基于超表面的宽带单站共圆极化同时收发天线的制作方法

1.本发明涉及无线通信设备的技术领域，尤其涉及一种基于超表面的宽带单站共圆极化同时收发天线。


背景技术：

2.在现实生活中，各种终端设备需要通过无线通讯技术接入互联网，而终端设备的用户对无线通讯质量提出了越来越高的要求，因此需要设计宽带无线通讯天线以满足高质量的通信需求。现有的带内全双工(in
‑
band full duplex，ibfd)、同频同时全双工及同时发射和接收的天线技术，虽能实现发射和接收端口之间的高隔离然而其存在工作带宽窄，发射和接收时的辐射方向图不一致的问题，从而影响了其全双工通信的性能，另外，现有的同时发射和接收天线还存在体积较大、生产成本高的问题。


技术实现要素：

3.本发明实施例提供了一种基于超表面的宽带单站共圆极化同时收发天线，旨在解决现有技术方法中无线通讯天线所存在的全双工通信性能不高的问题。
4.本发明实施例提供了基于超表面的宽带单站共圆极化同时收发天线，其中，包括双极化超表面天线阵列、发射馈电网络及接收馈电网络；
5.所述双极化超表面天线阵列由超表面层、地板、功分网络层、第一介质基板及第二介质基板组成，所述超表面层由四个贴片区域以阵列方式排布设置于所述第一介质基板的表面，所述地板夹设于所述第一介质基板与所述第二介质基板之间，所述功分网络层设置于所述第二介质基板的底面；
6.所述功分网络层包含四组功分网络电路，每一组所述功分网络电路均与一个所述贴片区域相对应，四组所述功分网络电路平均分布于所述第二介质基板的底面且呈旋转对称，每一所述贴片区域所包含的贴片面积均相等；每一所述功分网络电路的第一支路的末端作为天线信号发射端口连接所述发射馈电网络、另一支路的末端作为天线信号接收端口连接所述接收馈电网络；
7.所述发射馈电网络用于将发射信号等功率均分为四路信号并依次进行相位旋转后分别输入至四组所述功分网络电路的天线信号发射端口；
8.所述接收馈电网络用于将所接收到的四路天线信号以相同的幅度进行相位旋转后合并得到接收信号。
9.所述的基于超表面的宽带单站共圆极化同时收发天线，其中，每一所述贴片区域均为正方形，每一所述贴片区域均由多个正方形贴片以阵列方式排布，所述贴片区域之间的间隔距离略大于所述正方形贴片之间的间隔距离。
10.所述的基于超表面的宽带单站共圆极化同时收发天线，其中，所述第一介质基板及所述第二介质基板均为尺寸相等的正方形，且所述第一介质基板的厚度大于所述第二介质基板的厚度。
11.所述的基于超表面的宽带单站共圆极化同时收发天线，其中，每一所述贴片区域均由正方形贴片以4
×
4的阵列方式排布。
12.所述的基于超表面的宽带单站共圆极化同时收发天线，其中，所述地板中分别设有与每一所述贴片区域的中心位置相对应的交叉缝隙。
13.所述的基于超表面的宽带单站共圆极化同时收发天线，其中，每一所述功分网络电路的第一支路及第二支路均为y形功分网络支路，所述第一支路与所述第二支路相互正交且末端分别延伸至对应的一个所述交叉缝隙的缝隙一侧。
14.所述的基于超表面的宽带单站共圆极化同时收发天线，其中，每一所述功分网络电路的第一支路的微带线与第二支路的微带线的交叉处设有交叉结，所述交叉结用于使所述第一支路的微带线跨越所述第二支路的微带线；每一所述交叉结均设置于所述地板中对应的一个所述交叉缝隙的一侧。
15.所述的基于超表面的宽带单站共圆极化同时收发天线，其中，所述发射馈电网络包括一个反向功分移相器、第一90
°
功分移相器及第二90
°
功分移相器；
16.所述反向功分移相器的输入端作为发射端口、其第一输出端与所述第一90
°
功分移相器的输入端相连接、其第二输出端与所述第二90
°
功分移相器的输入端相连接；
17.所述第一90
°
功分移相器的第一输出端、第二输出端以及所述第二90
°
功分移相器的第一输出端、第二输出端分别连接每一组所述功分网络电路的天线信号发射端口；
18.所述接收馈电网络与所述发射馈电网络呈轴对称分布且信号传输方向相反。
