一种用于无线移动终端的时间反演亚波长阵列天线

摘要

一种用于无线移动终端的时间反演亚波长阵列天线，属于电子技术领域。由多个相同的天线单元层叠而成；每个天线单元的辐射单元为等腰三角环；等腰三角环上均匀刻蚀有十字槽；等腰三角环的顶点位置通过阻抗变换微带线与50欧姆微带馈线相连；金属底板位于矩形介质基片背面与阻抗变换微带线与50欧姆微带馈线对应的位置；矩形金属底板上也均匀刻蚀有十字槽；相邻两个天线单元的辐射单元之间的距离在1/40～1/2波长之间。本发明应用在时域通信系统移动终端中，利用时间反演技术，使得多天线系统中各信道保持相对独立，互耦很小，邻道干扰极低，能够支持更高的数据传输率、更高的频谱利用率、很大程度上提高了移动终端的通信容量及通信速率。

权利要求

1.一种用于无线移动终端的时间反演亚波长阵列天线，由多个相同的天线单元层叠而成；每个天线单元中，位于矩形介质基片正面的辐射单元(4)的形状为等腰三角环，两腰之间的夹角在30～50度之间，底边平行于矩形介质基片的窄边；等腰三角环上均匀刻蚀了若干两臂等长的十字槽，十字槽的两臂长度在1/40～1/20波长之间、宽度在1/400～1/200波长之间；等腰三角环的顶点位置依次通过第一段微带线(3)和第二段微带线(2)与第三段微带线(1)相连，其中第一段微带线(3)和第二段微带线(2)构成1/4波长阻抗变换微带线，第三段微带线(1)是特性阻抗为50欧姆的微带馈线；矩形金属底板位于矩形介质基片背面与三段微带线(1、2和3)对应的位置，其宽度与矩形介质基片的宽度相等，其高度略小于三段微带线(1、2和3)长度之和；矩形金属底板上与三段微带线(1、2和3)对应的两侧均匀刻蚀了若干与辐射单元(4)上刻蚀的十字槽相同大小的十字槽；相邻两个天线单元的辐射单元之间的距离在1/40～1/2波长之间。

说明书

一种用于无线移动终端的时间反演亚波长阵列天线

技术领域

[0001] 本发明属于电子技术领域，它涉及一种高密度布阵天线阵列，其天线面到面之间的距离远小于工作波长，具体涉及一种用于无线移动终端的时间反演亚波长天线阵列。

背景技术

[0002] 提高移动通信系统的通信容量和通信速率，始终是移动通信追求的目标。随着个人业务需求的不断增长，移动终端面临着通信容量和通信速率亟待提高的巨大需求。在移动终端上设计多个天线单元，增加独立的无线信道数量，以提高移动终端的通信容量和通信速率，是未来移动通信提高移动终端通信性能的主要手段之一。

[0003] 由于移动终端平台的尺寸有限，尽管人们对天线单元小型化进行了诸多研究，要将多个用于不同信道的天线集成在移动终端上，多个天线所占用的空间仍然较大。这是因为，根据传统理论，为使多天线系统获得良好的空间分集增益和空间复用增益，要求天线单元间距不小于半个工作波长，从而导致多个天线占用的空间较大。如果在有限空间内使得天线单元间距远小于半个工作波长，将导致单元间的耦合增大，各天线对应的无线信道的相关性大大提高，导致移动终端系统的通信容量和通信速率极大地降低，严重损害了通信质量，从而失去了引入多天线系统的意义。

[0004] 因此，在移动终端尺寸有限的平台上，如何构建众多信道相互独立的高密度多天线系统，从而极大地提高通信容量和通信速率，可以采用极化分集等方法，但这些方法只能够使用两个极化方向不同的天线，如果天线数目进一步的增多，则难以适用。

[0005] 随着时间反演技术的日益成熟，利用时间反演电磁波自适应的空间、时间同步聚焦特性，可以解决许多传统方法无法解决的难题。时间反演（Time Reversal，即TR）需要在包围源的封闭曲面上布满信号接收器，该接收装置称为TR Cavities，即TRC。TRC接收到源发射的信号后进行时间反演，再重新发射，重发射的信号就可以在源点附近实现空间与时间聚焦。封闭的TRC是理想的接收装置，很难在应用中实现。Fink等人把有限个接收天线组成的阵列（TR Mirror，即TRM）放置在具有丰富多径的环境中进行实验，同样也可以观测到聚焦现象。1991年，D.R.Jackson与D.R.Dowling发表题为“Phase conjugation in underwater acoustics,”（J.Acoust.Soc.Amer.,vol.89,pp.171-181），文中对时间反演在“标量波”传输情况下所具有的聚焦特性给予了理论证明。2004年，G.lerosey等人发表题为“Time Reversal of electromagnetic waves”(Phys.Rev.Lett.,vol.92,pp.1939041)，文中首次实验验证了“时间反演电磁波”同样具有空时聚焦特性。2007年，R.Carminati等人发表题为“Theory of the time reversal cavity for electromagnetic fields”（Optics Lett.,vol.32,Nov.2007），文中使用并矢格林函数对时间反演“矢量电磁波”的聚焦性进行了证明。同样在2007年G.Lerosey等人的在《Science》发表题为“Focusing beyong the diffraction limit with far-field time reversal,”（Science,vol.315,pp.1119-1122,Feb.2007.），文中给出了一种亚波长天线阵列，它由随机分布的金属丝包围在同轴探针周围构成。这种天线阵列结合时间反演电磁波在封闭的金属腔内，工作在2.45GHz，可以展示出1/30波长的超分辨率聚焦特性。这些成果目前还仅限于实验阶段，该天线阵列的带宽也有待提高，但它已经初步展示了亚波长超分辨率天线阵列的可实现性。

