CN104157982A - 一种基于ebg结构的双极化mimo天线 - Google Patents
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Abstract
一种基于EBG结构的双极化MIMO天线，由两个相同的双馈微带贴片天线和EBG周期结构组合构成。所述天线周围被EBG结构包围，介质板（1）的反面设置接地板部分。所述的双极化微带贴片天线加载了四个对称的四分之一圆环缝隙（3），并且在水平和垂直对称轴上进行双同轴馈电，两个相同的微带贴片天线关于y轴对称；所述的BEG结构由边缘加载了四个对称缝隙的周期矩形贴片排列构成，并且在贴片的中心位置有导电过孔（10）与介质基板底层的接地板相连接。本发明与传统微带贴片天线相比，不仅缩小了天线辐射体的尺寸，而且实现了双极化，通过加载EBG结构大大提高了天线的前后比和增益。本发明适用于高增益大信道容量高速传输天线，尤其适用于IEEE802.11a协议的5.8GHz频段。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于EBG结构的双极化MIMO天线，属于无线通信技术领域。
背景技术
自从进入 21 世纪以来，各种无线通信的技术蓬勃发展，尤其是移动技术领域，由于集成电路技术的飞速发展，移动终端的体积迅速减小，这时天线的小型化问题就立刻凸显出来，开展小型化天线理论及设计工作，不仅有较高的学术价值，而且也有相当的实际的意义。此外近年来在无线通信系统发展过程中，所面临用户数量大量增长和频谱资源越来越紧张的局面。考虑为了能够更加充分的利用这点宝贵的频谱资源,节省频谱和减少频谱的太过拥挤，因此在现代的通信领域中迫切需要天线具有双极化的功能，因为双极化的天线可以使其通信容量增加一倍。双极化微带天线是微带天线的重要的组成部分，因为它继承了微带天线的馈电方式和极化制式的多样化及馈电网络、有源电路集成一体化等优点。
MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技术即多输入多输出技术，在天线方面体现在多天线的运用。无线电发送的信号被反射时，会产生多份信号，每份信号都是一个空间流，使用单输入单输出（SISO）的系统一次只能发送或接收一个空间流。而MIMO 允许多个天线同时发送和接收多个空间流，并能够区分发往或来自不同空间方位的信号。多天线系统的应用，使得并行数据流可以同时传送。同时，在发送端或接收端采用多天线，可以显著克服信道的衰落，降低误码率。
电磁带隙 EBG (Electromagnetic Band-Gap) 结构，即应用于微波频段的 PBG (PhotonicBand-Gap) 或称光子晶体 (Photonic Crystal) 结构，其概念来源于固体物理学中的“原子晶体”。EBG结构可应用于微波电路、天线、光学器件等很多方面。这种禁止特定频带内的电磁波传播的特性可以用来消除或减弱平面电路中的表面波，从而减少互耦、改善天线（阵）的性能等；利用缺陷可以实现谐振器或波导；利用带阻特性可以实现滤波器、移相器功能。将EBG结构与天线结合能够提高天线增益、前后比以及隔离度。
发明内容
本发明的目的是，为了设计一款高增益大信道容量高速传输天线，可以实现双极化特性，具有结构小，结构紧凑，设计灵活等特点，改善传统微带贴片尺寸和辐射性能方面的缺陷。 本发明提出一种基于EBG结构的双极化MIMO天线。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明一种基于EBG结构的双极化MIMO天线由两个相同的双馈微带贴片天线和EBG周期结构组合构成，所述双馈微带贴片天线周围被EBG结构包围，介质板的反面设置接地板部分。
所述的微带贴片天线加载了四个对称的四分之一圆环缝隙，并且在水平和垂直对称轴上进行双同轴馈电，两个相同的微带贴片天线关于y轴对称。
所述的BEG结构由边缘加载了四个对称缝隙的周期矩形贴片排列构成，并且在贴片的中心位置有导电过孔与介质基板底层的接地板相连接。
本发明所述的双馈微带贴片天线加载了四个对称的四分之一圆环缝隙，这样大大增加了电流路径，相对传统贴片式微天线大大缩小了天线尺寸。在贴片水平和垂直对称轴上进行双同轴馈电，两端口馈电则会激励出一对正交极化工作模TM 01和TM 10 ,它们的极化方式是相互垂直的,且等幅同相，即产生0°（水平）和90°（垂直）的双线极化波。这种双馈方式的双极化天线除了拥有良好的输入匹配网络之外,还具有较高的隔离度和较低的交叉极化。