19.所述的基于超表面的宽带单站共圆极化同时收发天线，其中，所述发射馈电网络及所述接收馈电网络均以微带线形式设置与电路介质基板的一同面。
20.所述的基于超表面的宽带单站共圆极化同时收发天线，其中，所述发射馈电网络的四个输出端均通过同轴电缆与对应的一组所述功分网络电路的天线信号发射端口相连接，所述接收馈电网络的四个输入端均通过同轴电缆与对应的一组所述功分网络电路的天线信号接收端口。
21.本发明实施例提供了一种基于超表面的宽带单站共圆极化同时收发天线，包括双极化超表面天线阵列、发射馈电网络及接收馈电网络；双极化超表面天线阵列由超表面层、地板、功分网络层、第一介质基板及第二介质基板组成，超表面层由四个贴片区域以阵列方式排布设置于第一介质基板的表面，功分网络层包含四组功分网络电路且每一功分网络电路均与一个贴片区域相对应，发射馈电网络用于将发射信号等功率均分为四路信号并依次进行相位旋转后分别输入至四组功分网络电路的天线信号发射端口，接收馈电网络用于将所接收到的四路天线信号以相同的幅度进行相位旋转后合并得到接收信号。上述天线的双极化超表面天线阵列可同时进行信号收发，不仅具有较宽的工作带宽，且发射和接收的辐射方向图相一致，大幅提高了无线通信的稳定性。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为本发明实施例提供的基于超表面的宽带单站共圆极化同时收发天线的整体
电路结构图；
24.图2为本发明实施例提供的基于超表面的宽带单站共圆极化同时收发天线的局部示意结构图；
25.图3为本发明实施例提供的基于超表面的宽带单站共圆极化同时收发天线的局部示意结构图；
26.图4为本发明实施例提供的基于超表面的宽带单站共圆极化同时收发天线的局部立体结构图；
27.图5为本发明实施例提供的基于超表面的宽带单站共圆极化同时收发天线的局部立体结构图；
28.图6为本发明实施例提供的基于超表面的宽带单站共圆极化同时收发天线的局部示意结构图；
29.图7为本发明实施例提供的基于超表面的宽带单站共圆极化同时收发天线的局部示意结构图；
30.图8为本发明实施例提供的基于超表面的宽带单站共圆极化同时收发天线的局部示意结构图；
31.图9为本发明实施例提供的基于超表面的宽带单站共圆极化同时收发天线的局部示意结构图；
32.图10为本发明实施例提供的基于超表面的宽带单站共圆极化同时收发天线的局部立体结构图；
33.图11为本发明实施例提供的基于超表面的宽带单站共圆极化同时收发天线的局部立体结构图；
34.图12为本发明实施例提供的基于超表面的宽带单站共圆极化同时收发天线的局部示意结构图；
35.图13为本发明实施例提供的基于超表面的宽带单站共圆极化同时收发天线的效果示意图；
36.图14为本发明实施例提供的基于超表面的宽带单站共圆极化同时收发天线的效果示意图；
37.图15为本发明实施例提供的基于超表面的宽带单站共圆极化同时收发天线的效果示意图；
38.图16为本发明实施例提供的基于超表面的宽带单站共圆极化同时收发天线的效果示意图；
39.图17为本发明实施例提供的基于超表面的宽带单站共圆极化同时收发天线的效果示意图；
40.图18为本发明实施例提供的基于超表面的宽带单站共圆极化同时收发天线的效果示意图；
41.图19为本发明实施例提供的基于超表面的宽带单站共圆极化同时收发天线的效果示意图。
具体实施方式
42.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
43.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
44.还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
45.还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