[0006] 本发明旨在基于时间反演电磁波的远场超分辨率聚焦特性，研究信道相互独立、间距远小于波长的亚波长微结构天线阵列，为用于高性能移动终端的亚波长微结构天线阵列设计提供最佳的阵列结构、高效高精度的设计方法。

发明内容

[0007] 为了有效缩减阵列天线之间的间距，减小阵列天线占用的空间体积，本发明提供一种用于无线移动终端的时间反演亚波长阵列天线，该阵列天线工作频带内每个单元输入端口电压驻波比小于2.1，阵列中单元与单元面对面的间距小于1/2工作波长（波长以中心频率计算）。使得传统天线阵列无法有效集成在体积有限的无线移动终端系统中的瓶颈得以打破。该天线阵列具有体积小，大量生产成本低，性能好，易于集成的优点。

[0008] 本发明技术方案为：

[0009] 一种用于无线移动终端的时间反演亚波长阵列天线，如图1所示，由多个相同的天线单元层叠而成。每个天线单元如图2所示，位于矩形介质基片正面的辐射单元4的形状为等腰三角环，两腰之间的夹角在30~50度之间，底边平行于矩形介质基片的窄边；等腰三角环上均匀刻蚀了若干两臂等长的十字槽，十字槽的两臂长度在1/40~1/20波长之间、宽度在1/400~1/200波长之间。等腰三角环的顶点位置依次通过第一段微带线3和第二段微带线2与第三段微带线1相连，其中第一段微带线3和第二段微带线2构成1/4波长阻抗变换微带线，第三段微带线1是特性阻抗为50欧姆的微带馈线。矩形金属底板位于矩形介质基片背面与三段微带线1、2和3对应的位置，其宽度与矩形介质基片的宽度相等，其高度略小于三段微带线1、2和3长度之和；矩形金属底板上与三段微带线1、2和3对应的两侧均匀刻蚀了若干与辐射单元4上刻蚀的十字槽相同大小的十字槽。相邻两个个天线单元的辐射单元之间的距离在1/40~1/2波长之间。

[0010] 本发明依据时间反演电磁波在高密度天线阵列单元间的耦合及单元附近的谐振特性，实现具有高空间分辨率的高密度集成亚波长阵列天线，提出了一种在空间有限的移动终端上实现高密度多天线系统集成问题的有效解决方案，探索新一代高性能移动通信网中的空间超分辨率特性的多天线集成系统的设计方法，以提高多天线系统的空间复用增益与空间分集增益等性能。与现有的移动终端天线系统相比，该亚波长阵列天线能够支持更高的数据传输率、更高的频谱利用率、更高的信息安全性以及更大的灵活性，很大程度上提高了移动终端的通信容量及通信速率。

[0011] 尽管亚波长天线阵列中单元之间的间距小于、甚至远小于半个波长，但结合时间反演电磁波所具有空间超分辨率特性，可以极大抑制极近距离天线之间的互耦。在多天线无线移动终端通信系统平台有限的空间中，阵列天线中的单元数目相比传统天线单元数目迅速膨胀，进而使得通信速率、通信容量迅速提高。本发明应用在实际通信时，不需要对信号进行复杂的处理，仅仅是简单的反演处理，即可以展示出超分辨率特性，整个过程实现起来便捷，易于工程实现。

[0012] 特别需要指出，由于时间反演电磁波以其自适应的空间、时间聚焦特性，在多径越是丰富，环境越是复杂的情况下，聚焦效果越好。本发明所设计的亚波长多天线阵列，具有很强的灵活，能够应在各种复杂环境中（包括山区、河流、森林、城市以及郊区），更能够充分利用复杂环境中信号的多径，利用天线单元之间的耦合与局部谐振特性，更利于在复杂环境中进行高速率、大容量、高可靠性以及高保密性的通信。

