改善多天線系統性能的超表面及采用超表面的多天線系統的制作方法

本發明涉及無線通信技術領域，尤其涉及一種無線設備中針對大規模多天線通信系統的改善多天線系統性能的超表面及采用超表面的多天線系統。

背景技術：

在大數據，移動互聯網，以及虛擬現實，4K高清視頻等應用的趨勢下，迫切需要第五代移動通訊系統(5G)的技術快速成熟與應用，包括移動通信，Wi-Fi，高速無線數傳無一例外的需要相比現在更寬的傳輸速率，更低的傳輸延時以及更穩定可靠的數據傳輸。在此背景下，大規模多輸入多輸出系統(Massive MIMO)以及不可逆轉的成為下一代移動通信系統的標配；

多輸入輸出技術利用在收發系統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據，能夠提高數據吞吐率，以及提高通信的穩定性。

與此同時，毫米波、太赫茲通訊技術也在防撞雷達，探測，遙感，成像等領域快速發展。對了對抗頻率高時較大的路徑損耗，大規模的多天線陣列、相控陣也將大規模被采用。陣列的口徑越大，對應的天線增益也就越高，也就能夠更好的彌補路徑損耗造成的衰減。

然而，考慮實際應用場景，無論是5G的基站，還是毫米波系統前端的天線陣列，都有空間的限制。例如，毫米波汽車防撞雷達，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Massive MIMO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小；

(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性變高，使得MIMO系統的通訊吞吐率降低。

綜上所述，迫切的需要一種，在多天線系統中改善天線性能的辦法，使得空間受限的多天線系統、天線陣列，能夠即縮小體積，又保持原有的天線陣性能。

技術實現要素：

本發明要解決的技術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、天線陣列性能的下降。

在本發明中，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、諧振貼片，十字形貼片等；

承載諧振器的介質層；所有諧振器可以印刷在介質層上；所述介質層根據實際需要，可以有較低或較高的介電常數；也可以用柔性PCB組成。

支撐所述超表面的支撐柱。支撐柱原則上應該選用非金屬結構，避免對原多天線系統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層構成超表面，通過所述支撐柱支撐，覆蓋于多天線系統上方。

對所述諧振器的諧振頻率、反射系數、透射系數，各諧振器之間的間距，承載諧振器的介質層的介電常數，以及超表面距離原多天線系統的高度進行配置，使得多天線系統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各天線單元之間的耦合系數降至最低，接近于零；

使得覆蓋超表面的多天線系統中各天線單元的增益較原始多天線系統提高；

使得覆蓋超表面的多天線系統中各天線單元的匹配帶寬較原始多天線系統提高；

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，根據實際的多天線系統特性以及需求，上述5點性能改善，可能同時發生，也可能有其中一項或幾項單獨發生。

根據本申請的另一方面，所述超表面上的諧振器，可以配置可調諧裝置，通過調整可調諧裝置，動態改變所述諧振器的諧振頻率、反射系數、透射系數，使得含有超表面的多天線系統，可以具有可重構性。具有含有可重構超表面的多天線系統，能夠具有以下特性：

(1)可以根據調諧狀態，工作在多個頻段

(2)根據系統需求，動態調整多天線系統間各單元之間的耦合系數

(3)用作相控陣時，可以根據多天線系統掃描的角度，調諧狀態，展寬相控陣掃描的角

根據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性能提升的頻帶寬度。

根據本申請的又一個方面，超表面還可以位于多天線系統中各天線單元的同一層，還可以直接替代原多天線系統天線單元的地板，獲得更低的剖面。還可以采用共形設計，與天線罩或者安裝多天線系統的其他表面共形。

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層構成超表面，通過所述支撐柱支撐，覆蓋于多天線系統上方；

對所述諧振器的諧振頻率、反射系數、透射系數，各諧振器之間的間距，承載諧振器的介質層的介電常數，以及超表面距離原多天線系統的高度進行配置，使得覆蓋超表面的多天線系統各天線單元之間的耦合系數降至最低。

優選的，對所述諧振器的諧振頻率、反射系數、透射系數，各諧振器之間的間距，承載諧振器的介質層的介電常數，以及超表面距離原多天線系統的高度進行配置，使得覆蓋超表面的多天線系統中各天線單元的增益較原始多天線系統提高。

優選的，對所述諧振器的諧振頻率、反射系數、透射系數，各諧振器之間的間距，承載諧振器的介質層的介電常數，以及超表面距離原多天線系統的高度進行配置，使得覆蓋超表面的多天線系統中各天線單元的匹配帶寬較原始多天線系統提高。

優選的，對所述諧振器的諧振頻率、反射系數、透射系數，各諧振器之間的間距，承載諧振器的介質層的介電常數，以及超表面距離原多天線系統的高度進行配置，使得覆蓋超表面的天線陣副瓣降低。