46.请参阅图1至图12，如图所示，一种基于超表面的宽带单站共圆极化同时收发天线，包括双极化超表面天线阵列10、发射馈电网络20及接收馈电网络30；所述双极化超表面天线阵列10由超表面层11、地板12、功分网络层13、第一介质基板14及第二介质基板15组成，所述超表面层11由四个贴片区域以阵列方式排布设置于所述第一介质基板14的表面，所述地板12夹设于所述第一介质基板14与所述第二介质基板15之间，所述功分网络层13设置于所述第二介质基板15的底面；所述功分网络层13包含四组功分网络电路，每一组所述功分网络电路均与一个所述贴片区域相对应，四组所述功分网络电路平均分布于所述第二介质基板14的底面且呈旋转对称，每一所述贴片区域所包含的贴片面积均相等；每一所述功分网络电路的第一支路131的末端作为天线信号发射端口连接所述发射馈电网络20、另一支路132的末端作为天线信号接收端口连接所述接收馈电网络30。其中，所述发射馈电网络20用于将发射信号等功率均分为四路信号并依次进行相位旋转后分别输入至四组所述功分网络电路的天线信号发射端口；所述接收馈电网络30用于将所接收到的四路天线信号以相同的幅度进行相位旋转后合并得到接收信号。
47.在更具体的实施例中，每一所述贴片区域均为正方形，每一所述贴片区域均由多个正方形贴片111以阵列方式排布，所述贴片区域之间的间隔距离g
m
大于所述正方形贴片111之间的间隔距离g
p
。具体的，所述第一介质基板14及所述第二介质基板15均为尺寸相等的正方形，且所述第一介质基板14的厚度h1大于所述第二介质基板15的厚度h2。其中，每一所述贴片区域均由正方形贴片111以4
×
4的阵列方式排布。
48.本实施提供的基于超表面的宽带单站共圆极化同时收发天线由一个2
×
2顺序旋转的双极化超表面天线阵列10、发射馈电网络20及接收馈电网络30组成，也可称为一种同时收发(simultaneous transmit and receive，star)天线。双极化超表面天线阵列10也即可称为双极化超表面天线。上述双极化超表面天线具有较宽的工作带宽(4.5
‑
6ghz,28.6％)、高收发隔离度(高于36db)，发射与接收的辐射方向图相似等优势，同时它还易于加工制作，而且成本低。
49.在本实施例中，超表面层11包括四个贴片区域，四个贴片区域以2
×
2的阵列方式排布设置，正方形贴片111之间的间隔距离为g
p
，第一介质基板14及第二介质基板15均采用
rogers 4350b衬底(相对介电常数ε
r
为3.66，损耗正切δ为0.0037)。图2、图3及图6至图9中相应尺寸参数如表1所示，单位为mm。
50.标记w
p
w
s
w
c
w0w1w
g
l
c
l
s
d尺寸值70.40.21.680.4282.81.55140.2标记l1l2l3g
p
g
c
g
m
g1h1h2尺寸值1.958.982.50.60.81.60.373.450.76
51.表1
52.其中，d为交叉结122上所设置的接线点的直径。
53.基于上述尺寸制作得到的双极化超表面天线的s参数测试结果如图13所示，从图中可以看出，s11和s22的曲线吻合较好，在4.7ghz和5.6ghz左右都有两个明显的谐振。其中,第一个谐振是由地板12上蚀刻的交叉缝隙121贡献的(缝隙模)，第二个谐振是由超表面层11贡献的(超表面模)。因此，对于该双极化超表面天线的每个端口，这两个谐振合并起来形成一个宽度为10
‑
db阻抗带宽(imbw)，约为4.5
‑
5.9ghz。在10
‑
db阻抗带宽(imbw)范围内，两个端口之间的互耦(s21)在
‑
32.2～
‑
22.6db之间。该双极化天线低的互耦将确保后续制作的star天线具有足够高的辐射效率和收发隔离度。
54.功分网络层13所包含的四组功分网络电路平均分布于所述第二介质基板15的底面且呈旋转对称，也即是将一组功分网络电路绕功分网络层13的中心点依次旋转90