[0013] 综上所述，本发明应用在时域通信系统移动终端中，利用时间反演技术，直接对时域信号进行反演处理，使得多天线系统中各信道保持相对独立，互耦很小，邻道干扰极低，能够支持更高的数据传输率、更高的频谱利用率、更高的信息安全性以及更大的灵活性，很大程度上提高了移动终端的通信容量及通信速率，进而确保多天线、大容量通信过程中的通信质量。

附图说明

[0014] 图1是本发明提供的阵列天线结构示意图。

[0015] 图2是本发明提供的阵列天线的天线单元结构示意图。其中（a）为基片正面结构，（b）为基片背面结构。

[0016] 图3是本发明具体实施方式提供的阵列天线的天线单元尺寸标注示意图。其中（a）为基片正面结构尺寸标注，（b）为基片背面结构尺寸标注。

[0017] 图4是本发明提供的阵列天线输入端口电压驻波比的测试结果。

[0018] 图5是本发明本发明提供的阵列天线的天线单元在2.5GHz频率下的远场辐射方向图仿真结果。

[0019] 图6是本发明提供的阵列天线的天线单元在3.5GHz频率下的远场辐射方向图仿真结果。

[0020] 图7是本发明提供的阵列天线的天线单元在5.5GHz频率下的远场辐射方向图仿真结果。

[0021] 图8是本发明提供的阵列天线阵列超分辨率测试结果。

具体实施方式

[0022] 一种用于无线移动终端的时间反演亚波长阵列天线，如图1所示，由多个相同的天线单元层叠而成。每个天线单元如图2所示，位于矩形介质基片正面的辐射单元4的形状为等腰三角环，两腰之间的夹角在30~50度之间，底边平行于矩形介质基片的窄边；等腰三角环上均匀刻蚀了若干两臂等长的十字槽，十字槽的两臂长度在1/40~1/20波长之间、宽度在1/400~1/200波长之间。等腰三角环的顶点位置依次通过第一段微带线3和第二段微带线2与第三段微带线1相连，其中第一段微带线3和第二段微带线2构成1/4波长阻抗变换微带线，第三段微带线1是特性阻抗为50欧姆的微带馈线。矩形金属底板位于矩形介质基片背面与三段微带线1、2和3对应的位置，其宽度与矩形介质基片的宽度相等，其高度略小于三段微带线1、2和3长度之和；矩形金属底板上与三段微带线1、2和3对应的两侧均匀刻蚀了若干与辐射单元4上刻蚀的十字槽相同大小的十字槽。相邻两个个天线单元的辐射单元之间的距离在1/40~1/2波长之间。

[0023] 图3是本发明具体实施方式提供的阵列天线的天线单元尺寸标注示意图。其中（a）为基片正面结构尺寸标注，（b）为基片背面结构尺寸标注。需要说明的是，图3只是给出了一种具体实施方式，是对本发明技术效果的证明，而并非是对本发明的进一步限定，本领域技术人员根据本发明技术方案的描述，应当确定本发明具有更多类似实现方案。

[0024] 如图3所示：矩形介质基片长90mm、宽36mm，金属背板宽36mm、高44mm，第一段微带线3长15.5mm、宽0.4mm，第二段微带线2长16mm、宽1.5mm，第三段微带线1长14mm、宽2.5mm；等腰三角环上十字槽个数为20，金属地板上十字槽个数为13个；介质基片的相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.001。

[0025] 经过计算机仿真计算，上述天线阵列在2.5GHz-5.5GHz频段内的电压驻波比与远场辐射方向特性见图4、图5与图6所示。

[0026] 图3给出了馈电端口电压驻波比，在4.6GHz频率下，电压驻波比的最大值为2.1。

[0027] 图4给出了天线单元在2.5GHz频率下，共面辐射特性与交叉极化特性均在远场辐射方向图中，其增益最大3dB。

[0028] 图5给出了天线单元在3.5GHz频率下，共面辐射特性与交叉极化特性均在远场辐射方向图中，其增益最大3dB。

[0029] 图6给出了天线单元在5.5GHz频率下，共面辐射特性与交叉极化特性均在远场辐射方向图中，其增益最大3dB。

[0030] 将图3所示的4个天线单元组成阵列，天线面对面摆放，间距小于半个波长，直到1/40波长均可以展示出超分辨率的聚焦特性。图7给出了天线阵列，结合时间反演技术展示出的超分辨率特性。定义天线单元从上往下依次为1、2、3、4号天线单元，以2号天线为例，当2号天线发送信号，TRM提取其信道特征后，再次发送，只有2号天线单元接收到的信号幅度最大，其它天线接收到的信号幅度均小于2号天线的一半，这意味着，通信时，2号天线是一个独立的信道，2号天线对其它天线的干扰很小。而其它天线在通信时，也是与2号天线具有等同的地位，每个天线代表一个相互独立的信道，对其它天线均会有很小的干扰，可很方便的利用时间反演技术进行高速率、高质量的多天线通信。