阵列天线和通信设备的制作方法

1.本技术涉及天线技术领域，特别是涉及一种阵列天线和通信设备。


背景技术：

2.随移动通信技术的快速发展，开发人员致力于提供高品质和高速率的通信服务并缓解射频频谱资源短缺问题，多输入多输出(mimo)技术成为了解决该问题的关键技术。
3.多输入多输出(mimo)技术是指在发射端和接收端同时使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端和接收端的多个天线发射和接收，实现高速数据传输并显著提升信道容量。
4.然而，天线数量的急剧增加，加剧了天线间的互耦问题，导致天线隔离度变差，方向图畸变，从而导致天线指标恶化，影响通信效率。


技术实现要素：

5.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种阵列天线和通信设备。
6.第一方面，本技术提供了一种阵列天线，包括：
7.反射板；
8.辐射单元，辐射单元设置于反射板上；
9.去耦合部件，去耦合部件设置于反射板上，并位于辐射单元的侧位；其中，去耦合部件包括具有带通特性和相位不连续性的超表面。
10.在其中一个实施例中，超表面包括介质基板和设于介质基板上并呈周期排布的多个超表面单元。
11.在其中一个实施例中，超表面单元的尺寸与所影响的电磁波的目标频段相关。
12.在其中一个实施例中，超表面单元的尺寸大小与目标频段的高低负相关。
13.在其中一个实施例中，相邻两个超表面单元之间的距离与超表面所影响的电磁波的相位改变量相关。
14.在其中一个实施例中，相邻两个超表面单元之间的距离与超表面所影响的电磁波的相位改变量负相关。
15.在其中一个实施例中，超表面单元包括第一金属层和第二金属层，第一金属层围设于第二金属层的外围。
16.在其中一个实施例中，第一金属层与第二金属层之间的距离与所影响的电磁波的相位改变量相关。
17.在其中一个实施例中，第一金属层与第二金属层之间的距离与所影响的电磁波的相位改变量负相关。
18.在其中一个实施例中，阵列天线包括多个辐射单元，各辐射单元均设置有去耦合部件。
19.在其中一个实施例中，去耦合部件还包括金属挡板，金属挡板与超表面连接。
20.在其中一个实施例中，金属挡板和超表面在竖直方向上拼接设置，金属挡板位于超表面之下。
21.在其中一个实施例中，辐射单元为双极化天线振子，双极化天线振子包括弯折辐射臂和馈电结构；弯折辐射臂与馈电结构连接。
22.第二方面，本技术还提供了一种通信设备，包括上述任一项的阵列天线。
23.上述阵列天线和通信设备中，所提供的阵列天线包括反射板、辐射单元以及去耦合单元，辐射单元设置于反射板上，去耦合部件也设置于反射板上，并且去耦合部件位于辐射单元的侧位；其中，去耦合部件包括具有带通特征和相位不连续性的超表面。本技术所提供的阵列天线利用去耦合部件中超表面的带通特性和相位不连续性改变辐射单元所产生的电磁波的相位，进而基于电磁波相位的改变来改变电磁波的传播方向，使得经由去耦合部件反射的电磁波不会传播至辐射单元本身，经由去耦合部件折射的电磁波不会传播至相邻的辐射单元，实现了天线阵列的去耦，降低了干扰，相应提高了隔离度，优化了阵列天线的天线指标以及方向图，提高了基于该阵列天线的通信效率。
附图说明
24.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，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，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，并不能理解为其对本技术的构成任何限制。对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他实施例以及其他实施例相对应的附图。
25.图1为一个实施例中阵列天线的结构示意图；
26.图2为一个实施例中超表面的结构示意图；
27.图3为一个实施例中超表面单元的结构示意图；
28.图4为一个实施例中不同结构的超表面单元的结构示意图；
29.图5为另一个实施例中超表面的结构示意图；
30.图6为另一个实施例中超表面的结构示意图；
31.图7为另一个实施例中阵列天线的结构示意图；
32.图8为一个实施例中阵列天线的俯视结构示意图
33.图9为一个实施例中阵列天线的s参数仿真图；
34.图10为图1中阵列天线加载金属挡板与超表面前后相邻单元隔离度对比示意图；
35.图11～12为图1中阵列天线加载金属挡板与超表面前后相邻单元方向图对比示意图；
