人工磁导体单元[5]，每个人工磁导体单元[5]为矩形金属贴片。

【技术特征摘要】
1.一种基于非周期人工磁导体结构的双极化高增益MIMO天线，采用双层叠放的介质基板组成，包括：印制于上层介质基板[2]上表面的贴片天线[1]，印制于下层介质基板[7]下表面的金属地板[6]，印制于下层介质基板[7]上表面的人工磁导体反射板[4]，及从下层介质基板[7]下表面插入人工磁导体反射板[4]和上层介质基板[2]的四根同轴馈电探针[3]，所述四个同轴馈电探针[3]与十字型贴片天线[1]连接；其特征在于，所述贴片天线[1]为十字型结构，所述人工磁导体反射板[4]被分割为若干个大小不一且呈中心对称设置的人工磁导体单元[5]，每个人工磁导体单元[5]为矩形金属贴片。2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述相邻的两个人工磁导体单元[5]之间设有窄型缝隙[9]。3.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，用微小剪切的矩形金属贴片代替人工磁导体单元[5]。4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，四根同轴馈电探针[3]分为两组，采用差分同轴馈电方式分别为十字型贴片天线[1]供电，其中水平轴线上的两个同轴探针之间为差分信号，垂直轴线上的两个同轴探针之间为差分信号。5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，上层介质基板[2]和下层介质基板[7]的介电常数εr均为[2.2,10.2]，厚度H均为[0.01λ,0.1λ]，其中λ为自由空间波长。6.根据权利要求1或3所述的天线，其特征在于，人工磁导体单元[5]的长和宽为[0.03λ,0.26λ]，窄型缝隙[9]的宽度为[...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨琬琛，陈东旭，车文荃，谷礼政，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32