单负材料隔离板及宽频高隔离度单极子阵列天线的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于阵列天线技术领域，具体涉及一种单负材料隔离板及宽频高隔离度单极子阵列天线。
【背景技术】
[0002]天线是无线通信系统中不可或缺的重要部分。其中，相比于孤立天线的性能，天线组阵能够获得更加优越的天线性能指标，因而阵列天线在众多通信系统中应用广泛。但是在实际的阵列天线系统中，天线单元并不是孤立的，每一个天线单元工作时都与其它单元之间存在电磁耦合，我们把这种现象称为阵列天线的互耦效应。尤其在小间距阵列天线系统中，比如 MIMO(Multiple Input Multiple Output)系统、GPS (Global Posit1ningSystem)系统等，互耦效应将对阵列天线的性能造成不利影响，比如辐射方向图失真、输入阻抗变化等。在阵列天线小型化的发展趋势下，互耦问题成为制约阵列天线性能提高的关键问题。因此，互耦的研究以及互耦抑制的方法在天线阵列领域有着重要的意义。
[0003]目前，应用于减小阵列天线互耦效应的方法主要有两类，这些方法对提高阵列天线性能都有着重要的作用。第一类方法是采用算法和模型描述出天线阵列复杂的互耦特性从而利用优化算法进行互耦补偿。第二类方法是在阵列天线设计中引入某些特殊结构从而对互親进行抑制，比如缺陷地结构(DGS，defected ground structure)、电磁带隙结构(EBG, electromagnetic bandgap)等。其中，阵列天线加载DGS结构或EBG结构是目前在抑制天线互耦方面应用较多的方法。但是，DGS结构需要在天线地板上刻蚀槽缝，而蚀刻的缝隙将泄漏电磁能量，产生后向辐射。EBG结构需要多个周期，因而要占据较大的空间且制作工艺复杂，这样使得设计紧凑的阵列天线变得非常困难。同时，DGS结构和EBG结构在平面微带天线阵列互耦抑制中应用居多，不适合在高剖面线天线阵列中应用。
[0004]当介质的等效媒质参数(介电常数ε和磁导率μ)—个为负值且另一个为正值的时候，该类介质可称之为单负材料(SNG，single-negative metamaterial)。由于单负材料的介电常数ε和磁导率μ有且仅有一个为负值(ε μ〈0)，材料中电磁波的传播常数β为O且衰减常数α大于0，单负材料中电磁波的传播是迅速衰减的，因此单负材料具有带阻电磁传输特性。根据单负材料的特性，我们可将单负材料(如细金属线或SRR环)应用到阵列天线中来降低阵列天线单元间的互耦。这种方法可将单元间的耦合再降低20dB左右。然而，大多数单负材料都是强谐振结构，它们的频段宽度都很窄(如1%左右)。如此窄频段宽度的单负材料与现代系统宽带化的潮流不相匹配，因而其在天线系统上的应用很受限制。2010年，Mohammed Μ.Bait-Suwailam等在美国电子电气工程师协会主办的天线与传播学报发表了论文“磁单负材料在高剖面MMO单极子天线阵列互耦抑制中的应用，，(Electromagnetic Coupling Reduct1n in High-Profile Monopole Antennas UsingSingle-Negative Magnetic Metamaterials for MIMO Applicat1ns[J].1EEE Trans.Antennas Propag., 2007, 58(9): 2894-2910.)。文章中通过在MIMO单极子天线阵中加载单负SRR结构隔离器，在基本不影响阵列天线的性能和结构的情况下，天线单元间隔离度达到了 20dB以上。