36.图13为图1中天线加载金属挡板与超表面前后相邻单元电压驻波比对比示意图。
37.附图标记说明：
38.100——反射板
39.200——辐射单元210——弯折辐射臂220——馈电结构
40.221——馈电片222——绝缘固定件223——金属外壳
41.300——去耦合部件310——超表面320——金属挡板
42.311——介质基板312——超表面单元
43.3121——第一金属层3122——第二金属层
具体实施方式
44.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
45.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合或连通作用。
46.还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
…”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同或者等同要素。另外，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等并不构成绝对的空间关系限制，只是一种相对的概念。
47.随移动通信技术的快速发展，开发人员致力于提供高品质和高速率的通信服务并缓解射频频谱资源短缺问题，多输入多输出(mimo)技术成为了解决该问题的关键技术。
48.多输入多输出(mimo)技术是指在发射端和接收端同时使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端和接收端的多个天线发射和接收，实现高速数据传输并显著提升信道容量。
49.然而，天线数量的急剧增加，加剧了天线间的互耦问题，导致天线隔离度变差，方向图畸变，从而导致天线指标恶化，影响通信效率。
50.基于此，本技术提供一种阵列天线，如图1所示，阵列天线中包括反射板100、辐射单元200以及去耦合部件300。其中，辐射单元200设置于反射板100上，去耦合单元300也设置于反射板100上，并且，去耦合部件300位于辐射单元200的侧位。去耦合部件300可位于辐射单元200四周位置中的至少一侧。
51.去耦合部件300包括具有带通特征和相位不连续性的超表面310。其中，带通特性指可以使得电磁波穿过，即具备透射性；相位不连续性指的是所反射或透射的电磁波并未保持原有相位变化规律进行传播，而是发生了相位突变的特征。
52.反射板100即为金属反射板，与辐射单元200电连接并接地，用于将向内辐射的电磁波反射向外，以提高天线的定向辐射性，并为天线整体提供支撑作用。辐射单元200用于辐射电磁波，去耦合部件300中的超表面310具有带通特性和相位不连续性，利用该特性可改变目标频段的电磁波的相位以改变目标频段的电磁波的传播方向。
53.可选地，为了提高去耦效果，可将超表面310竖直设置在两个相邻设置的辐射单元200之间，实现辐射单元200之间的有效隔离。还可以将多个超表面310并列竖直设置于两个相邻设置的辐射单元200之间，以提高去耦效果。
54.可选地，阵列天线包括多个辐射单元200，该辐射单元200可以基站天线，可以是同频天线，相应形成同频阵列，也可以是异频天线，相应形成异频阵列；辐射单元200可以是平
行均匀式的阵列排布，可以是交错式栅格的阵列排布；相邻的辐射单元200之间垂直间距设置为中心频点的0.65个波长，也可以设置为中心频点的0.55个波长。辐射单元200还可以是pcb、钣金和贴片等多种形式的天线振子。本实施例中，对于辐射单元的设置参数不做具体限制，以满足设计需求即可。
55.需要说明的是，上述超表面310对于辐射单元200所产生的电磁波的相位均有一定影响，但针对于目标频段的电磁波的影响程度最大，目标频段由辐射单元200和超表面310的规格参数确定。
56.本技术所提供的天线阵列实现去耦的根本原因在于，去耦合部件300改变了辐射单元200所产生的电磁波的传播方向，使得反射的电磁波不会传播至辐射单元200本身，折射的电磁波不会传播至相邻的辐射单元200，以此实现天线阵列的去耦，降低了干扰，相应提高了隔离度。
57.去耦合部件300中的超表面310即为可以产生相位梯度的超表面结构，是一种厚度远小于波长的人工层状材料，具有带通特征和相位不连续性，能够使入射的电磁波透过，并发生相位突变，相位突变则会影响电磁波的传播方向。因此，经由超表面310反射或者透射的电磁波的传播方向发生改变。
