一种用于时间反演通信的缺陷地结构亚波长天线阵列

摘要

一种用于时间反演通信的缺陷地结构亚波长天线阵列，属于无线通信技术领域。由多个相同的天线单元层叠而成，相邻两个单元天线之间的间距小于1/2工作波长λ。介质基板正面的金属贴片包括形状为同心矩形环簇的辐射单元，同心矩形环簇中，最大矩形环的周长为λ/10∶λ/5，其它矩形环的周长以25％的比例依次向内缩进，任意相邻两边的中心采用线宽为λ/100∶λ/50的微带线连接。辐射单元采用特性阻抗为50欧姆的微带线馈电。介质基板背面的金属贴片为金属地板，金属地板上均匀刻蚀得有35个月牙形小孔。本发明应用于时间反演的时域通信移动终端，各天线单元信道相对独立、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。

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种天线单元间距工作于亚波长的天线阵列，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

提高移动通信系统的通信容量和通信速率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是未来移动通信提高移动终端通信性能的主要手段之

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。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。尽管人们对天线单元小型化进行了诸多研究，由于移动终端平台的尺寸有限，要将多个用于不同信道的天线集成在移动终端上，所占用的空间仍然较大。

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)需要在源的附近布上散射体以构成多径。发射信号经过散射体散射后由远场放置的时间反演镜(TRM)接收，接收到的信号经过时间反演后，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。1991年，D.R.Jackson与D.R.Dowling发表题为“Phase conjugation in underwateracoustics，”(J.Acoust.Soc.Amer.，vol.89，pp.171-181)，文中对对时间反演在“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 ofelectromagnetic 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 timereversal 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 beyond 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。

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

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。

本发明技术方案为：

一种用于时间反演通信的缺陷地结构亚波长天线阵列，如图1所示，由多个相同的天线单元层叠而成，相邻两个单元天线之间的间距小于1/2工作波长λ。每个天线单元如图2、3所示，包括矩形介质基板和矩形介质基板正反面的金属贴片。

矩形介质基板正面的金属贴片如图2所示，包括形状为同心矩形环簇的辐射单元和特性阻抗为50欧姆的微带馈线。同心矩形环簇中，最大矩形环的周长为λ/10∶λ/5，其它矩形环的周长以25％的比例依次向内缩进，任意相邻两边的中心采用线宽为λ/100∶λ/50的微带线连接。特性阻抗为50欧姆的微带馈线平行于矩形介质基片的长边，与辐射单元中最大的矩形环相连。

矩形介质基板背面的金属贴片为金属地板(如图3所示)，金属地板在矩形介质基板背面的位置与特性阻抗为50欧姆的微带馈线在矩形介质基板正面的位置相对应。金属地板的宽度小于特性阻抗为50欧姆的微带馈线的长度，金属地板的长度等于矩形介质基片的宽度。金属地板上均匀刻蚀得有35个月牙形小孔。

介质基片的厚度为λ/20∶λ/10，相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.001。

所述月牙形小孔的边界由两段半径为1mm、圆心角分别为2π/3和4π/3的弧线所拼接而成。

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。

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。

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。

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

图1是本发明提供的阵列天线结构示意图。

图2是本发明提供的阵列天线的天线单元结构正面示意图和尺寸标注。

图3是本发明提供的阵列天线的天线单元结构背面示意图和尺寸标注。

图4是本发明提供的阵列天线单元结构输入端口电压反射系数的仿真结果和测试结果。

图5是本发明提供的阵列天线的天线单元在3GHz频率下的远场辐射方向图仿真结果。

图6是本发明提供的阵列天线的天线单元在4GHz频率下的远场辐射方向图仿真结果。

图7是本发明提供的阵列天线的天线单元在5GHz频率下的远场辐射方向图仿真结果。

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

一种用于时间反演通信的缺陷地结构亚波长天线阵列，如图1所示，由多个相同的天线单元层叠而成，相邻两个单元天线之间的间距小于1/2工作波长λ。每个天线单元如图2、3所示，包括矩形介质基板和矩形介质基板正反面的金属贴片。

矩形介质基板正面的金属贴片如图2所示，包括形状为同心矩形环簇的辐射单元和特性阻抗为50欧姆的微带馈线。同心矩形环簇中，最大矩形环的周长为λ/10∶λ/5，其它矩形环的周长以25％的比例依次向内缩进，任意相邻两边的中心采用线宽为λ/100∶λ/50的微带线连接。特性阻抗为50欧姆的微带馈线平行于矩形介质基片的长边，与辐射单元中最大的矩形环相连。

矩形介质基板背面的金属贴片为金属地板(如图3所示)，金属地板在矩形介质基板背面的位置与特性阻抗为50欧姆的微带馈线在矩形介质基板正面的位置相对应。金属地板的宽度小于特性阻抗为50欧姆的微带馈线的长度，金属地板的长度等于矩形介质基片的宽度。金属地板上均匀刻蚀得有35个月牙形小孔。

介质基片的厚度为λ/20∶λ/10，相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.001。

所述月牙形小孔的边界由两段半径为1mm、圆心角分别为2π/3和4π/3的弧线所拼接而成。

需要说明的是，图2和图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。

如图2所示：矩形介质基片长35mm、宽22mm、厚0.8mm；微带馈线长15mm、宽2.5mm；最大的矩形环窄边长16mm、宽1.25mm，长边长20mm、宽1.0mm，其它矩形环尺寸以周长为25％的比例缩进，中心孔洞长2.5mm、宽2mm，连接各个矩形金属环的4根金属微带宽1mm。如图3所示：金属地板宽14mm、长22mm；地板上刻蚀的35个月牙形小孔，小孔的弧长分别为2π/3mm和4π/3mm，相邻小孔以3mm和2mm为二维周期排列；介质基片相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.001。

上述天线阵列单元在1GHz-11GHz频段内的电压反射系数与远场辐射方向特性见图4、图5、图6和图7。

图4给出了馈电端口电压反射系数增益，在2-6GHz的带宽内满足增益在-10dB以下。

图5给出了天线单元在3GHz频率下，E面的电场方向图。

图6给出了天线单元在4GHz频率下，E面的电场方向图。

图7给出了天线单元在5GHz频率下，E面的电场方向图。

如图1所示，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8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。