°
、180
°
、270
°
，即可构成功分网络层13。为了实现单站共圆极化同时发射和接收，输出端t1、t2、t3及t4所输出至双极化超表面天线阵列10的信号相位角度分别为0
°
、
‑
90
°
、
‑
180
°
和
‑
270
°
，也即是在发射模式下，上述双极化超表面天线阵列10的天线信号发射端口p2、p4、p6及p8以相等的振幅和90
°
相位旋转的方式激励(即0
°
、
‑
90
°
、
‑
180
°
和
‑
270
°
)；输入端r1、r2、r3及r4所接收的来自双极化超表面天线阵列10的信号相位分别为0
°
、
‑
90
°
、
‑
180
°
和
‑
270
°
，也即是在接收模式下，上述双极化超表面天线阵列10的天线信号接收端口p1、p3、p5及p7也以相等的振幅和90
°
相位旋转的方式激励(即0
°
、
‑
90
°
、
‑
180
°
和
‑
270
°
)。由于发射模式(tx模式)和接收模式(rx模式)共享相同的天线辐射元件和物理口径，因此本实施例中的star天线是一种单站同时收发系统。由于其馈电相位依次相差90
°
和辐射元件的结构对称性，因此上述star天线可以使天线在发射和接收时，在法向方向产生一致的右旋圆极化，并且理论上具有无限高的收发隔离度。
55.在更具体的实施例中，所述地板12中分别设有与每一所述贴片区域的中心位置相对应的交叉缝隙121。具体的，每一所述功分网络电路的第一支路131及第二支路132均为y形功分网络支路，所述第一支路131与所述第二支路132相互正交且末端分别延伸至对应的一个所述交叉缝隙121的缝隙一侧。其中，
56.所述每一所述功分网络电路的第一支路131的微带线与第二支路132的微带线的交叉处设有交叉结122，所述交叉结22用于使所述第一支路131的微带线跨越所述第二支路132的微带线；每一所述交叉结122均设置于所述地板12中对应的一个所述交叉缝隙121的一侧。
57.在更具体的实施例中，所述发射馈电网络20包括一个反向功分移相器21、第一90
°
功分移相器22及第二90
°
功分移相器23；所述反向功分移相器21的输入端作为发射端口tx、其第一输出端与所述第一90
°
功分移相器22的输入端相连接、其第二输出端与所述第二90
°
功分移相器23的输入端相连接；所述第一90
°
功分移相器22的第一输出端t1、第二输出端t2以及所述第二90
°
功分移相器23的第一输出端t3、第二输出端t4分别连接每一组所述功分网络电路的天线信号发射端口，天线信号发射端口分别为p2、p4、p6及p8；其中，所述接收馈电网络30与所述发射馈电网络20呈轴对称分布且信号传输方向相反，具体的，接收馈电网络30包括另一个反向功分功分移相器31、第三90
°
功分移相器32及第四90
°
功分移相器33，反向功分移相器31的输出端作为接收端口rx、其第一输入端与第三90
°
功分移相器32的输出端相连接、其第二输入端与所述第四90
°
功分移相器33的输出端相连接；第三90
°
功分移相器32的第一输入端r1、第二输入端r2以及第四90
°
功分移相器33的第一输入端r3、第二输入端r4分别连接每一组所述功分网络电路的天线信号接收端口，天线信号接收端口分别为p1、p3、p5及p7。具体的，所述发射馈电网络20及所述接收馈电网络30均以微带线形式设置与电路介质基板40的一同面。其中，所述发射馈电网络20的四个输出端(t1、t2、t3及t4)均通过同轴电缆与对应的一组所述功分网络电路的天线信号发射端口(p2、p4、p6及p8)相连接，所述接收馈电网络30的四个输入端(r1、r2、r3及r4)均通过同轴电缆与对应的一组所述功分网络电路的天线信号接收端口(p1、p3、p5及p7)。
58.为了实现高的收发隔离度,和收发状态下具有一致的右旋圆极化辐射，设置发射馈电网络20及接收馈电网络30呈轴对称分布，由于这两个馈电网络是完全相同的(一个用于接收，一个用于发射)，因此图12只展示了用于接收的接收馈电网络30的具体结构。该馈电网络由一个反向功分移相器31、第一90