58.超表面310基于广义的斯涅尔定律(snell’s law)，电磁波在其表面发生异常地反射和折射，使得电磁波的传播方向发生明显改变。并且，电磁波入射至超表面310所产生的反射角和入射角可以基于在超表面310产生的相位突变来随意调控。也就时说，当电磁波入射到超表面310后，电磁波会发生反射和折射，改变超表面310的结构参数可改变电磁波在超表面310上所发生的相位突变的程度，进而对反射角和折射角进行调控，以实现不同的去耦效果，使得反射的电磁波不会传播至辐射单元200本身，折射的电磁波不会传播至相邻的辐射单元200。
59.本实施例中，所提供的阵列天线包括反射板、辐射单元以及去耦合部件，辐射单元和去耦合部件均设置于反射板上，并且反射板位于辐射单元的侧位；其中，去耦合部件中包括具有带通特征和相位不连续性的超表面。本技术所提供的阵列天线利用超表面的带通特性和相位不连续性以改变辐射单元所产生的目标频段的电磁波的相位，进而基于电磁波相位的改变来改变电磁波的传播方向，使得经由去耦合部件反射的电磁波不会传播至辐射单元本身，经由去耦合部件折射的电磁波不会传播至相邻的辐射单元，实现了天线阵列的去耦，降低了干扰，相应提高了隔离度，优化了阵列天线的天线指标以及方向图，提高了基于该阵列天线的通信效率。
60.在其中一个实施例中，如图2所示的超表面结构示意图，该超表面310包括介质基板311和设于介质基板311上并呈周期排布的多个超表面单元312。
61.可选地，超表面单元312布设在介质基板311的任意一侧，也可以布设在介质基板311的两侧。超表面单元312包括金属层，该金属层可以是带状的，片状的，环状的，还可以是圆形、矩形、菱形、三角形、十字型等等规则形状，也可以是不规则形状。多个超表面单元312可以是多行多列的阵列排布，也可以是单行/单列的阵列排布。本实施例中，对于超表面310的结构、材质，单个超表面单元312的形状、阵列排布样式并不做具体限定，以满足设计需求即可。
62.可选地，介质基板311为pcb(printed circuit board，印制电路板)，超表面单元
312中的金属层为铜箔。其中，超表面310的具体成型成工艺可以是在一整块pcb上覆铜，再蚀刻铜层形成金属层，得到包括多个超表面单元312的超表面310。
63.可选地，超表面单元312的尺寸与所影响的电磁波的目标频段相关，即超表面单元312的尺寸与主要影响的电磁波的目标频段相关。设计阵列天线时，可调节超表面单元312的尺寸，以改变影响的电磁波的目标频段。
64.其中，超表面单元312的尺寸即用于表征超表面单元312整体的大小，可以是超表面单元312的厚度、长度、宽度或者体积。
65.具体地，在一定变化范围内，超表面单元312的尺寸大小与目标频段的高低负相关。即在一定变化范围内，超表面单元312的尺寸越大，整个超表面310主要影响的目标频段趋于低频；反之，超表面单元312的尺寸越小，整个超表面310主要影响的目标频段趋于高频。
66.本实施例中，基于上述超表面所实现的去耦对天线阻抗的影响小，避免了后续对天线阻抗的调试，降低了使用复杂度，同时超表面结构简单，加工工艺成熟，生产成本低，易于实现大规模生产。
67.除了可以调整超表面单元312的尺寸改变所影响的目标频段，还可以调整相邻两个超表面单元312之间的距离改变对目标频段的电磁波的影响程度。相邻两个超表面单元312之间的距离与超表面310所影响的电磁波的相位改变量相关。
68.其中，相邻两个超表面单元312之间的距离实质为相邻两个超表面单元312中金属层之间的距离。
69.具体地，在一定变化范围内，相邻两个超表面单元312之间的距离与超表面310所影响的电磁波的相位改变量负相关。即在一定变化范围内，相邻两个超表面单元312之间的距离越大，整个超表面310所影响的电磁波的相位改变量越小；反之，相邻两个超表面单元312之间的距离越小，整个超表面310所影响的电磁波的相位改变量越大。
70.在其中一个实施例中，可对超表面单元312中的金属层做一定设计，以进一步提高阵列天线的去耦效果。如图3所示，超表面单元312中的金属层包括第一金属层3121和第二金属层3122，并且，第一金属层3121围设于第二金属层3122的外围。
71.可选地，上述第一金属层3121和第二金属层3122设置于介质基板311的同一侧。
72.示例性的，在如图3所示的超表面单元中，第一金属层3121即为矩形金属框，第二金属层3122为菱形金属片，菱形金属片位于矩形金属框内。
