CN103928768B - 一种基于时间反演的密集单极子mimo天线 - Google Patents

Abstract

该发明公开了一种基于时间反演的密集单极子MIMO天线，天线包括矩形绝缘基板，设于绝缘基板下表面的金属地板，设于绝缘基板上表面的接地金属贴片、馈线、单极子、接地线，天线整体沿轴线左右对称。其中，8个单极子密集平行排列，因为各单极子距离较近，因而具有了亚波长结构，这8个单极子互相作为对方的散射体，从而在时间反演电磁环境下具有超分辨率特性，可以在时间反演电磁环境下自然地改善端口的隔离度。由于采用整体设计的思想，考虑了单元之间的耦合效应，因此本发明避免了单元排布时辐射效率下降的问题，并且本发明为平面结构，减小了天线的空间尺寸，适应现在通信移动终端的扁平状空间需求。

Description

一种基于时间反演的密集单极子MIMO天线

技术领域

本发明属于电子技术领域，特别涉及一种用于无线通信终端的时间反演多入多出（MIMO）天线技术。

背景技术

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一。根据传统理论，为使多天线系统（阵列天线）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（TimeReversal）需要在信源的附近布置散射体以构成多径信道。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。

2011年王秉中等人提出了“一种无线移动终端用时间反演亚波长阵列天线”（专利申请号：201110066620.1；申请公布日：2011.06.29；发明人：王秉中，葛广顶，臧锐），可以展示远场亚波长超分辨率聚焦特性。该天线阵由间距在1/40～1/2波长之间的多个刻蚀凹槽的单极子天线单元层叠而成。每个天线单元由位于矩形介质基片正反两面金属贴片构成；正面金属贴片包括中间的椭圆形单极子辐射单元和彼此相连的两个侧面金属贴片；反面金属贴片由彼此相连的矩形金属贴片和直角梯形金属贴片构成；所有金属贴片上都均匀分布得有刻蚀凹槽。该天线阵可以在单元间距为1/40～1/2波长的情况下具有超分辨率特性，但是该天线阵未考虑到各个单元间的互耦效应，因此单元在层叠排布之后辐射效率变差。并且现在通行的移动终端大多是扁平状的，这种层叠布阵方式使得天线阵占用的空间较大，不能满足扁平状移动终端对空间排布的要求。

发明内容

本发明针对背景技术的不足，提出了一种基于时间反演的密集单极子MIMO天线，以避免天线单元排布时辐射效率的下降，并且减小了天线的空间尺寸，适应现在通信移动终端的扁平状空间需求。

本发明天线包括矩形绝缘基板，设于绝缘基板下表面的金属地板，设于绝缘基板上表面的接地金属贴片、馈线、单极子、接地线，天线整体沿轴线左右对称，其特征在于所述金属地板为矩形地板，地板的一长边、两短边位于绝缘基板的边；所述接地金属贴片位于地板的正上方且通过均匀分布的金属通孔连接地板；接地金属贴片内分布有8条馈线，馈线与接地金属贴片之间有间隙，每条馈线的输出端都分别连接一个单极子，馈线的另一端位于绝缘基板的边，为输入端口；所述单极子为长条形金属贴片，且所有单极子相互平行，相邻两个单极子的间距为λ/40-λ/2（λ为工作频段的中心波长），每个单极子侧边引出一接地线连接接地金属贴片。

所述单极子与馈线的宽度均相同。

所述同一馈线两边的间隙宽度一致。

所述金属通孔的间距为0.5-6mm。

所述金属地板、接地金属贴片、馈线、单极子及接地线印制或刻蚀于绝缘基板。

本发明中8个单极子密集平行排列，因为各单极子距离较近，因而具有了亚波长结构，这8个单极子互相作为对方的散射体，从而在时间反演电磁环境下具有超分辨率特性，可以在时间反演电磁环境下自然地改善端口的隔离度。由于采用整体设计的思想，考虑了单元之间的耦合效应，因此本发明避免了单元排布时辐射效率下降的问题，并且本发明为平面结构，减小了天线的空间尺寸，适应现在通信移动终端的扁平状空间需求。