°
功分移相器32及第二90
°
功分移相器33组成，其中，反向功分移相器31即为宽带180
°
功分移相器。反向功分移相器31、第一90
°
功分移相器32或第二90
°
功分移相器33均由一个威尔金森功分器和一个180
°
或90
°
的宽带移相器级联组合。第一90
°
功分移相器32及第二90
°
功分移相器33中的r1、r2、r3、r4端口将四路信号以相同的幅度、相位依次为0
°
、90
°
、180
°
、270
°
的方式进行合并，然后由接收端口rx进行接收。电路介质基板40厚度为0.76mm的rogers 4350b基板(相对介电常数ε
r
为3.66，损耗正切δ为0.0037)。
59.在实际应用过程中，可采用多层线路板工艺制作得到双极化超表面天线阵列10、发射馈电网络20及接收馈电网络30，并对其进行组装，具体的，可采用8根长度为250毫米的同轴电缆对双极化超表面天线阵列10与发射馈电网络20及接收馈电网络30进行连接，双极化超表面天线阵列10设置于发射馈电网络20及接收馈电网络30的上侧并采用4根长度为50mm的尼龙柱进行固定。如图14所示，仿真和实测的反射系数在4～7ghz范围内都产生了两个小于
‑
10db的谐振。如图15所示，在目标频段4.5～6ghz范围内，仿真的收发隔离度高于45db，实测收发隔离度也超过了36db，实测隔离度比仿真略差的原因主要是由于8根同轴电缆并不完全一样，其引入了不可避免的相位不平衡造成的。
60.采用球面近场系统(satimo sg24)对天线的辐射性能进行了测量，由于90
°
旋转对称，x
‑
z和y
‑
z平面的辐射方向图是相似的，为了简单起见，我们就只展示x
‑
z平面上的辐射方向图，star天线接收模式(rx模式)时在中心频率5.3ghz时仿真和测试的x
‑
z平面上的辐射方向图如图16所示，发射模式(tx模式)时x
‑
z平面上的辐射方向图如图17所示。可以看出，该star天线的tx模式和rx模式在法向方向具有相同的右旋圆极化辐射特性，其辐射方向图也很相似。
61.该star天线系统的仿真和实测的法向增益如图18所示，该star天线系统的仿真和
实测的轴比如图19所示。图18中上述star天线在4.5
‑
6ghz的工作频段内，tx模式测得的法向增益约为5.7
‑
9.8dbi，rx模式测得的法向增益约为6.4
‑
8dbi。图18中上述star天线在tx模式和rx模式测得的法向轴比均小于3db。其中，star天线系统的实测增益已包括由两个馈电网络和连接电缆引入的插入损耗，具体来说，两个馈电网络的插入损耗约为1.43db，连接电缆的插入损耗约为0.65db，sma连接器的插入损耗约为0.1db。
62.此外，本技术中的star天线系统还具有更简单的平面天线结构和集成馈电网络，因此具有制造简单的特点，从而大大降低了制造成本。
63.在本发明实施例所提供的基于超表面的宽带单站共圆极化同时收发天线，包括双极化超表面天线阵列、发射馈电网络及接收馈电网络；双极化超表面天线阵列由超表面层、地板、功分网络层、第一介质基板及第二介质基板组成，超表面层由四个贴片区域以阵列方式排布设置于第一介质基板的表面，功分网络层包含四组功分网络电路且每一功分网络电路均与一个贴片区域相对应，发射馈电网络用于将发射信号等功率均分为四路信号并依次进行相位旋转后分别输入至四组功分网络电路的天线信号发射端口，接收馈电网络用于将所接收到的四路天线信号以相同的幅度进行相位旋转后合并得到接收信号。上述天线的双极化超表面天线阵列可同时进行信号收发，不仅具有较宽的工作带宽，且发射和接收的辐射方向图相一致，大幅提高了无线通信的稳定性。
64.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。