優選的，對所述諧振器的諧振頻率、反射系數、透射系數，各諧振器之間的間距，承載諧振器的介質層的介電常數，以及超表面距離原多天線系統的高度進行配置，使得覆蓋超表面的相控陣掃描角度變寬。

優選的，連接在諧振器上的可調諧裝置，通過調整可調諧裝置，動態改變所述諧振器的諧振頻率、反射系數、透射系數。

優選的，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層構成第一層超表面，通過所述支撐柱支撐，覆蓋于多天線系統上方；由所述諧振器及承載諧振器的介質層構成第二層超表面，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、透射系數，各諧振器之間的間距，承載諧振器的介質層的介電常數，第一層超表面距離多天線系統的高度，兩層超表面之間的間距進行配置，使得覆蓋雙層超表面的多天線系統中各天線單元之間的耦合系數較原始多天線系統在一個更寬的頻段內降低最低。

優選的，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、透射系數，各諧振器之間的間距，承載諧振器的介質層的介電常數，第一層超表面距離多天線系統的高度，兩層超表面之間的間距進行配置，使得覆蓋雙層超表面的多天線系統中各天線單元的增益較原始多天線系統在一個更寬的頻段內提高。

另一種用于改善多天線系統性能的超表面，包括：

多層疊加在多天線系統上方的介質層，支撐各介質層的支撐柱；

對所述各層介質的介電常數，各介質層之間的間距，以及介質層距離多天線系統的高度進行配置，使得覆蓋超表面的多天線系統各天線單元之間的耦合系數降低最低。

另一種用于改善多天線系統性能的超表面，包括：

多層疊加在多天線系統上方的介質層，支撐各介質層的支撐柱；

對所述各層介質的介電常數，各介質層之間的間距，以及介質層距離多天線系統的高度進行配置，使得覆蓋超表面的多天線系統中各天線單元的增益較原始多天線系統提高。

另一種用于改善多天線系統性能的超表面，包括：

一系列周期排布的諧振器；

所述諧振器排布于所述多天線系統的天線單元周圍構成與多天線系統同層的超表面；

對所述諧振器的諧振頻率、反射系數、透射系數，各諧振器之間的間距，以及諧振器與所述多天線系統中各天線單元的距離進行配置，使得多天線系統各天線單元之間的耦合系數降低最低。

另一種用于改善多天線系統性能的超表面，包括：

一系列周期排布的諧振器；

所述諧振器排布于所述多天線系統的天線單元下方形成一層超表面，所形成的超表面代替原多天線系統的地板。

對所述諧振器的諧振頻率、反射系數、透射系數、各諧振器之間的間距進行配置，使得多天線系統各天線單元之間的耦合系數降低最低。

優選的，諧振器的形式為但不限于方形閉合諧振環，圓形閉合諧振環，方形開口諧振環，圓形開口諧振環，十字線型諧振器，十字型槽，圓形槽，方形槽，矩形貼片，圓形貼片。

優選的，超表面采用共形設計，與天線罩或安裝多天線系統的表面共形。

一種采用超表面的多天線系統，包括：

用于接收和發射信號的多個饋電端口，連接至多個天線單元，多個天線單元按照一定的規則排布組成陣列；

一層至多層超表面，由多個周期排布的諧振器，以及承載諧振器的介質層組成；

超表面放置于多天線系統的上方，或與所述多個天線單元位于同一層，或替代所述多天線系統的地板；

對各超表面的諧振器的諧振頻率、反射系數、透射系數，各諧振器之間的間距，承載諧振器的介質層的介電常數以及超表面各諧振器距離多天線系統中各天線單元的距離進行配置，使得所述多天線系統在一個很寬的工作頻段內具有接近于零的單元間互相耦合，同時各單元具有較高的增益。

優選的，所述多天線系統，還包括：各超表面上的諧振器工作頻率通過可調諧裝置動態調整，使得帶有此類超表面的天線陣列，在多個不同的頻段之上，單元之間的耦合系數被降至最低。

優選的，多天線系統天線單元個數大于等于兩個。

優選的，多天線系統天線單元是線陣，方陣，圓陣，三角陣以及不規則形狀組成的大于等于兩個的陣列。

本發明的超表面原則上可以應用于任意多個天線單元組成的多天線通信系統和天線陣列，可以適用于各種形式的天線，例如：微帶貼片天線，縫隙天線，單極子、偶極子天線，介質諧振天線，反射面天線與透鏡天線等。本發明公開的超表面可以采用傳統的印制電路板(PCB)工藝，柔性PCB工藝實現，也可以采用微波無源集成電路工藝實現。能夠很好的應用在智能移動終端，無線路由器，Massive MIMO(大規模多輸入多輸出)通信系統，移動基站、小基站，反射面天線和相控陣等產品和系統上。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本申請的一部分，本發明的示意性實施例及其說明用于解釋本發明，并不構成對本發明的不當限定。在附圖中:

