CN104319479B - 一种基于超构材料的小型化超宽带mimo天线 - Google Patents
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Abstract
该发明公开了一种基于超构材料的小型化超宽带MIMO天线，属于天线技术领域，具体涉及超宽带多输入多输出天线技术领域以及超构材料技术领域。天线包括矩形介质基板、镜像对称设置于矩形介质基板上的两个单元天线及设置于介质基板正面的解耦开口谐振环，所述单元天线包括设于介质基板正面的辐射体、馈线，设于介质基板背面的金属接地板。该天线具有较好的全向性、低互耦系数及良好的陷波效果。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及超宽带(Ultra-Wideband，UWB)多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)天线技术领域以及超构材料(Metamaterial)技术领域。
背景技术
近年来，由于超宽带(UWB)技术宽带宽、高速率、抗多径等特性，其在短距离无线通信中有着广泛的应用前景，受到越来越多的关注。而超宽带天线作为超宽带通信系统中的核心部分之一，也日益成为国内外科研人员的研究热点。但是，其涉及的3.1～10.6GHz的宽频范围内，与诸多现行的通信技术频段相重叠，如Wi-MAX技术(3.4～3.69GHz)、WLAN技术(5.75～5.85GHz)等。要解决这一问题，设计具有陷波作用的天线无疑是一条有效的解决途径。而随着相关研究工作的不断深入，超宽带天线的研究日益朝着小型化、紧凑布局的方向发展，传统的超宽带天线解耦结构(Wen Jiang and Wenquan Che,“A Novel UWB AntennaWith Dual Notched Bands for WiMAX and WLAN Applications”,IEEE Antenna andWireless Propagation Letters,Vol.11,pp.293-296,2012)，在天线上开槽或在馈电点加载开口谐振环等，但是这种手段无法满足天线小型化的要求。
另一方面，受到其较低的工作功率限制，传统的超宽带通信系统通常伴随有较低的信噪比、较差的通信质量等诸多问题，极大地限制了系统的稳定性。而将多输入多输出(MIMO)技术应用到超宽带系统中，则可以提高超宽带系统的稳定性。目前国内外在这方面的研究还处于起步阶段，而且在现有的UWB MIMO天线中，依旧存在着尺寸大、互耦严重、方向图歧化等不足，从而导致天线性能明显下降(Ahmed Zitouni and Noureddine Boukli-Hacene,“Triple notched Band Characteristics UWB Antenna Using C-shaped Slotsand Slot-Type Capacitively-Loaded Loop”,Journal of Electromagnetic Analysisand Applications,Vol.05,No.08,pp.342-345,2013)。
超构材料(Metamaterial)的电磁特性决定于结构而非材料本身，而且其电磁特性往往是自然材料所不具备的。这一独特的性质使得超构材料在天线尤其是MIMO天线领域中受到了极大关注，通过应用超构材料实现MIMO天线小型化的相关研究亦越来越多。然而，此类应用超构材料实现MIMO天线单元间解耦的方法仍存在一些弊端，如结构复杂、不便于加工制作、对天线辐射性能影响严重等(Chih-Chun Hsu,Ken-Huang Lin,and Hsin-Lung Su,“Implementation of Broadband Isolator Using Metamaterial-Inspired Resonatorsand a T-Shaped Branch for MIMO Antennas”,IEEE Transactions On Antennas andPropagation,Vol.59,No.10,pp.3936-3939,2011)。
发明内容
本发明提出了一种基于超构材料的小型化超宽带MIMO天线，目的是利用超构材料的相关技术，设计出一种具有较好的全向性、低互耦系数及良好的陷波效果的一种小型化超宽带MIMO天线。
本发明所采用的技术方案：