但是，文章中阵列天线的20dB隔离带宽仅为4%。同时，文章的SRR隔离器结构尺寸较大，明显地增大了天线阵的体积从而不利于天线的小型化。上述文献表明，通过加载单负材料隔离板可以降低阵列阵元间的耦合，从而取得高隔离度的阵列天线。目前，尚无基于结构简单且尺寸小的单负材料隔离板的宽频高隔离度单极子阵列天线的报道。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是提供一种单负材料隔离板及宽频高隔离度单极子阵列天线，其通过将尺寸小并且结构简单的单负材料隔离板加载于单极子阵列天线，以抑制阵列天线的互耦，最终获得宽频高隔离度的阵列天线。
[0006]为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的:
[0007]单负材料隔离板，由介质基板、覆在介质基板其中一侧表面的金属覆层、以及蚀刻在金属覆层的蚀刻图形构成；上述蚀刻图形包括4组槽缝，上述4组槽缝具有一个共同的图形中心，且这4组槽缝以图形中心为中心，并由内向外嵌设分布；其中位于最内层的一组槽缝即第一槽缝包括4个完全相同的直角扇形槽，且这4个直角扇形槽以图形中心为中心呈中心对称分布；位于次内层的一组槽缝即第二槽缝为工字圆形槽缝，该工字圆形槽缝由I个圆形槽和4个完全相同的T形槽构成，上述圆形槽以图形中心为圆心，4个T形槽的下端均与圆形槽相连，且4个T形槽以图形中心为中心呈中心对称分布；位于次外层的一组槽缝即第三槽缝为齿轮形槽缝，该齿轮形槽缝具有8个完全相同的矩形齿槽，且这8个矩形齿槽以图形中心为中心呈中心对称分布；位于最外层的一组槽缝即第四槽缝为正圆形槽缝，该正圆形槽缝以图形中心为圆心。
[0008]所述蚀刻图形在圆周方向上的对称中心线相互对应，即第一槽缝的4个直角扇形槽缝在圆周方向上的中心对称线分别朝向东南方向、西南方向、西北方向和东北方向；第二槽缝的4个T形槽在圆周方向上的中心对称线分别朝向正东方向、正南方向、正西方向和正北方向；第三槽缝的8个矩形齿槽在圆周方向上的中心对称线分别朝向正东方向、东南方向、正南方向、西南方向、正西方向、西北方向、正北方向和东北方向。
[0009]所述介质基板呈正方形。
[0010]宽频高隔离度单极子阵列天线，包括接地板和立设于接地板上的2个单极子阵元；上述2个单极子阵元之间设有单负材料隔离板；该由介质基板、覆在介质基板其中一侧表面并朝向其中一个单极子阵元的金属覆层、以及蚀刻在金属覆层的蚀刻图形构成；上述蚀刻图形包括4组槽缝，上述4组槽缝具有一个共同的图形中心，且这4组槽缝以图形中心为中心，并由内向外嵌设分布；其中位于最内层的一组槽缝即第一槽缝包括4个完全相同的直角扇形槽，且这4个直角扇形槽以图形中心为中心呈中心对称分布；位于次内层的一组槽缝即第二槽缝为工字圆形槽缝，该工字圆形槽缝由I个圆形槽和4个完全相同的T形槽构成，上述圆形槽以图形中心为圆心，4个T形槽的下端均与圆形槽相连，且4个T形槽以图形中心为中心呈中心对称分布；位于次外层的一组槽缝即第三槽缝为齿轮形槽缝，该齿轮形槽缝具有8个完全相同的矩形齿槽，且这8个矩形齿槽以图形中心为中心呈中心对称分布；位于最外层的一组槽缝即第四槽缝为正圆形槽缝，该正圆形槽缝以图形中心为圆心。
[0011]所述蚀刻图形在圆周方向上的对称中心线相互对应，即第一槽缝的4个直角扇形槽缝在圆周方向上的中心对称线分别朝向东南方向、西南方向、西北方向和东北方向；第二槽缝的4个T形槽在圆周方向上的中心对称线分别朝向正东方向、正南方向、正西方向和正北方向；第三槽缝的8个矩形齿槽在圆周方向上的中心对称线分别朝向正东方向、东南方向、正南方向、西南方向、正西方向、西北方向、正北方向和东北方向。