73.可选地，超表面单元312可以是如图4所示的超表面单元a，第一金属层3121为矩形金属框，第二金属层3122为圆形金属片；可以是如图4所示的超表面单元b，第一金属层3121为矩形金属框，第二金属层3122也为矩形金属框；可以是如图4所示的超表面单元c，第一金属层3121为十字金属框，第二金属层3122为十字金属片；还可以是如图4所示的超表面单元d，第一金属层3121为矩形金属框，第二金属层3122为矩形金属片；也可以是如图4所示的超表面单元e，第一金属层3121为矩形金属框，第二金属层3122为菱形金属框。本实施例中，对于超表面单元中的第一金属层3121和第二金属层3122的形状、形式并不做具体限制，满足设计需求即可。
74.可选地，超表面310可以是如图5所示的由多种不同结构的超表面单元312混合排布形成的超表面，也可以是如图6所示的由同种结构，但尺寸不同的超表面单元312所形成
的超表面310，还可以是如图2所示的由相同结构和尺寸的超表面单元312所形成的超表面310。本实施例中，对于形成超表面310的超表面单元312的结构、尺寸并不做具体限制，满足设计需求即可。
75.针对于上述包括第一金属层3121和第二金属层3122的超表面单元312，还可以调整第一属层3121和第二金属层3122距离改变对目标频段的电磁波的影响程度。其中，第一金属层3121与第二金属层3122间的距离与所影响的电磁波的相位改变量相关。
76.具体地，第一金属层3121与第二金属层3122之间的距离与所影响的电磁波的相位改变量负相关。即在一定变化范围内，第一金属层3121与第二金属层3122之间的距离越大，整个超表面310所影响的电磁波的相位改变量越小；反之，第一金属层3121与第二金属层3122间之的距离越小，整个超表面310所影响的电磁波的相位改变量越大。
77.为实现对于辐射单元200所产生的电磁波的多方位影响，在其中一个实施例中，如图7所示，阵列天线包括多个辐射单元200，每一个辐射单元200均设置有去耦合部件300，部分辐射单元200的四周均设置有去耦合部件300，以将辐射单元200前后左右四个方位包围，使得辐射单元200所产生的电磁波在这四个方位上的传播均发生变化，部分辐射单元200可在一侧设置有去耦合部件300，具体可根据需要进行选择。如此，可以获得所需的电磁边界，并降低对自身辐射单元200以及相邻辐射单元200干扰。
78.为进一步提高阵列天线的去耦效果，在一可选地实施例中，如图7所示，去耦合部件300还包括金属挡板320。其中，金属挡板320与超表面310连接。
79.可选地，去耦合部件300位于两个相邻辐射单元200之间的中线位置。
80.其中，金属挡板320可以阻挡辐射单元200所辐射的部分电磁波耦合到相邻辐射单元200上，进而降低了耦合度，改善了天线方向图，提高了整个阵列天线的去耦效果。
81.可选地，金属挡板320可与超表面310拼接连接，还可以与超表面310悬空连接；金属挡板320可与超表面310在竖直方向上上下设置，金属挡板320可在超表面310之上，或者超表面310位于金属挡板320之上。如图7所示，金属挡板320和超表面310在竖直方向上拼接设置，金属挡板320位于超表面310之下。本实施例中，对于金属挡板320与超表面310的组合放置方式不做具体限制，金属挡板320与超表面310总高度也可根据设计需求而定。
82.在其中一个实施例中，阵列天线中的辐射单元200为双极化天线振子，包括相互连接的弯折辐射臂和馈电结构。
83.可选地，上述双极化天线振子可以是一种巴伦馈电的双极化天线振子，其具有宽带、口径小等特点，可工作于1.7-2.2ghz。如图8所示，巴伦馈电的双极化天线振子包括弯折辐射臂210和电结构220。其中，弯折辐射臂210与馈电结构220连接。
84.请继续参阅图8，上述馈电结构220为巴伦馈电结构，包括馈电片221、绝缘固定件222以及金属外壳223(图7中所示)。其中，馈电片221固定于绝缘固定件222，并与电源馈线电连接，弯折辐射臂210与金属外壳223电连接并接地。
85.可选地，如图1所示，反射板100用于承载巴伦馈电的双极化天线振子(即辐射单元200)以及去耦合部件300，为整个阵列天线提供支撑并充当公共地。双极化天线振子的金属外壳223与反射板100焊接或用螺钉锁紧以此实现馈电及固定，金属挡板320与通过焊接或螺钉锁紧与反射板100实现电连接。
86.其中，弯折辐射臂210和金属外壳223可一体成型，馈电片221与金属外壳223组成
巴伦结构对振子进行耦合馈电拓宽了天线带宽。弯折辐射臂210实现了天线横向小型化设计需求。形成的整个阵列天线具有宽带去耦特性。
87.综上所述，本技术基于广义snell定理，运用电磁波的折射和反射原理，通过加载超表面来产生相位突变，以此可以调控电磁波的反射角和折射角以改变电磁波的传播方向，最终降低了阵列天线的互耦，提高了天线隔离度，优化了天线指标和方向图，提高了基于该阵列天线的通信设备的通信效率。特别适用于天线整机小型化需求较高的mimo阵列天线。
