CN104269617A - 一种平面型的双极化uwb-mimo天线 - Google Patents

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本发明提供一种结构紧凑、端口间隔离度高，具有超宽的阻抗带宽和良好的匹配特性的平面型的双极化UWB-MIMO天线。该天线包括介质基片，所述介质基片的上表面设置有四个结构相同的双极化UWB宽槽天线单元，以介质基片的中心为坐标原点建立一个直角坐标系，所述四个双极化UWB宽槽天线单元分别关于直角坐标系的X轴和Y轴对称设置。这种双极化UWB宽槽天线单元排列方式非常巧妙地利用了天线单元自身的特点，不需要在双极化UWB宽槽天线单元之间增加其它隔离结构来提高隔离度，因此能够保持天线单元自身的良好匹配、隔离度和辐射特性，此种组成MIMO天线结构紧凑、端口间隔离度高，具有超宽的阻抗带宽和良好的匹配。适合在天线技术领域推广应用。

Description

一种平面型的双极化UWB-MIMO天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其是涉及一种平面型的双极化UWB-MIMO天线。
背景技术
超宽带(Ultra-Wideband-UWB)是无线领域的一个重要发展方向，已经成为近几年来国内外通信的热点问题和研究方向之一。超宽带技术的传输速率高、抗干扰性能强、带宽极宽、消耗电能小、系统容量大、穿透能力强、保密性好等优点，超宽带有两种不同定义标准：第一种定义是1990年与美国国防部先进研究项目署(DARPA)提出分数带宽超过25％的天线；第二种定义是联邦通信委员会(FCC)提出，将25％改为20％，补充定义了任何带宽超过500MHz的天线就是超宽带天线，同时于2002年正式将3.1-10.6GHz为超宽带频段批准用于民用通信。从而使得UWB无线通信技术引起了世界各国的广泛关注，它可以应用于个人设备、人员监控、医学、救生、多媒体等领域，这项技术的发展潜力巨大，市场前景颇丰。
多输入多输出(Multiple Input Multiple Output-MIMO)天线，即在发射端和接收端安置多根天线，独立地接收与发射。MIMO系统具有增加信道容量、提高频谱利用率、传输速率高、信道可靠性强等优点。Bell实验室的学者E.Telatar和J.Foshini分别证明了MIMO系统与单输入多输出(Single Input Multiple Output-SIMO)和MISO(Multiple Input Single Output)系统相比，可以取得巨大的信道容量，也突破了传统的单输入单输出(Sing Input SingOutput-SISO)信道容量的瓶颈。与目前已实现的信道容量相比，MIMO系统提高了几个数量级，还利用在普通通信系统中不利的多径效应实现良好的通信，因此MIMO技术在未来移动通信系统中有着广阔的应用前景。
将MIMO技术引入到UWB技术中是对UWB技术的一种改进和提高，UWB-MIMO系统具有很高的链路可靠性和速率适配能力，也能在时域上很好的解决有害的码间干扰和信道间干扰问题。UWB-MIMO技术可以有效提高无线通信系统的信息传输速率，最大甚至可以超过1Gb/s，还可以成倍的提高信道容量等优势，这是无线通信的福音，因此受到国内外学者的研究。UWB与MIMO的结合，主要应用于基站、因特网高速接入、数据下载、实时数据传输和无线数字巴士等。无可置疑，在越来越要求速度的当今社会，这一研究方向受到广泛的关注。
目前，实现双极化、多单元数排列、宽频段、小型化等是超宽带MIMO天线的发展趋势，由于人们对超宽带MIMO天线的研究时间还不长，所取得的成果也不太多。然而，在有限的空间内，如何将多个双极化超宽带天线单元在低耦合的情况下紧密排列实现良好的MIMO天线特性，对于超宽带MIMO天线设计者来说成了一个很大的挑战。近几年来，为了得到高隔离的双极化UWB-MIMO天线，人们大多采用同一平面的单极子正交或者平行放置等方式组成。