本发明采用双馈微带贴片天线和EBG周期结构联合设计，其中EBG结构由边缘加载了四个对称缝隙的周期矩形贴片排列构成，加载的缝隙延长了表面电流的有效路径，从而间接增加了贴片的电长度，加载的缝隙同时也引入了附加的耦合电容，有效地缩小了EBG结构的尺寸；在贴片的中心位置有导电过孔与介质基板底层的接地板相连接，引入了等效电感，同样可以缩小EBG结构尺寸；最后用两层EBG结构将两个相同的双馈微带贴片天线包围。通过调节EBG结构使其禁带包含双馈微带贴片天线的带宽，就能够实现抑制表面波达到提高增益和前后比的效果。
本发明的有益效果是，本发明在保证天线工作频段的前提下，通过对传统微带贴片天线加载缝隙，以此实现小型化的目的；相比传统单馈天线，本发明采用双馈方式在一个天线上同时实现水平极化和垂直极化，使得通信容量增加一倍，有利于多媒体的传输。本发明利用双天线MIMO 技术极大地提升了频谱效率，并在有限的频谱资源内上实现高速率和大容量；除此之外，本发明在天线周围加载EBG结构，以此来抑制表面波，提高了天线的前后比、增益以及隔离度，其中本发明中EBG结构相对传统的蘑菇型通过加载缝隙实现禁带频率的降低，达到了缩小尺寸的目的。
本发明所述的基于EBG结构的双极化MIMO天线在5.8GHz产生谐振，大于10dB回波损耗的带宽范围为5.70GHz~5.93GHz，适用于IEEE 802.11a协议的5.8GHz频段（5.725GHz~5.825GHz），对于视频、音频等多媒体的高速传输具有广泛的应用前景。
本发明适用于高增益大信道容量高速传输天线，尤其适用于IEEE 802.11a协议的5.8GHz频段。
附图说明
图1为本发明基于EBG结构的双极化MIMO天线的俯视图；
图2为本发明基于EBG结构的双极化MIMO天线的主视图；
图3为天线加载/未加载EBG时的S11参数对比图；
图4为本发明基于EBG结构的双极化MIMO天线的端口1隔离度曲线图；
图5为本发明基于EBG结构的双极化MIMO天线的端口2隔离度曲线图；
图6为本发明基于EBG结构的双极化MIMO天线的方向图，图中曲线的粗实线范围表示E面,虚线范围表示H面；
图7为本发明天线加载/未加载EBG时的前后比对比图；
图8为本发明基于EBG结构的双极化MIMO天线在5.76GHz的3D辐射图；
图9为本发明天线加载/未加载EBG时的增益对比图；
图中图号：1是介质板，这里使用的是介电常数4.4厚度1.6mm的FR4板；2是微带贴片天线，这里采用正方形贴片；3是微带贴片上加载的四分之一圆环缝隙；4是第一同轴馈电点（端口1）；5是第二同轴馈电点（端口2）；6是第三同轴馈电点（端口3）；7是第四同轴馈电点（端口4）；8是EBG结构单元的贴片；9是EBG结构单元贴片上加载的缝隙；10是导电过孔；11是天线接地板部分。
具体实施方式
本发明的具体实施方式如图1和图2所示。
本发明实施例一种基于EBG结构的双极化MIMO天线由两个相同的双馈微带贴片天线和EBG周期结构组合构成。所述双馈微带贴片天线和EBG结构在介质板1的正面，介质板的反面设置接地板11。
本实施例中介质板采用介电常数4.4厚度1.6mm的FR4板；微带贴片天线采用正方形贴片；PIN针(导电过孔)为圆柱形。
双馈微带贴片天线由微带贴片天线2、四分之一圆环缝隙3、第一同轴馈电点4、第二同轴馈电点5共同组成；整体位于FR4介质基板1的中心位置，其中微带贴片天线2是正方形贴片，贴片上下左右对称位置各加载一个四分之一圆环缝隙3，以此增加电流路径，缩小微带贴片天线2的尺寸；第一同轴馈电点4和第二同轴馈电点5是相同的同轴馈线，分别位于贴片水平和垂直对称轴上并且距离贴片中心位置相等，以此产生TM01和TM10模，同时实现水平极化和垂直极化，同轴内芯与正方形贴片2相连，同轴外芯与接地板11相连。
两个相同的双馈微带贴片天线分布在距离介质中心等距的两侧，由此构成MIMO天线。
EBG结构的一个单元由EBG结构单元的贴片8、EBG结构单元贴片上加载的缝隙9和导电过孔10组成。整个EBG结构由一个个单元周期性排列构成。每个EBG结构单元的贴片8的四条边上都加载了缝隙9，形成螺旋型缝隙，不仅延长了电流路径，而且引入了附加耦合电容，便于缩小EBG结构单元的贴片8的尺寸；EBG结构单元的贴片8的中心位置有一导电过孔10与接地板11相连，引入了等效电感，同样可以缩小EBG结构尺寸。