[0012]所述单负材料隔离板处于2个单极子阵元的中点处。
[0013]所述介质基板呈正方形。
[0014]与现有技术相比，本发明具体如下特点:
[0015]1.本发明中所述单负材料隔离板结构简单，制作成本低，适应于集成批量加工。由于单负材料隔离板尺寸较小，隔离板的引入对阵列天线体积的影响很小。
[0016]2.本发明的基于单负材料隔离板的宽频高隔离度单极子阵列天线，所述单极子阵列天线加载单负材料隔离板后互耦抑制性能能够达到20dB以上，并且20dB隔离带宽达到10%以上。在取得宽频高隔离度单极子阵列的情况下，加载单负材料隔离板后阵列的工作频率和带宽并未产生明显变化。
【附图说明】
[0017]图1为一种单负材料隔离板的结构示意图。
[0018]图2为一种宽频高隔离度单极子阵列天线的结构示意图。
[0019]图3为单负材料隔离板的TEM波导仿真模型图。
[0020]图4为单负材料隔离板的等效媒质参数。
[0021]图5为增设了单负材料隔离板的单极子阵列的S参数和无单负材料隔离板的单极子阵列的S参数对比图。
[0022]图中标号:1、单负材料隔离板；1_1、介质基板；1_2、金属覆层；1_3、蚀刻图形；1-3-1、第一槽缝；1-3-2、第二槽缝；1-3-3、第三槽缝；1_3_4、第四槽缝；2、单极子阵元；3、接地板。
【具体实施方式】
[0023]—种单负材料隔离板，如图1所示，由介质基板1-1、覆在介质基板1-1其中一侧表面的金属覆层1-2、以及蚀刻在金属覆层1-2的蚀刻图形1-3构成。上述单负材料隔离板I类似于电路领域常用的印制电路板。介质基板1-1的形状可以根据设计需求进行设定，如可以为圆形、多边形或正方形，以使其其尽量满足尺寸小和易于加工制作的要求。蚀刻图形1-3使用印制电路工艺印制在单面金属覆层1-2的介质基板1-1上。
[0024]蚀刻图形1-3为单负材料隔离板I的设计核心，其具体形状决定了本隔离板的性能。在本发明中，蚀刻图形1-3包括4组槽缝，上述4组槽缝具有一个共同的图形中心，且这4组槽缝以图形中心为中心，并由内向外嵌设分布。位于最内层的一组槽缝即第一槽缝
1-3-1包括4个完全相同的直角扇形槽，且这4个直角扇形槽以图形中心为中心呈中心对称分布。位于次内层的一组槽缝即第二槽缝1-3-2为工字圆形槽缝，该工字圆形槽缝由I个圆形槽和4个完全相同的T形槽构成，上述圆形槽以图形中心为圆心，4个T形槽的下端均与圆形槽相连，且4个T形槽以图形中心为中心呈中心对称分布。位于次外层的一组槽缝即第三槽缝1-3-3为齿轮形槽缝，该齿轮形槽缝具有8个完全相同的矩形齿槽，且这8个矩形齿槽以图形中心为中心呈中心对称分布。位于最外层的一组槽缝即第四槽缝1-3-4为正圆形槽缝，该正圆形槽缝以图形中心为圆心。
[0025]上述蚀刻图形1-3的4组槽缝在圆周方向上的对称中心线可以相互错开，但也可以根据性能需求，如本发明优选实施例所示，蚀刻图形1-3的4组槽缝在圆周方向上的对称中心线相互对应，即:第一槽缝1-3-1的4个直角扇形槽缝在圆周方向上的中心对称线分别朝向东南方向、西南方向、西北方向和东北方向。第二槽缝1-3-2的4个T形槽在圆周方向上的中心对称线分别朝向正东方向、正南方向、正西方向和正北方向。第三槽缝1-3-3的8个矩形齿槽在圆周方向上的中心对称线分别朝向正东方向、东南方向、正南方向、西南