圖1示出了一個典型的大規模多輸入多輸出陣列(Massive MIMO)的系統，包括：5G基站，Massive MIMO天線陣列，多個通信波束，以及多個用戶終端；

圖2示出了本發明實例中一種含有超表面(Meta-surface)的兩天線單元組成的MIMO天線系統；

圖3示出了本發明實例中另一種覆蓋超表面的四單元MIMO天線系統，形式為四單元線陣；

圖4示出了本發明實例中另一種覆蓋超表面的四單元MIMO天線系統，形式為四單元方陣；

圖5示出了本發明實例中的一種覆蓋兩層超表面的兩單元MIMO天線系統；

圖6示出了本發明實例中的一種覆蓋兩層介質層的四單元線陣的實施方式；

圖7示出了本發明實例中一種超表面與天線單元同層的實施方式；

圖8示出了本發明實例的另一種實現形式，用超表面替代了原始天線的地板；

圖9示出了本發明實例中超表面的另一種實施方式；超表面的諧振器帶有可調諧裝置；

圖10示出了本發明實例中超表面抑制單元間耦合以及提高天線增益的電磁場原理解釋；

圖11示出了本發明實例中一種不含有超表面的兩單元天線陣列的電場分布；

圖12示出了本發明實例中一種含有超表面的兩單元天線陣列的電場分布；

圖13示出了本發明實例提出的不含有超表面的天線陣列典型的散射參數；

圖14示出了本發明實例提出的含有超表面的天線陣列典型的散射參數；

圖15示出了本發明實例一個實施實例中的不含有超表面的兩單元MIMO天線的測量散射參數響應；

圖16示出了本發明實例一個實施實例中的含有超表面的兩單元MIMO天線的測量散射參數響應；

圖17示出了本發明實例一個實施實例中的含有及不含有超表面的兩單元MIMO天線系統的天線增益測量結果；

圖18示出了本發明實例中，多天線系統的各種實現形式；

圖19示出了本發明實例中，超表面上的諧振器的各種實現形式。

具體實施方式

本實施方式提供可以自適應消除天線陣中任意干擾的方法和實現形式，詳述如下：

圖1是一個典型的含有Massive MIMO的5G基站。101為Massive MIMO的天線陣，在圖1中，各天線單元是微帶天線，陣列排布的方式是方陣。通過調整每個天線單元上的饋電幅度和相位，該Massive MIMO陣列可以產生多個如102示出的波束，分別對準如103所示的各個用戶/終端。104為5G基站設備。

由于基站的體積有限，排布天線101的面積有限，因此，可以采用超表面覆蓋的方式提高Massive MIMO的性能。一個覆蓋有超表面的兩單元天線陣列實例如圖2所示。在圖2中，202為一個微帶天線單元，其地板為203，地板和天線單元之間可以填充有介質層205。超表面的諧振器208周期的排布在介質層207之上，并通過支撐柱206支撐。另外，201是進一步改善天線匹配狀態的U型槽。204和209是天線的饋電端口。

通過配置諧振器208的諧振頻率，反射和投射系數，諧振器之間的間距，以及超表面層207距離天線單元202的距離，可以：

1)使得覆蓋超表面的多天線系統各天線單元之間的耦合系數降低至接近于零；即端口204和端口209之間的隔離度，S21被降低至接近于0，或者小于20dB。

2)使得覆蓋超表面的多天線系統中各天線單元的增益較原始多天線系統提高；

3)使得覆蓋超表面的多天線系統中各天線單元的匹配帶寬較原始多天線系統提高；即端口204和209可以在一個更寬的頻帶內，其反射系數S11,盡可能的小。一般小于-10dB。

4)使得覆蓋超表面的天線陣副瓣降低；

5)使得覆蓋超表面的相控陣掃描角度變寬。

本發明提出的性能改善方法不限于兩單元陣列，圖3，圖4示出的是超表面應用于四單元陣列的實例。其中，圖3是四單元線陣，圖4是四單元方陣。除了單元數目與排布方式不同外，其余的設置方式與圖2的兩單元陣列完全相同。

另外，可以在圖2～4的基礎上，再增加一層超表面，如圖5所示，501和502分別為兩層超表面，通過調整501,502上，諧振器的特性，和介質層的節點常數，以及501和502之間的間距，以及501、502距離天線單元504的距離，使得覆蓋有兩層超表面的多天線系統性能的改善在更寬的一個頻段內實現。

圖6是本發明實例的另一種實現形式，這里超表面601與602不含有諧振器，只有介質層。通過配置601與602的介電常數，間距，以及距離天線單元604的距離，同樣能夠實現圖3一樣的性能改善。