附图说明

图1为背景技术一种无线移动终端用时间反演亚波长阵列天线示意图；

图2为本发明基于时间反演的密集单极子MIMO天线正面结构示意图；

图3为本发明基于时间反演的密集单极子MIMO天线背面结构示意图；

图4为本发明基于时间反演的密集单极子MIMO天线侧面结构示意图；

图5为本发明天线的仿真电压驻波比(VSWR)；

图6为本发明天线各端口输入时的仿真方向图；

其中图6（a）是天线端口1输入时的仿真方向图，图6（b）是天线端口2输入时的仿真方向图，图6（c）是天线端口3输入时的仿真方向图，图6（d）是天线端口4输入时的仿真方向图，图6（e）是天线端口5输入时的仿真方向图，图6（f）是天线端口6输入时的仿真方向图，图6（g）是天线端口7输入时的仿真方向图，图6（h）是天线端口8输入时的仿真方向图；

图7为本发明天线各端口输入时的耦合情况；

其中图7（a）是天线端口1和端口5输入时的耦合情况，图7（b）是天线端口2和端口6输入时的耦合情况，图7（c）是天线端口3和端口7输入时的耦合情况，图7（d）是天线端口4和端口8输入时的耦合情况。

图中：1.第一馈线，2.第二馈线，3.第三馈线，4.第四馈线，5.第四单极子，6.第三单极子，7.第二单极子8.第一单极子，9.第一接地线，10.第二接地线，11.第三接地线，12.第四接地线，13.介质基板，14.接地金属通孔，15.金属地板。

具体实施方式

天线的结构如图2-图4所示，包括矩形绝缘基板，印制于绝缘基板下表面的金属地板，印制于绝缘基板上表面的接地金属贴片、馈线、单极子、接地线。天线整体沿轴线左右对称，接地金属贴片通过接地金属通孔14穿过介质基板13连接金属地板15。

接地金属贴片、馈线、单极子、接地线、地板均为厚度为0.07mm的铜箔，接地金属通孔14直径为0.5mm。介质基板13的尺寸为80×50mm²，地板15的尺寸为80×20mm²。馈线的宽均为1mm，相邻两馈线输入端口的间距为10mm，弯折处距离介质基板下边沿依次为15mm、11mm、7mm、3mm，第一馈线1的两侧间隙宽度为0.4mm，第二馈线2的两侧间隙宽度为0.5mm，第三馈线3的两侧间隙宽度为0.5mm，第四馈线4的两侧间隙宽度为0.6mm。接地金属通孔成方格状规律分布，其水平间距为3mm，竖直间距为4mm，但接地金属通孔不能连接在馈线上。单极子的宽均为1mm，相邻单极子之间的距离为3mm，第四单极子5的长度为24mm，第三单极子6的长度为20mm，第二单极子7的长度为24.2mm，第一单极子8的长度为24.2mm。每个单极子侧边引出一接地线连接接地金属贴片，接地线的宽度均为0.5mm，第一接地线9的长度为9mm，第二接地线10的长度为1mm，第三接地线的长度为3mm，第四接地线的长度为3mm。

图5为本发明天线的仿真电压驻波比(VSWR)。由于天线结构对称，所以VSWR两两对应相同。天线8根馈线位于介质基板的边的一端为天线的8个输入端口，从左至右一次为端口8、7、6、5、1、2、3、4。8个端口分别输入时的最宽频带和最窄频带分别为2.36-2.71G和2.36-2.59G，重合频带为2.36-2.59G。