一种基于超构材料的小型化超宽带MIMO天线，天线整体沿轴线左右对称，包括矩形介质基板、镜像对称设置于矩形介质基板上的两个单元天线及设置于介质基板正面的解耦开口谐振环，所述单元天线包括设于介质基板正面的辐射体、馈线，设于介质基板背面的金属接地板，其特征在于所述两个单元天线的接地板为一个整体，接地板整体由三个相连的矩形金属贴片构成，第一矩形金属贴片的两窄边、一长边位于介质基板的边界处，第二矩形金属贴片和第三矩形金属贴片平行设置且它们的一窄边与第一矩形金属贴片相连，另一窄边位于介质基板的边界处。
所述解耦开口谐振环位于介质基板轴线，开口位置朝向第一矩形金属贴片，解耦开口谐振环为金属条构成，形状为在“凹”字形开口谐振环的两侧边对称向内凹进一个“T”形分支。
所述第二金属贴片和第三金属贴片上设有“凹”字形第一开口谐振环凹槽，开口位置朝向第一矩形金属贴片。
所述两个单元天线的辐射体位于介质基板的两角，其正下方未覆盖有接地板；所述辐射体为“凹”字形金属贴片，其靠近所述第一矩形金属贴片一侧的凸起大于或等于另一侧凸起。
所述辐射体内设有“凹”字形第二开口谐振环凹槽，开口方向背向第二矩形金属贴片及第三矩形金属贴片。
所述馈线的一端位于介质基板的边，另一端与辐射体相连。
本发明通过分析不同频率下的表面电流分布，在介质基板正面辐射体内分别刻蚀出一个谐振频率为5.8GHz的凹字形开口谐振环(Split-Ring Resonators:SRRs)，在地板结构上刻蚀出谐振频率为3.55GHz的凹字形开口谐振环，从而实现单根天线单元在WLAN、Wi-MAX双频带上的陷波效果。与传统的在馈电点处加载开口谐振环阻止相应频率的电流流通以达到陷波效果不同，本发明采取在相应频率处的主要辐射区域加载开口谐振环结构，阻止天线在该频率处的辐射，从而实现陷波效果。该设计方法充分利用现有天线尺寸空间，避免了传统陷波手段对称式分布对天线尺寸的限制要求，更加适合在紧凑布局的小型化天线上实现良好的陷波效果。
通过镜像对称设置两个相同的天线组成MIMO天线，相连接的接地板结构扩展了地板面积，提升了天线的辐射性能，同时在地板结构上开槽延长地板上电流的路径。延长的地板路径实现了主要工作频段内较好的隔离效果，但对于低频段效果较差，端口间隔离度随频率降低而迅速上升。针对低频区间内较差的隔离效果，通过分析天线间电场分布，在两个天线单元间加载一个谐振频率为2.5GHz的开口谐振环，从而实现了整个工作区间内良好的单元隔离效果。本发明提出将超构材料解耦与传统的解耦方法有机结合，在不增大单元尺寸、减小对天线本身辐射性能影响的前提下，针对解耦所需提出了新型的开口谐振环，并将其加载于两天线单元间，进而实现了单元间良好的隔离效果。同时针对不同应用需求，可以通过改变开口谐振环的尺寸以调节对天线在低频段区间内的隔离度以及辐射性能，从而具有较好的可操控性。
附图说明
图1-1是本发明实施例单一天线单元结构示意图；
图1-2是本发明实施例单一天线单元侧面结构示意图；
图2是本发明实施例单一天线单元加载开口谐振环前后S11曲线示意图；
图3-1是本发明实施例天线的正面结构示意图；
图3-2是本发明实施例天线的背面结构示意图；
图3-3是本发明实施例天线的解耦开口谐振环结构示意图；
图4-1是本发明实施例天线加载解耦开口谐振环前S11与S21曲线示意图；
图4-2是本发明实施例天线加载解耦开口谐振环后S11与S21曲线示意图；
图5-1是本发明实施例天线加载解耦SRR前3GHz方向图；
图5-2是本发明实施例天线加载解解耦SRR后3GHz方向图；
图6-1是本发明实施例天线加载解解耦SRR前10GHz方向图；
图6-2是本发明实施例天线加载解解耦SRR后10GHz方向图；
附图标号说明：1为辐射体；2为馈线；3为地板结构；4为介质基板；5为第二开口谐振环凹槽；6为第一开口谐振环凹槽；7为第一矩形金属贴片；8为第二矩形金属贴片；9为第三矩形金属贴片；10为地板间矩形槽；11为解耦开口谐振环。
具体实施方式
结合附图，对本发明作进一步的详细描述：
图1所示为本发明实施例单一天线单元结构示意图：该带陷UWB天线包括一个辐射体1(pl＝9.5mm，pw＝6.5mm，ss＝2.5mm)、馈线2(fl1＝4mm，fl2＝3.5mm，fw＝1mm)、地板(gw＝9mm，gl＝15.4mm)、介质基板(L＝36mm，W＝26mm)、第二开口谐振环凹槽5(HSR1＝3mm，HSR2＝3.8mm，HSR3＝0.5mm，槽宽0.2mm)、第一开口谐振环凹槽6(LSR1＝4.7mm，LSR2＝5mm，LSR3＝0.5mm，槽宽0.2mm)。辐射体1紧贴于厚度为1mm的FR4介质基板(长×宽＝30mm×15mm)的一面上，馈线2与辐射体1相连并处于同一平面上(fs＝10.4mm，fp＝2.5mm)。