比如，Peng Gao,Shuang He,Xubo Wei,Ziqiang Xu,Ning Wang,and Yi Zheng,“CompactPrinted UWB Diversity Slot Antenna With 5.5-GHz Band-Notched Characteristics,”IEEEANTENNA AND WIRELESS PROPAGATION LETTERS,VOL.13,PP.376-379,2014.在上述文献中记载的天线面积为48x 48mm2,FR4的厚度为0.8mm，介电常数为4.4。该天线结构包括两个阶梯型的平面UWB缝隙陷波天线，分别由共面波导馈电，相同尺寸的馈电贴片正交放置，具有正交的极化方向，为提高单元间的隔离度，在45°角方向添加一段微带线，同时,为了实现5.5GHz的陷波特性,在贴片上挖了一个SRR(开口谐振器)槽。此天线在2.5-12GHz频段内实现了高于15dB的隔离度和小于-10dB的反射系数，有较好的性能。但是，此天线结构尺寸偏大；而且该天线实际上是一个双极化的天线单元，还没有构成真正意义上的MIMO天线。
其次，B.P.Chacko,G.Augustin,T.A.Denidini,“Uniplanar Slot Antenna for Ultra-widebandPolarization-Diversity Applications,”Vol.12,2013在上述文献中记载的天线面积为58x 58mm2,介质基板Rogers RT/Duroid 6035HTC的介电常数为3.6，厚度为1.524mm。此天线是双极化的半环形陷波槽天线，结构包括两个半环形的槽、以及共面波导馈电的两个极化正交的端口。两个半环型的天线单元有同样的尺寸，通过在辐射贴片上增加环形的槽，实现5.0-6.3GHz的陷波。同时，为提高单元间的隔离度，在单元之间添加了一个十字型的微带线。此天线在2.8-11GHz频段内实现了高于15dB的隔离度和小于-10dB的反射系数，有较好的群时延特性。但是，此天线的尺寸还是较大，而且该天线实际上是一个双极化的天线单元，也没有构成真正意义上的MIMO天线。
再者，Guihong Li,Huiqing Zhai,Zhihui Ma,Changhong Liang,Rongdao Yu,and Sheng Liu,“Isolation-Improved Dual-Band MIMO Antenna Array for LTE/WiMAX Mobile Terminals,”IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGATION LETTERS,VOL.13,PP.1128-1131,2014.上述文献记载的天线体积为140x70x9.55mm3，由4个U型缝隙的PIFA单元和4个L型缝隙的PIFA单元组成双频的MIMO天线。天线采用FR4的介质基板，介电常数为4.4，厚度为0.9mm。设计中引入了许多去耦合的方式，如将两种类型的PIFA天线正交放置，不共地，添加寄生的微带线，变形PIFA天线的结构等，这些措施实现了在工作频段2.6-2.8GHz和3.4-3.6GHz内，反射系数低于-10dB，隔离度达到20dB以上。此天线在LTE/WIMAX的频段内实现了良好的方向图和ECC(包络相关系数)的特性，可以广泛应用于移动通信。但是，该天线是立体结构，占用的空间太大，而且工作带宽范围较小。
