CN104538731A - 一种多频高隔离度mimo天线 - Google Patents

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胡昊
路志刚
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Abstract

本发明提供了一种多频高隔离度MIMO天线，属于天线技术领域。旨在改善传统的MIMO天线存在隔离度差、频带单一、尺寸大的问题。本发明天线包括：矩形介质基板，设于介质基板上的两单元天线，两单元天线镜像对称且正交设置，两单元天线间具有较高的隔离度，每个单元天线都能独立工作，且具有良好的辐射特性；辐射体为E字型金属贴片，其纵向枝节设有矩形槽，矩形槽使得天线产生多频谐振，能工作在WLAN的三个频段上。本发明同时具有了低互耦、结构紧凑、低成本等优点，在保证天线阻抗带宽宽的同时实现了小型化的设计以及具有良好的辐射特性。天线采用微带馈电的方式，易于集成在微波平面电路中，并且完美覆盖WLAN的所有波段，适用于小型移动设备。

Description

一种多频高隔离度MIMO天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种多频高隔离度MIMO(多输入多输出)天线。
背景技术
传统的无线通信系统已不足以满足新一代无线通信系统的大容量、高速率与高可靠性的需求，面对频谱资源有限这一客观事实，如何实现更高的频谱利用率已成为当今无线通信领域新技术发展中迫切需要解决的问题。研究表明，使用MIMO技术能够有效利用空间资源，在不增加系统带宽和发射机总功率以及天线容量的情况下，利用多径衰落，成倍的提高系统的频谱利用率和通信系统的容量，它是未来高速数据传输的最具前景的技术之一。MIMO即多输入多输出，是一种描述多天线无线通信系统的抽象数学模型，能利用发射端的多个天线各自独立发送信号，同时在接收端用多个天线接收并恢复原信号，利用多天线来抑制信道衰落。传统的无线通信系统通常仅采用一个发射天线和一个接收天线，即SISO(单输入单输出)系统，其信道容量受到香农定理的限制，频谱利用率也相对较低。MIMO技术的诸多优点使其被认为是新一代宽带无线通信系统中的革命性技术。
然而MIMO天线普遍存在隔离度差、频带单一、尺寸大的问题，这大大限制了MIMO技术在无线通信领域中的应用。实现良好辐射性能、高隔离度、小型化、宽带化的天线单元是MIMO天线的设计重点和难点。在移动通信系统中，研究多个系统共用的多频天线可以覆盖更多频段，降低天线间的干扰，节约成本，随着移动通信技术的发展，多频高隔离度的MIMO天线的研究将具有重要的理论意义和实际应用价值。
2012年宁舒曼提出了“一种双频天线”(专利申请号CN201210246606.4；申请公布日：2012.11.14；发明人：宁舒曼)，该双频天线如图1所示，包括基板，所述基板上设置有带两个谐振频率不同的辐射单元的金属辐射体、微带馈线和基板背面的接地板，所述金属辐射体和外围射频电路通过微带馈线外围电路连接。该天线结构简单，易于加工，但是该天线没有覆盖WLAN(无线局域网络)的所有频段，并且采用传统的单输出设计，通信容量有限制。
发明内容
本发明提供了一种多频高隔离度MIMO天线，旨在改善传统的MIMO天线存在隔离度差、频带单一、尺寸大的问题，并且该天线可以完美覆盖WLAN所有波段。
本发明所采用的技术方案是：一种多频高隔离度MIMO天线，包括：矩形介质基板，设于介质基板上的两单元天线，其特征在于：所述两单元天线镜像对称且正交设置，两单元天线具有较高的隔离度，每个单元天线都能独立工作，且具有良好的辐射特性；
所述单元天线包括设于介质基板正面的辐射体、微带馈线，设于介质基板背面的接地板；
所述辐射体为E字型金属贴片，其纵向枝节设有两相互平行的矩形槽，矩形槽使得天线产生多频谐振，能工作在WLAN的三个频段上；
所述微带馈线为一矩形金属贴片，其一端为馈电端口，位于介质基板的边沿，另一端连接辐射体的下端；
所述接地板为矩形金属贴片，两单元天线的地板互相垂直、且两地板的一长边均位于介质基板的边，该地板可以与电路系统共用。
本发明的一种多频高隔离度MIMO天线，具有以下优点：
1、本发明同时具有了低互耦、结构紧凑、低成本等优点。
2、在保证天线阻抗带宽宽的同时实现了小型化的设计以及具有良好的辐射特性。
