改善多天線系統(tǒng)性能的超表面及采用超表面的多天線系統(tǒng)技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種改善多天線系統(tǒng)性能的超表面及采用超表面的多天線系統(tǒng)，超表面由一系列周期排布的諧振器及承載諧振器的介質(zhì)層構(gòu)成，各諧振器單元的頻率，反射系數(shù)，透射系數(shù)，各諧振器之間的間距，以及超表面距離多個天線單元的高度進(jìn)行配置，使得多個天線單元之間的互耦在指定的頻率范圍降低到接近于零，天線單元的匹配帶寬增加，同時使得每個天線單元的輻射增益提高。本發(fā)明專利技術(shù)所公開的超表面原則上可以應(yīng)用于任意多個天線單元組成的多天線通信系統(tǒng)和天線陣列，可以適用于各種形式的天線，本發(fā)明專利技術(shù)公開的超表面可以采用傳統(tǒng)的印制電路板工藝，柔性PCB工藝實現(xiàn)，也可以采用微波無源集成電路工藝實現(xiàn)，有著廣泛的應(yīng)用前景。

Super surface for improving multi antenna system performance and multi antenna system with ultra surface

The invention discloses a method to improve the performance of multi antenna system using multiple antenna systems over the surface and the surface of the super, super surface composed of a series of periodic arrangement of resonator and bearing resonator dielectric layer, the resonator element frequency, reflection coefficient, transmission coefficient, the distance between the resonators, and the super surface distance the height of the antenna unit configuration, the mutual coupling between a plurality of antenna elements in the specified frequency range is reduced to close to zero, the bandwidth of the antenna unit increases, while the radiation gain of each antenna element provided high. The invention discloses a super surface principle can be multi antenna communication system and antenna array applied to a plurality of antenna elements of arbitrary composition, the antenna can be applied to various forms of the invention can be used for printed circuit board technology of traditional open super surface, flexible PCB technology realization, can also be used in passive microwave integrated circuit technology has a wide application prospect.

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
改善多天線系統(tǒng)性能的超表面及采用超表面的多天線系統(tǒng)
本專利技術(shù)涉及無線通信
，尤其涉及一種無線設(shè)備中針對大規(guī)模多天線通信系統(tǒng)的改善多天線系統(tǒng)性能的超表面及采用超表面的多天線系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