另外，Nguyen Khac Kiem,Huynh Nguyen Bao Phuong,Quang Ngoc Hieu,Dao Ngoc Chien,“A Compact Printed 4×4MIMO-UWB Antenna with WLAN Band Rejection,”IEEE Antennasand Propagation Society International Symposium(APSURSI),PP.2245-2246,July 2013.上述文献记载的天线大小为60x60x1.6mm3。天线为4单元的MIMO天线，采用传统微带馈电的单极子结构，单元两两相互垂直放置。为了实现5.5GHz的陷波特性和展宽带宽，在天线单元的馈线两旁放置大小不同的EBG结构。为了降低MIMO天线的耦合，在4个单元的地板之间嵌入了一个多模的微带线谐振器。天线在3.1-10.6GHz频段内反射系数小于-10dB，隔离度高于15dB，陷波范围在5.12-6.14GHz。此4单元MIMO天线可以看成双极化的两单元MIMO天线。该设计的单元排列方式不便于构成单元数量更多的MIMO天线。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种结构紧凑、端口间隔离度高，具有超宽的阻抗带宽和良好的匹配特性的平面型的双极化UWB-MIMO天线。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：该平面型的双极化UWB-MIMO天线，包括介质基片，所述介质基片的上表面设置有四个结构相同的双极化UWB宽槽天线单元，以介质基片的中心为坐标原点建立一个直角坐标系，所述四个双极化UWB宽槽天线单元分别关于直角坐标系的X轴和Y轴对称设置，所述双极化UWB宽槽天线单元包括第一金属辐射体、第二金属辐射体、接地板，所述接地板上开有方形孔，所述第一金属辐射体、第二金属辐射体设置在方形孔内，所述接地板上设置有第一馈电端口、第二馈电端口，所述第一金属辐射体连接在第一馈电端口上，第二金属辐射体连接在第二馈电端口上。
进一步的是，所述第一馈电端口与第二馈电端口均为共面波导馈电端口。
进一步的是，所述共面波导馈电端口的缝隙为渐变缝隙。
进一步的是，所述第一金属辐射体、第二金属辐射体的形状为阶梯型并且所述第一金属辐射体与第二金属辐射体呈正交分布。
进一步的是，所述第一金属辐射体、第二金属辐射体沿方形孔的第一对角线对称设置，所述第一馈电端口、第二馈电端口沿方形孔的第一对角线对称设置。
进一步的是，所述方形孔上开有矩形槽，所述矩形槽设置在第一对角线的一端，所述矩形槽内设置有第一三角形贴片，所述贴片位于第一对角线的延长线上，所述第一对角线的另一端设置有第二三角形贴片。
进一步的是，所述第一三角形贴片、第二三角形贴片均为直角三角形贴片。
本发明的有益效果是：本发明所述的平面型的双极化UWB-MIMO天线通过在介质基片的上表面设置四个结构相同的UWB宽槽天线单元，以介质基片的中心为坐标原点建立一个直角坐标系，所述四个UWB宽槽天线单元分别关于直角坐标系的X轴和Y轴对称设置，构成了一个四单元的双极化UWB-MIMO天线，这种UWB宽槽天线单元排列方式非常巧妙地利用了天线单元自身的特点，不需要在UWB宽槽天线单元之间增加其它隔离结构来提高隔离度，因此能够保持天线单元自身的良好匹配、高隔离度和辐射特性，此种组成MIMO天线的UWB宽槽天线单元排列方式可以扩展到其它双极化天线，另外，尽管相邻UWB宽槽天线单元的相邻端口具有相同的极化方向，但由于在UWB宽槽天线单元之间有地板及缝隙分隔，且不同端口的辐射方向图具有不同的辐射方向，使得不同UWB宽槽天线单元的任意端口之间都有极高的隔离度，不同天线单元的端口隔离度均超过20dB，该双极化UWB-MIMO天线具有8个端口，且结构紧凑、端口间隔离度高，具有超宽的阻抗带宽和良好的匹配。
附图说明
图1是本发明所述的平面型的双极化UWB-MIMO天线的结构示意图；
图2是实施例所述的平面型的双极化UWB-MIMO天线的S参数曲线；
图3是实施例所述的平面型的双极化UWB-MIMO天线在端口P1激励、所有其它端口接匹配负载时，天线在3GHz频率上的三维增益方向图；
图4是实施例所述的平面型的双极化UWB-MIMO天线在端口P2激励、所有其它端口接匹配负载时，天线在3GHz频率上的三维增益方向图；