通过将辐射体1与馈线2相连，从而构成侧馈；同时辐射体1的矩形方槽(sl＝6mm，sw＝1mm)实现两个主要谐振频点，并使其在3.1～10.6GHz频段上均能实现小于-10dB的回波损耗。根据对应频段电场分布情况，在辐射体1上开槽构成第二开口谐振环凹槽5(s1＝0.2mm，s2＝0.6mm)，进而获得5.8GHz的WLAN频段的陷波功能。地板位于介质基板的另一面，在地板上开槽构成低频开口谐振环6(s3＝3.8mm，s4＝0.75mm)，从而获得3.55GHz的Wi-MAX频段的陷波功能。通过对比分析图2中加载前后回波损耗S11曲线可以得知，在加入开口谐振环陷波后在两个频段内陷波效果明显，对其它工作频段干扰较小。
图3为本发明实施例天线示意图，其结构为两个上述单一天线单元镜像对称设置，介质基板4(L＝36mm，W＝26mm)一侧沿中轴对称放置辐射体1(m＝13.2mm)。为改善端口隔离度在地板3中间开矩形槽10(sm1＝5.8mm)，通过延长地板上电流路径提高端口间隔离度。从图4-1可以看到，在组成双单元MIMO天线后，陷波结构功能依旧十分稳定，同时由于地板面积的增大，S11系数明显下降，表明天线的辐射性能得到了提升，同时在主要工作频段内互耦系数S21系数较低，说明天线单元间端口隔离度较好。
针对低频区间(3～3.5GHz频段)内较强的互耦作用，通过分析场分布情况，在矩形槽10上方并与辐射体1同一平面上增加解耦开口谐振环11(DC1＝9.6mm，DC2＝15.55mm，sw1＝4.9mm，sw2＝4.4mm，sw3＝0.2mm，a1＝0.4mm，a2＝a3＝0.3mm，a4＝0.85mm，b1＝0.6mm，b2＝3.2mm，b3＝1.5mm，b4＝0.5mm)以减弱低频耦合作用。对比图4-1与图4-2可以发现，在加入解耦开口谐振环11之后，在该低频区间内S21系数下降，端口隔离度得到了明显的提升，且不同于传统解耦方法，该解耦结构对相应频段天线辐射性能影响较小，整个工作频段天线S11系数下降，说明辐射性能得到了一定改善。同时对比图5-1与图5-2可以看出，加入解耦开口谐振环11后，在其谐振频段3GHz处虽有一定影响，但依旧保持较好的全向性；而在比较图6-1与图6-2可以得知，天线在10GHz处由于解耦开口谐振环11的引入增加了辐射路径，进而使天线的全向性得到了明显的改善。
相对于传统超宽带天线，该MIMO天线大小为26mm×36mm，其结构小型化特征明显。如图5所示，在加入解耦开口谐振环后，天线在低频段的辐射性能虽受到一定的影响，但依旧保持较好的全向性；同时从图6可以看出，解耦开口谐振环的加入使得天线在高频段的全向性得到了较为明显的改善。综上所述，本专利提出了一种便于加工和集成的超宽带天线，具有明显的优点：结构小型化、陷波功能稳定，不随天线单元数目增加变化、端口隔离度高、解耦结构对天线性能影响较小等。其设计方法可应用于其它多频及宽频天线设计中，为发展其它新型小型化天线提供新的思路。
Claims (4)
1.一种基于超构材料的小型化超宽带MIMO天线，天线整体沿轴线左右对称，包括矩形介质基板、镜像对称设置于矩形介质基板上的两个单元天线及设置于介质基板正面的解耦开口谐振环，所述单元天线包括设于介质基板正面的辐射体、馈线，设于介质基板背面的金属接地板，其特征在于所述两个单元天线的接地板为一个整体，接地板整体由三个相连的矩形金属贴片构成，其第一矩形金属贴片的两窄边、一长边位于介质基板的边界处，第二矩形金属贴片和第三矩形金属贴片平行设置且它们的一窄边与第一矩形金属贴片相连，另一窄边位于介质基板的边界处；所述第二矩形金属贴片和第三矩形金属贴片上还设有“凹”字形第一开口谐振环凹槽，开口位置朝向第一矩形金属贴片；所述解耦开口谐振环位于介质基板轴线，开口位置朝向第一矩形金属贴片，解耦开口谐振环为金属条构成，形状为在“凹”字形开口谐振环的两侧边对称向内凹进一个“T”形分支。
2.如权利要求1所述的一种基于超构材料的小型化超宽带MIMO天线，其特征在于所述两个单元天线的辐射体位于介质基板的两角，其正下方未覆盖有接地板；所述辐射体为“凹”字形金属贴片，其靠近所述第一矩形金属贴片一侧的凸起大于或等于另一侧凸起。
3.如权利要求1所述的一种基于超构材料的小型化超宽带MIMO天线，其特征在于所述辐射体内设有“凹”字形第二开口谐振环凹槽，开口方向背向第二矩形金属贴片及第三矩形金属贴片。
4.如权利要求1所述的一种基于超构材料的小型化超宽带MIMO天线，其特征在于所述馈线的一端位于介质基板的边，另一端与辐射体相连。
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