在大數(shù)據(jù)，移動互聯(lián)網(wǎng)，以及虛擬現(xiàn)實，4K高清視頻等應(yīng)用的趨勢下，迫切需要第五代移動通訊系統(tǒng)(5G)的技術(shù)快速成熟與應(yīng)用，包括移動通信，Wi-Fi，高速無線數(shù)傳無一例外的需要相比現(xiàn)在更寬的傳輸速率，更低的傳輸延時以及更穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸。在此背景下，大規(guī)模多輸入多輸出系統(tǒng)(MassiveMIMO)以及不可逆轉(zhuǎn)的成為下一代移動通信系統(tǒng)的標(biāo)配；多輸入輸出技術(shù)利用在收發(fā)系統(tǒng)之間的多個天線之間存在的多個空間信道上，傳輸多流相互正交的數(shù)據(jù)，能夠提高數(shù)據(jù)吞吐率，以及提高通信的穩(wěn)定性。與此同時，毫米波、太赫茲通訊技術(shù)也在防撞雷達(dá)，探測，遙感，成像等領(lǐng)域快速發(fā)展。對了對抗頻率高時較大的路徑損耗，大規(guī)模的多天線陣列、相控陣也將大規(guī)模被采用。陣列的口徑越大，對應(yīng)的天線增益也就越高，也就能夠更好的彌補(bǔ)路徑損耗造成的衰減。然而，考慮實際應(yīng)用場景，無論是5G的基站，還是毫米波系統(tǒng)前端的天線陣列，都有空間的限制。例如，毫米波汽車防撞雷達(dá)，少則32單元，多則64單元甚至更多的天線陣列，要集成到汽車上，必然不能有特別大的體積。再比如，未來帶有MassiveMIMO的5G基站，考慮基站的成本，功耗，以及建站時候空間的限制，天線陣的體積不能很大。在多天線系統(tǒng)物理尺寸受限的情況下，多個天線單元之間的互相耦合、干擾，必然會造成天線性能的下降，例如：(1)天線單元間互相耦合增大，使得波束掃描角度變??；(2)造成天線副瓣較高；(3)由于天線單元之間互相的干擾，造成信噪比變差；(4)天線單元之間的互耦，使得能夠有效輻射的能量減少，造成增益降低；(5)各天線單元之間相關(guān)性變高，使得MIMO系統(tǒng)的通訊吞吐率降低。綜上所述，迫切的需要一種，在多天線系統(tǒng)中改善天線性能的辦法，使得空間受限的多天線系統(tǒng)、天線陣列，能夠即縮小體積，又保持原有的天線陣性能。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)要解決的技術(shù)問題就是上面提到的在物理尺寸受限的情況下，多個天線單元之間的互相耦合、干擾，造成的多天線系統(tǒng)、天線陣列性能的下降。在本專利技術(shù)中，所述的改善天線性能的超表面，包括:一系列周期排布的諧振器，諧振器的形式可以多種多樣，包括：(開口或閉合)諧振環(huán)、諧振貼片，十字形貼片等；承載諧振器的介質(zhì)層；所有諧振器可以印刷在介質(zhì)層上；所述介質(zhì)層根據(jù)實際需要，可以有較低或較高的介電常數(shù)；也可以用柔性PCB組成。支撐所述超表面的支撐柱。支撐柱原則上應(yīng)該選用非金屬結(jié)構(gòu)，避免對原多天線系統(tǒng)和超表面本身的特性造成影響。由所述諧振器及承載諧振器的介質(zhì)層構(gòu)成超表面，通過所述支撐柱支撐，覆蓋于多天線系統(tǒng)上方。對所述諧振器的諧振頻率、反射系數(shù)、透射系數(shù)，各諧振器之間的間距，承載諧振器的介質(zhì)層的介電常數(shù)，以及超表面距離原多天線系統(tǒng)的高度進(jìn)行配置，使得多天線系統(tǒng)在以下幾個方面獲得性能改善：使得覆蓋超表面的多天線系統(tǒng)各天線單元之間的耦合系數(shù)降至最低，接近于零；使得覆蓋超表面的多天線系統(tǒng)中各天線單元的增益較原始多天線系統(tǒng)提高；使得覆蓋超表面的多天線系統(tǒng)中各天線單元的匹配帶寬較原始多天線系統(tǒng)提高；使得覆蓋超表面的天線陣副瓣降低；使得覆蓋超表面的相控陣掃描角度變寬。需要說明的是，根據(jù)實際的多天線系統(tǒng)特性以及需求，上述5點性能改善，可能同時發(fā)生，也可能有其中一項或幾項單獨發(fā)生。根據(jù)本申請的另一方面，所述超表面上的諧振器，可以配置可調(diào)諧裝置，通過調(diào)整可調(diào)諧裝置，動態(tài)改變所述諧振器的諧振頻率、反射系數(shù)、透射系數(shù)，使得含有超表面的多天線系統(tǒng)，可以具有可重構(gòu)性。