88.图7示例性的提供了一种4*4阵列天线，包括由多个图3所示的超表面单元形成的超表面200，该阵列天线的仿真结果如下：
89.图9示出了图3中超表面单元的s参数图，从图中可以看出，超表面单元的s(1,1)《-12db，s(2,1)》1db，从而得出提出的超表面为一种透射型超表面。
90.图10示出了图1中阵列天线是否加载金属挡板和超表面中间单元端口同极化隔离度对比图，未加载金属挡板和超表面时，即相邻辐射单元间无遮挡，端口port 3与端口port 5的隔离度为14.5db。加载金属挡板后1.9ghz-2.2ghz隔离度得到3-4db改善，但1.7ghz隔离度与加载前无改善，且1.6ghz更加恶化，这是由于随着频率降低，同一阵列间距所代表的电长度变小，所以发生了恶化。加载金属挡板和超表面后频段内隔离度与无遮挡情况下频带内整体下降，5-7db。
91.图11和图12示出了图1中阵列天线是否加载金属挡板和超表面port 4端口主极化和交叉极化对比图，未加载金属挡板和超表面时，即相邻辐射单元间无遮挡，port 4端口主极化波束由于强互耦存在畸形，最大辐射方向偏离0
°
且波束宽度较窄；port 4端口交叉极化过大。加载金属挡板后，主极化波束宽度和增益得到改善，但后瓣有些过大；port 4端口交叉极化稍有改善，但不明显。加载金属挡板和超表面后，port 4端口主极化波束宽度得到进一步改善，后瓣减小且交叉极化明显减小。
92.图13示出了图1中阵列天线是否加载金属挡板和超表面port 4端口的电压驻波比变化，加载金属挡板和超表面后，由于互耦问题的改善，其电压驻波比也有一定的减小，可以得出超表面的加载不会影响阵列的驻波并且可能会得到改善。
93.在其中一个实施例中，本技术还提供了一种包括阵列天线的通信设备。
94.其中，可参见图1～图8，阵列天线包括：
95.反射板100；
96.辐射单元200，辐射单元200设置于反射板100上；
97.去耦合部件300，去耦合部件300设置于反射板100上，并位于辐射单元200的侧位；其中，去耦合部件300包括具有带通特征和相位不连续性的超表面310。
98.在其中一个实施例中，超表面310包括介质基板311和设于介质基板311上并呈周期排布的多个超表面单元312。
99.在其中一个实施例中，超表面单元312的尺寸与所影响的电磁波的目标频段相关。
100.在其中一个实施例中，超表面单元312的尺寸大小与目标频段的高低负相关。
101.在其中一个实施例中，相邻两个超表面单元312之间的距离与超表面310所影响的电磁波的相位改变量相关。
102.在其中一个实施例中，相邻两个超表面单元312之间的距离与超表面310所影响的
电磁波的相位改变量负相关。
103.在其中一个实施例中，超表面单元312包括第一金属层3121和第二金属层3122，第一金属层3121围设于第二金属层3122的外围。
104.在其中一个实施例中，第一金属层3121与第二金属层3122之间的距离与所影响的电磁波的相位改变量相关。
105.在其中一个实施例中，第一金属层3121与第二金属层3122之间的距离与所影响的电磁波的相位改变量负相关。
106.在其中一个实施例中，阵列天线包括多个辐射单元200，各辐射单元200均设置有去耦合部件300。
107.在其中一个实施例中，去耦合部件300还包括金属挡板320，金属挡板320与超表面310连接。
108.在其中一个实施例中，金属挡板320和超表面310在竖直方向上拼接设置，金属挡板320位于超表面310之下。
109.在其中一个实施例中，辐射单元200为双极化天线振子，双极化天线振子包括弯折辐射臂210和馈电结构220；弯折辐射臂210与馈电结构220连接。
110.在其中一个实施例中，阵列天线还包括反射板300，反射板300与辐射单元200电连接并接地。
111.本实施例中，对于阵列天线的结构，以及相应结构的设置参数和作用与前述阵列天线的实施例中相同，在此不再赘述。
112.以上内容是结合具体/优选的实施方式对本技术所作的进一步详细说明，不能认定本技术的具体实施只局限于这些说明。对于本技术所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本技术的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
113.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。