图5是实施例所述的平面型的双极化UWB-MIMO天线在端口P1激励、所有其它端口接匹配负载时，天线在5GHz频率上的三维增益方向图；
图6是实施例所述的平面型的双极化UWB-MIMO天线在端口P2激励、所有其它端口接匹配负载时，天线在5GHz频率上的三维增益方向图；
图7是实施例所述的平面型的双极化UWB-MIMO天线在端口P1激励、所有其它端口接匹配负载时，天线在7GHz频率上的三维增益方向图；
图8是实施例所述的平面型的双极化UWB-MIMO天线在端口P2激励、所有其它端口接匹配负载时，天线在7GHz频率上的三维增益方向图；
图9是实施例所述的平面型的双极化UWB-MIMO天线在端口P1激励、所有其它端口接匹配负载时，天线在9GHz频率上的三维增益方向图；
图10是实施例所述的平面型的双极化UWB-MIMO天线在端口P2激励、所有其它端口接匹配负载时，天线在9GHz频率上的三维增益方向图；
图11是实施例所述的平面型的双极化UWB-MIMO天线在端口P1激励、所有其它端口接匹配负载时，天线在10GHz频率上的三维增益方向图；
图12是实施例所述的平面型的双极化UWB-MIMO天线在端口P2激励、所有其它端口接匹配负载时，天线在10GHz频率上的三维增益方向图；
其中，介质基片1、双极化UWB宽槽天线单元2、第一金属辐射体201、第二金属辐射体202、接地板203、方形孔204、第一馈电端口205、第二馈电端口206、矩形槽207、第一三角形贴片208、第二三角形贴片209。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细描述。
如图1所示，该平面型的双极化UWB-MIMO天线，包括介质基片1，所述介质基片1的上表面设置有四个结构相同的双极化UWB宽槽天线单元2，以介质基片1的中心为坐标原点建立一个直角坐标系，所述四个双极化UWB宽槽天线单元2分别关于直角坐标系的X轴和Y轴对称设置，所述双极化UWB宽槽天线单元2包括第一金属辐射体201、第二金属辐射体202、接地板203，所述接地板203上开有方形孔204，所述第一金属辐射体201、第二金属辐射体202设置在方形孔204内，所述接地板203上设置有第一馈电端口205、第二馈电端口206，所述第一金属辐射体201连接在第一馈电端口205上，第二金属辐射体202连接在第二馈电端口206上。本发明所述的平面型的双极化UWB-MIMO天线通过在介质基片1的上表面设置四个结构相同的双极化UWB宽槽天线单元2，以介质基片1的中心为坐标原点建立一个直角坐标系，所述四个双极化UWB宽槽天线单元2分别关于直角坐标系的X轴和Y轴对称设置，构成了一个四单元的双极化UWB-MIMO天线，这种双极化UWB宽槽天线单元2排列方式非常巧妙地利用了天线单元自身的特点，不需要在双极化UWB宽槽天线单元2之间增加其它隔离结构来提高隔离度，因此能够保持天线单元自身的良好匹配、隔离度和辐射特性，此种组成MIMO天线的双极化UWB宽槽天线单元2排列方式可以扩展到其它双极化天线，另外，尽管相邻双极化UWB宽槽天线单元2的相邻端口具有相同的极化方向，但由于在双极化UWB宽槽天线单元2之间有地板及缝隙分隔，不同端口的辐射方向图具有不同的辐射方向，使得不同双极化UWB宽槽天线单元2的任意端口之间都有极高的隔离度，不同天线单元的端口隔离度均超过20dB，该UWB-MIMO天线具有8个端口，且结构紧凑、端口间隔离度高，具有超宽的阻抗带宽和良好的匹配。为进一步提高双极化UWB宽槽天线单元2间的隔离度，让双极化UWB宽槽天线单元2的地板之间留有一定宽度的缝隙。
为了达到良好的匹配效果，所述第一馈电端口205与第二馈电端口206均为共面波导馈电端口。进一步的是，所述共面波导馈电端口的缝隙为渐变缝隙。
为了天线具有较好的辐射效果，所述第一金属辐射体201、第二金属辐射体202的形状为阶梯型并且所述第一金属辐射体201与第二金属辐射体202呈正交分布。