具有含有可重構(gòu)超表面的多天線系統(tǒng)，能夠具有以下特性：(1)可以根據(jù)調(diào)諧狀態(tài)，工作在多個頻段(2)根據(jù)系統(tǒng)需求，動態(tài)調(diào)整多天線系統(tǒng)間各單元之間的耦合系數(shù)(3)用作相控陣時，可以根據(jù)多天線系統(tǒng)掃描的角度，調(diào)諧狀態(tài)，展寬相控陣掃描的角根據(jù)本申請的又一個方面，超表面可以是兩層的，多層的，多層的超表面可以展寬多天線系統(tǒng)性能提升的頻帶寬度。根據(jù)本申請的又一個方面，超表面還可以位于多天線系統(tǒng)中各天線單元的同一層，還可以直接替代原多天線系統(tǒng)天線單元的地板，獲得更低的剖面。還可以采用共形設(shè)計，與天線罩或者安裝多天線系統(tǒng)的其他表面共形。以下為具體方案：一種用于改善多天線系統(tǒng)性能的超表面，包括：一系列周期排布的諧振器；承載諧振器的介質(zhì)層；支撐所述超表面的支撐柱；由所述諧振器及承載諧振器的介質(zhì)層構(gòu)成超表面，通過所述支撐柱支撐，覆蓋于多天線系統(tǒng)上方；對所述諧振器的諧振頻率、反射系數(shù)、透射系數(shù)，各諧振器之間的間距，承載諧振器的介質(zhì)層的介電常數(shù)，以及超表面距離原多天線系統(tǒng)的高度進(jìn)行配置，使得覆蓋超表面的多天線系統(tǒng)各天線單元之間的耦合系數(shù)降至最低。優(yōu)選的，對所述諧振器的諧振頻率、反射系數(shù)、透射系數(shù)，各諧振器之間的間距，承載諧振器的介質(zhì)層的介電常數(shù)，以及超表面距離原多天線系統(tǒng)的高度進(jìn)行配置，使得覆蓋超表面的多天線系統(tǒng)中各天線單元的增益較原始多天線系統(tǒng)提高。優(yōu)選的，對所述諧振器的諧振頻率、反射系數(shù)、透射系數(shù)，各諧振器之間的間距，承載諧振器的介質(zhì)層的介電常數(shù)，以及超表面距離原多天線系統(tǒng)的高度進(jìn)行配置，使得覆蓋超表面的多天線系統(tǒng)中各天線單元的匹配帶寬較原始多天線系統(tǒng)提高。優(yōu)選的，對所述諧振器的諧振頻率、反射系數(shù)、透射系數(shù)，各諧振器之間的間距，承載諧振器的介質(zhì)層的介電常數(shù)，以及超表面距離原多天線系統(tǒng)的高度進(jìn)行配置，使得覆蓋超表面的天線陣副瓣降低。優(yōu)選的，對所述諧振器的諧振頻率、反射系數(shù)、透射系數(shù)，各諧振器之間的間距，承載諧振器的介質(zhì)層的介電常數(shù)，以及超表面距離原多天線系統(tǒng)的高度進(jìn)行配置，使得覆蓋超表面的相控陣掃描角度變寬。優(yōu)選的，連接在諧振器上的可調(diào)諧裝置，通過調(diào)整可調(diào)諧裝置，動態(tài)改變所述諧振器的諧振頻率、反射系數(shù)、透射系數(shù)。優(yōu)選的，覆蓋在第一層超表面之上的第二層超表面；第二層超表面包括：一系列周期排布的諧振器；承載諧振器的介質(zhì)層；支撐所述超表面的支撐柱；由所述諧振器及承載諧振器的介質(zhì)層構(gòu)成第一層超表面，通過所述支撐柱支撐，覆蓋于多天線系統(tǒng)上方；由所述諧振器及承載諧振器的介質(zhì)層構(gòu)成第二層超表面，覆蓋于所述第一層超表面之上；對所述的第一層、第二層超表面的諧振器的諧振頻率、反射系數(shù)、透射系數(shù)，各諧振器之間的間距，承載諧振器的介質(zhì)層的介電常數(shù)，第一層超表面距離多天線系統(tǒng)的高度，兩層超表面之間的間距進(jìn)行配置，使得覆蓋雙層超表面的多天線系統(tǒng)中各天線單元之間的耦合系數(shù)較原始多天線系統(tǒng)在一個更寬的頻段內(nèi)降低最低。優(yōu)選的，超表面還包括：覆蓋在第一層超表面之上的第二層超表面；第二層超表面包括：一系列周期排布的諧振器；承載諧振器的介質(zhì)層；支撐所述超表面的支撐柱；對所述的第一層、第二層超表面的諧振器的諧振頻率、反射系數(shù)、透射系數(shù)，各諧振器之間的間距，承載諧振器的介質(zhì)層的介電常數(shù)，第一層超表面距離多天線系統(tǒng)的高度，兩層超表面之間的間距進(jìn)行配置，使得覆蓋雙層超表面的多天線系統(tǒng)中各天線單元的增益較原始多天線系統(tǒng)在一個更寬的頻段內(nèi)提高。另一種用于改善多天線系統(tǒng)性能的超表面，包括：多層疊加在多天線系統(tǒng)上方的介質(zhì)層，支撐各介質(zhì)層的支撐柱；對所述各層介質(zhì)的介電常本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點】