本实施例中，将双极化MIMO天线和EBG结构一体化设计如图1所示，所述双极化MIMO天线被两层EBG结构包围，所设计EBG结构的禁带包含小型双极化微带天线的工作频带，这样能够有效抑制表面波，实现EBG结构改善天线辐射特性的效果。如图3和所示，为天线加载/未加载EBG时的S11参数对比图，本实施例基于EBG结构的双极化MIMO天线S11小于-10dB带宽范围为5.70GHz~5.93GHz，相比未加载EBG时S11有所减小，说明EBG结构减少了天线的反射，谐振点出现偏移是由于天线与EBG结构之间耦合造成的。
图4和图5为本实施例基于EBG结构的双极化MIMO天线的隔离度曲线图，其中图4为基于EBG结构的双极化MIMO天线的端口1隔离度曲线图，图5为基于EBG结构的双极化MIMO天线的端口2隔离度曲线图。
由于本实施例结构具有很好的对称性，所以S11、S22、S33、S44基本一致，隔离度只需查看端口1和端口2与其它端口的隔离度即可，端口1与端口2的隔离度达到-30dB以下，与端口3的隔离度达到-40dB以下，端口4的隔离度达到-20dB以下，端口2与端口3与4的隔离度也分别达到-20dB和-40dB以下，说明本发明于EBG结构的双极化MIMO天线具有良好的隔离度。
图6所示为本实施例基于EBG结构的双极化MIMO天线的方向图，E面和H面的主瓣和前瓣均较大，具有良好的全向性。图7为本实施例天线加载/未加载EBG时的前后比对比图，加载EBG后,天线的前后比大大提高，均在23dB以上。
图8所示为本实施例基于EBG结构的双极化MIMO天线在5.76GHz的3D辐射图，天线在5.76GHz的最大增益达到5.45dBi。图9为本实施例天线加载/未加载EBG时的增益对比图，天线在加载EBG结构后增益明显提高。
本实施例基于EBG结构的双极化MIMO天线与传统微带贴片天线相比，利用槽线技术大大缩小的天线尺寸；利用双馈实现高隔离度双极化特性，提高了频带的利用率；利用双天线MIMO 技术极大地提升了频谱效率，并在有限的频谱资源内上实现高速率和大容量；通过加载EBG结构大大提高了天线的前后比和增益。本实施例适用于IEEE 802.11a协议的5.8GHz频段，对于视频、音频等多媒体的高速传输具有广泛的应用前景。
Claims (5)
1.一种基于EBG结构的双极化MIMO天线，其特征在于，所述天线由两个相同的双馈微带贴片天线和EBG周期结构组合构成，所述双馈微带贴片天线周围被EBG结构包围，介质板的反面设置接地板部分。
2.根据权利要求1所述的一种基于EBG结构的双极化MIMO天线，其特征在于，所述微带贴片天线加载了四个对称的四分之一圆环的缝隙，并且在水平和垂直对称轴上进行双同轴馈电，两个相同的微带贴片天线关于y轴对称。
3.根据权利要求1所述的一种基于EBG结构的双极化MIMO天线，其特征在于，所述BEG结构由边缘加载了四个对称缝隙的周期矩形贴片排列构成，并且在贴片的中心位置有导电过孔与介质基板底层的接地板相连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于EBG结构的双极化MIMO天线，其特征在于，所述双馈微带贴片天线由微带贴片天线、四分之一圆环缝隙、第一同轴馈电点、第二同轴馈电点共同组成；两个相同的双馈微带贴片天线分布在距离介质中心等距的两侧；所述微带贴片天线是正方形贴片，贴片上下左右对称位置各加载一个四分之一圆环缝隙，以此增加电流路径，缩小微带贴片天线的尺寸；第一同轴馈电点和第二同轴馈电点是相同的同轴馈线，分别位于贴片水平和垂直对称轴上并且距离贴片中心位置相等，以此产生TM01和TM10模，同时实现水平极化和垂直极化，同轴内芯与正方形贴片相连，同轴外芯与接地板相连。
5.根据权利要求1所述的一种基于EBG结构的双极化MIMO天线，其特征在于，所述EBG结构的一个单元由EBG结构单元的贴片8、EBG结构单元贴片上加载的缝隙9和导电过孔10组成；整个EBG结构由一个个单元周期性排列构成；每个EBG结构单元的贴片8的四条边上都加载了缝隙9，形成螺旋型缝隙，不仅延长了电流路径，而且引入了附加耦合电容，便于缩小EBG结构的尺寸；EBG结构单元的贴片8的中心位置有一导电过孔10与接地板11相连，引入了等效电感，同样可以缩小EBG结构尺寸。
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Application publication date: 20141119 |