圖7與圖8為本發明中超表面的另兩種實現形式。圖7中，超表面702位于天線單元701的同一層，與701共用介質層704和地板703,705為天線單元的饋電端口；而在圖8中超表面803替換了天線單元801的地板。這兩種形式通過配置諧振器的特性和介質板的介電常數，同樣可以獲得如圖2所述實例的性能改善。

圖9是在超表面諧振器901上天線可調諧裝置902的實例。調諧裝置可以是可變電容，變容二極管，PIN二極管，MEMS開關等。通過調整可調諧裝置，動態改變所述諧振器的諧振頻率、反射系數、透射系數。

為了解釋覆蓋超表面改善天線性能的工作機理，圖10示出了天線輻射場經過超表面之前和之后的電場和磁場還有坡印廷矢量的分布。1001為天線輻射場通過超表面之前的分布，可以看到，電場E雖然的方向是沿1003所示的坐標軸y方向，而磁場H的方向是與x方向有一定夾角的，這樣，坡印廷矢量k的方向就會向側面傳播(與-x方向有一定夾角)這樣，若沒有超表面，天線單元1004輻射的能量就被耦合到了單元1005上。

加入超表面1006之后，由于超表面的各向異性，只允許坡印廷矢量k沿正z軸方向傳播，也只允許磁場H平行于超表面1006傳播，也就是說，任何沿x軸方向的電磁波將被抑制，因此，從天線單元1004耦合到1005的電磁波將被抑制。因此，加入超表面之后，天線單元之間的耦合系數大大降低。

另外，比較圖11和圖12中，含有和不含有超表面的天線的電場分布可以看到，加入超表面之后，更多的電磁波被匯聚到天線與超表面正上方，而不是橫向傳播到其他天線單元，覆蓋超表面的天線增益，會顯著的高于沒有覆蓋超表面的天線。

圖13示出的是一個不含有超表面的兩單元MIMO天線的典型散射參數響應，可以看到，雖然天線的反射系數S11,S22都小于-10dB，但兩單元之間的耦合系數，接近10dB。采用超表面抑制橫向傳播之后，天線的反射系數S11不但沒有惡化，而且還有所改善，如圖14所示，同時，兩天線之間的耦合系數被降低到超過-35dB。頻率f3-f4之間的工作帶寬明顯大于頻率f1-f2之間的工作帶寬。表明了超表面不但降低了兩天線單元之間的耦合系數，還展寬了其工作帶寬。

下面以一個兩單元微帶天線陣列作為具體例子來說明，如圖2所示的兩單元微帶天線陣列，工作在5.8GHz，當不含有超表面208時，其測量得到的散射參數如圖15，可以看到，在5.61GHz至5.97GHz頻段中，反射系數：S11和S22均小于-15dB，而耦合系數S21卻接近-8dB。加入超表面208之后，其測試的散射參數如圖16所示，可以看到，含有超表面時候，天線反射系數小于-20dB的帶寬已經基本等于不含超表面時候天線反射系數小于-15dB帶寬，說明匹配的狀態和帶寬都被大幅度改善。而含有超表面時候的兩單元之間耦合系數S21，已經在5.49GHz至6GHz之間被提升至小于-25dB。

除了散射參數的改善，含有超表明的天線的增益也明顯提高，如圖17所示，含有超表面208之后，天線單元的增益提高超過了2個dB。

需要指出的是，本發明中，天線陣不僅僅限于兩天線，四天線，可以擴展到多個天線組成的多天線系統。

所述的天線陣列形式多種多樣，包括線陣，圓陣，方陣，還有一些形狀不規則的不規則陣列形式。如圖18所示。

所述超表面的諧振單元，可以有多種的實現形式，如圖19所示。可以有貼片型，環形，開槽型，環形開口型。需要說明的是，圖19中深色的部分為金屬，淺色的部分為露出的介質。

所述的多個天線，可以諧振在完全相同的頻段，也可以諧振在相鄰的頻段，甚至有所重疊的不同頻段。

本發明所公開的超表面原則上可以應用于任意多個天線單元組成的多天線通信系統和天線陣列，可以適用于各種形式的天線，例如：微帶貼片天線，縫隙天線，單極子、偶極子天線，介質諧振天線，反射面天線與透鏡天線等。

本發明公開的超表面可以采用傳統的印制電路板(PCB)工藝，柔性PCB工藝實現，也可以采用微波無源集成電路工藝實現。

本發明所公開的超表面能夠很好的應用在智能移動終端，無線路由器，Massive MIMO(大規模多輸入多輸出)通信系統，移動基站、小基站，雷達前端，反射面天線和相控陣等產品和系統上。

最后所應說明的是：以上實施例僅以說明而非限制本發明的技術方案，盡管參照上述實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解：依然可以對本發明進行修改或者等同替換，而不脫離本發明的精神和范圍的任何修改或局部替換，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。