一種用于改善多天線系統(tǒng)性能的超表面，包括：一系列周期排布的諧振器；承載諧振器的介質(zhì)層；支撐所述超表面的支撐柱；由所述諧振器及承載諧振器的介質(zhì)層構(gòu)成超表面，通過所述支撐柱支撐，覆蓋于多天線系統(tǒng)上方；對所述諧振器的諧振頻率、反射系數(shù)、透射系數(shù)，各諧振器之間的間距，承載諧振器的介質(zhì)層的介電常數(shù)，以及超表面距離原多天線系統(tǒng)的高度進(jìn)行配置，使得覆蓋超表面的多天線系統(tǒng)各天線單元之間的耦合系數(shù)降至最低。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種用于改善多天線系統(tǒng)性能的超表面，包括：一系列周期排布的諧振器；承載諧振器的介質(zhì)層；支撐所述超表面的支撐柱；由所述諧振器及承載諧振器的介質(zhì)層構(gòu)成超表面，通過所述支撐柱支撐，覆蓋于多天線系統(tǒng)上方；對所述諧振器的諧振頻率、反射系數(shù)、透射系數(shù)，各諧振器之間的間距，承載諧振器的介質(zhì)層的介電常數(shù)，以及超表面距離原多天線系統(tǒng)的高度進(jìn)行配置，使得覆蓋超表面的多天線系統(tǒng)各天線單元之間的耦合系數(shù)降至最低。2.如權(quán)利要求1所述的改善多天線系統(tǒng)的超表面，其特征在于：對所述諧振器的諧振頻率、反射系數(shù)、透射系數(shù)，各諧振器之間的間距，承載諧振器的介質(zhì)層的介電常數(shù)，以及超表面距離原多天線系統(tǒng)的高度進(jìn)行配置，使得覆蓋超表面的多天線系統(tǒng)中各天線單元的增益較原始多天線系統(tǒng)提高。3.如權(quán)利要求1所述的改善多天線系統(tǒng)的超表面，其特征在于：對所述諧振器的諧振頻率、反射系數(shù)、透射系數(shù)，各諧振器之間的間距，承載諧振器的介質(zhì)層的介電常數(shù)，以及超表面距離原多天線系統(tǒng)的高度進(jìn)行配置，使得覆蓋超表面的多天線系統(tǒng)中各天線單元的匹配帶寬較原始多天線系統(tǒng)提高。4.如權(quán)利要求1所述的改善多天線系統(tǒng)的超表面，其特征在于：對所述諧振器的諧振頻率、反射系數(shù)、透射系數(shù)，各諧振器之間的間距，承載諧振器的介質(zhì)層的介電常數(shù)，以及超表面距離原多天線系統(tǒng)的高度進(jìn)行配置，使得覆蓋超表面的天線陣副瓣降低。5.如權(quán)利要求1所述的改善多天線系統(tǒng)的超表面，其特征在于：對所述諧振器的諧振頻率、反射系數(shù)、透射系數(shù)，各諧振器之間的間距，承載諧振器的介質(zhì)層的介電常數(shù)，以及超表面距離原多天線系統(tǒng)的高度進(jìn)行配置，使得覆蓋超表面的相控陣掃描角度變寬。6.如權(quán)利要求1～5所述的改善多天線系統(tǒng)的超表面，其特征在于：還包括：連接在諧振器上的可調(diào)諧裝置，通過調(diào)整可調(diào)諧裝置，動態(tài)改變所述諧振器的諧振頻率、反射系數(shù)、透射系數(shù)。7.如權(quán)利要求1～5所述的改善多天線系統(tǒng)的超表面，其特征在于：還包括：覆蓋在第一層超表面之上的第二層超表面；第二層超表面包括：一系列周期排布的諧振器；承載諧振器的介質(zhì)層；支撐所述超表面的支撐柱；由所述諧振器及承載諧振器的介質(zhì)層構(gòu)成第一層超表面，通過所述支撐柱支撐，覆蓋于多天線系統(tǒng)上方；由所述諧振器及承載諧振器的介質(zhì)層構(gòu)成第二層超表面，覆蓋于所述第一層超表面之上；對所述的第一層、第二層超表面的諧振器的諧振頻率、反射系數(shù)、透射系數(shù)，各諧振器之間的間距，承載諧振...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：趙魯豫，王紫陽，沈明，
申請(專利權(quán))人：西安電子科技大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：陜西,61