为了使第一馈电端口205、第二馈电端口206之间有很好的隔离效果，所述第一金属辐射体201、第二金属辐射体202沿方形孔204的第一对角线对称设置，所述第一馈电端口205、第二馈电端口206沿方形孔204的第一对角线对称设置，第一馈电端口205、第二馈电端口206形成两个正交极化的端口。
由于第一馈电端口205和第二馈电端口206相距较近，因此隔离效果很差，为了改善单元端口和贴片的隔离度，所述方形孔204上开有矩形槽207，所述矩形槽207设置在第一对角线的一端，所述矩形槽207内设置有第一三角形贴片208，所述贴片位于第一对角线的延长线上，所述第一对角线的另一端设置有第二三角形贴片209，用于调整两个端口之间的电流分布，达到了改善隔离的效果。为了使隔离效果达到最好，进一步的是，所述第一三角形贴片208、第二三角形贴片209均为直角三角形贴片。
实施例
将上述的平面型的双极化UWB-MIMO天线采用CST电磁仿真软件对天线进行了仿真。此天线S参数曲线如图2所示，其中端口P1馈电,其他端口接匹配负载时，天线工作在3.2-12GHz频段内，S11参数均低于-10dB，S21传输参数除了同一单元中相互正交的P1和P2端口低于-15dB，其他任意端口与P1或P2间的传输参数均低于-20dB，也就是不同单元的端口之间隔离度高于20dB。
图3至图12为端口P1、P2分别激励对应的其它端口匹配时，天线在不同频率上的三维增益方向图，可以看出单元中的P1或P2端口馈电时，最大辐射增益方向不同，具有良好的方向图分集效果。天线在整个带宽上的增益都在3dBi以上。不同单元的最大增益方向都不同，四单元的MIMO天线基本可以实现全向的辐射波束覆盖。

Claims (7)

1.一种平面型的双极化UWB-MIMO天线，其特征在于：包括介质基片(1)，所述介质基片(1)的上表面设置有四个结构相同的双极化UWB宽槽天线单元(2)，以介质基片(1)的中心为坐标原点建立一个直角坐标系，所述四个双极化UWB宽槽天线单元(2)分别关于直角坐标系的X轴和Y轴对称设置，所述双极化UWB宽槽天线单元(2)包括第一金属辐射体(201)、第二金属辐射体(202)、接地板(203)，所述接地板(203)上开有方形孔(204)，所述第一金属辐射体(201)、第二金属辐射体(202)设置在方形孔(204)内，所述接地板(203)上设置有第一馈电端口(205)、第二馈电端口(206)，所述第一金属辐射体(201)连接在第一馈电端口(205)上，第二金属辐射体(202)连接在第二馈电端口(206)上。
2.如权利要求1所述的平面型的双极化UWB-MIMO天线，其特征在于：所述第一馈电端口(205)与第二馈电端口(206)均为共面波导馈电端口。
3.如权利要求2所述的平面型的双极化UWB-MIMO天线，其特征在于：所述共面波导馈电端口的缝隙为渐变缝隙。
4.如权利要求3所述的平面型的双极化UWB-MIMO天线，其特征在于：所述第一金属辐射体(201)、第二金属辐射体(202)的形状为阶梯型并且所述第一金属辐射体(201)与第二金属辐射体(202)呈正交分布。
5.如权利要求4所述的平面型的双极化UWB-MIMO天线，其特征在于：所述第一金属辐射体(201)、第二金属辐射体(202)沿方形孔(204)的第一对角线对称设置，所述第一馈电端口(205)、第二馈电端口(206)沿方形孔(204)的第一对角线对称设置。
6.如权利要求5所述的平面型的双极化UWB-MIMO天线，其特征在于：所述方形孔(204)上开有矩形槽(207)，所述矩形槽(207)设置在第一对角线的一端，所述矩形槽(207)内设置有第一三角形贴片(208)，所述贴片位于第一对角线的延长线上，所述第一对角线的另一端设置有第二三角形贴片(209)。
7.如权利要求6所述的平面型的双极化UWB-MIMO天线，其特征在于：所述第一三角形贴片(208)、第二三角形贴片(209)均为直角三角形贴片。
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