图6为本发明天线各端口输入时的仿真方向图；其中图6（a）是天线端口1输入时的仿真方向图，图6（b）是天线端口2输入时的仿真方向图，图6（c）是天线端口3输入时的仿真方向图，图6（d）是天线端口4输入时的仿真方向图，图6（e）是天线端口5输入时的仿真方向图，图6（f）是天线端口6输入时的仿真方向图，图6（g）是天线端口7输入时的仿真方向图，图6（h）是天线端口8输入时的仿真方向图。图中天线的E面具有定向性，H面具有全向性。由方向图可知，各个端口输入时的最大增益为4.1-6.2dBi，增益比较均匀。

图7为本发明天线在普通电磁环境下各端口输入时的耦合情况；其中图7（a）是天线端口1和端口5输入时的耦合情况，图7（b）是天线端口2和端口6输入时的耦合情况，图7（c）是天线端口3和端口7输入时的耦合情况，图7（d）是天线端口4和端口8输入时的耦合情况。由图7可知，各端口之间的隔离效果不同，有些端口之间的隔离效果较好，有些端口之间的隔离效果较差。将图7中的耦合情况统计后如表1所示，表中标示√表示在2-3G范围内两端口之间的耦合较好（小于-10dB）。由表1可知，与端口1隔离效果较好的端口中包含端口3、6、8，与端口3隔离效果较好的包含端口1、6、8，与端口6隔离效果较好的包含端口1、3、8，与端口8隔离效果较好的包含端口1、3、6，也就是说，端口1、3、6、8互相之间的隔离效果都较好，这四个端口是可以同时工作的。同样的，端口1、4、5、8和端口1、4、6、8也是可以同时工作的。

表1普通电磁环境下各端口之间的耦合统计

端口

1

2

3

4

5

6

7

8

1

√

√

√

√

√

2

√

√

√

√

3

√

√

√

√

√

4

√

√

√

√

√

√

5

√

√

√

√

√

6

√

√

√

√

7

√

√

√

√

√

8

√

√

√

√

√

√

由表1可知,在普通电磁环境下，本设计密集单极子MIMO天线至多有4个端口可以同时工作。在TR环境下，由于本天线具有亚波长微结构，当一个单极子工作时其他单极子可以作为散射体，由背景技术的实验以及凋落波传输波转换理论可以知道，该天线在TR环境下可以具有超分辨特性，即可以自然的改善端口的隔离效果，使TR电磁波汇聚到源端口，即八个端口都可以都是工作。所以该天线结构紧凑，易于集成，在普通电磁环境和TR电磁环境下都具有很好的性能。

Claims (5)

1.一种基于时间反演的密集单极子MIMO天线，包括矩形绝缘基板，设于绝缘基板下表面的金属地板，设于绝缘基板上表面的接地金属贴片、馈线、单极子、接地线，天线整体沿轴线左右对称，其特征在于所述金属地板为矩形地板，地板的一长边、两短边位于绝缘基板的边；所述接地金属贴片位于地板的正上方且通过均匀分布的金属通孔连接地板；接地金属贴片内分布有8条馈线，馈线与接地金属贴片之间有间隙，每条馈线的输出端都分别连接一个单极子，馈线的另一端位于绝缘基板的边，为输入端口；所述单极子为长条形金属贴片，且所有单极子相互平行，相邻两个单极子的间距为λ/40-λ/2，每个单极子侧边引出一接地线连接接地金属贴片。

2.如权利要求1所述的一种基于时间反演的密集单极子MIMO天线，其特征在于所述单极子与馈线的宽度均相同。

3.如权利要求1所述的一种基于时间反演的密集单极子MIMO天线，其特征在于所述同一馈线两边的间隙宽度一致。

4.如权利要求1所述的一种基于时间反演的密集单极子MIMO天线，其特征在于所述金属通孔的间距为0.5-6mm。

5.如权利要求1所述的一种基于时间反演的密集单极子MIMO天线，其特征在于所述金属地板、接地金属贴片、馈线、单极子及接地线印制或刻蚀于绝缘基板。