3、两个单元天线镜像对称且正交放置组成的MIMO天线阵列获得了较高的隔离度，且两单元天线具有良好的辐射特性。
4、天线采用微带馈电的方式，易于集成在微波平面电路中，并且完美覆盖WLAN的所有波段，适用于小型移动设备。
本发明引入槽加载技术使天线产生多频特性，并将两个天线单元正交放置，增强了天线单元之间的隔离度。因此，本发明能够有效改善传统的MIMO天线存在隔离度差、频带单一、尺寸大的问题。
附图说明
图1是背景技术一种双频天线结构示意图；
图2是本发明实施例天线的正面结构示意图；
图3是本发明实施例天线的背面结构示意图；
图4是单元天线5.2GHz和5.8GHz的谐振电流路径示意图；
图5是天线的S11(回波损耗)实测图与仿真图的对比；
图6是天线的S21(隔离度)实测图与仿真图的对比；
图7是两个天线单元间的相关性系数。
图中标记说明：介质基板1、第一辐射体2a和第二辐射体2b、第一微带馈线3a和第二微带馈线3b、第一矩形槽4a和第二矩形槽4b、第一金属地5a和第二金属地5b；5.8GHz处的谐振电流的路径(A)、5.2GHz的谐振电流的路径(B)。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。本实施例天线采用的介质基板(1)是Rogers5880(tm)，基板尺寸为a×b，厚度为h，其中a＝38mm，b＝70mm，h＝0.508mm。工作在WLAN频段，天线采用微带馈电的方式，第一微带馈线(3a)和第二微带馈线(3b)的长度L1＝10mm，宽度W3＝2mm。
本实施例中的第一辐射体(2a)第二辐射体(2b)为平面微带金属贴片，两个辐射体分别位于介质基板(1)上的左右两侧且相互垂直放置，两辐射体的尺寸大小一致，如图2所示，天线单元的最小间距为d＝7.5mm。E型辐射体的横向枝节为调谐分支，作用是调节2.4GHz处的阻抗带宽，其中中间横向枝节长度为Le1＝6.2mm，两端横向枝节长度为Le2＝10.35mm。
本实施例中两个单元天线尺寸大小一致，以左侧天线单元为例分析槽加载技术，右侧天线单元可以等同分析，在此不做赘述。E型辐射体的纵向枝节上开有两条矩形槽(4a)和(4b)，左侧第一矩形槽(4a)的长度为Lp-W5，右侧第二矩形槽(4b)的长度为Lp-W4，其中Lp＝28mm，W4＝7.6mm，W5＝5.4mm。第一矩形槽的长度主要会影响5.2GHz的谐振频率，第二矩形槽的长度主要会影响5.8GHz的谐振频率。图4给出了5.2GHz的谐振电流的路径(B)和5.8GHz处的谐振电流的路径(A)。所加载的槽，使得天线产生新的谐振频率，一般选取槽的长度为λg/4的奇数倍(λg：介质中的波长)，结合天线自身尺寸，本实施例选取3λg1/4作为5.2GHz谐振电流的长度，选取3λg2/4作为5.8GHz谐振电流的长度。可以根据式1-1求出具体参数，从而确定槽的尺寸和位置，通过合理的调整两个槽的参数尺寸，使得天线在5.2GHz和5.8GHz处产生谐振，其中Wr＝1.85mm，Ws1＝1.5mm，S＝1mm，Ws2＝1mm。
2×(Ws1+Ws2)+2×(Wr+S)+Lp≌3λg1/4    (1-1)
2×(Ws2+S+Wr)+Lp≌3λg2/4
本实施例中两个单元天线正交放置，利用垂直极化方式增加天线单元隔离度，无需引入去耦网络或寄生单元，简化了天线设计。
本实施例中的地板分别位于基板底部的左右两侧，并且垂直放置，基板尺寸为Wg×a，其中Wg＝10mm，a＝38mm，地板金属材料选用的是铜，厚度为0.035mm，该地板可以与电路系统共用。
图5是本实施例天线S11的实测图与仿真图，可以看出天线能工作在三个频段，实现多频覆盖，图6是本实施例天线S21的实测图与仿真图的对比，可以看到，在2.4/5.2/5.8GHz处天线的隔离度是小于-20dB的，较好的满足了设计要求。图7所示，在2.4GHz、5.2GHz、5.8GHz处，两个天线单元的相关性系数小于0.03，表明天线端口隔离度较好，尤其是在低频部分，天线单元之间具有很低的相关性、高隔离度。
需要说明，本发明所述不单单限于WLAN频段，可以通过适当调整槽的尺寸，覆盖WiMAX频段。

Claims (2)

1.一种多频高隔离度MIMO天线，包括：矩形介质基板，设于介质基板上的两单元天线，其特征在于：所述两单元天线镜像对称且正交设置；所述单元天线包括设于介质基板正面的辐射体、微带馈线，设于介质基板背面的接地板；
所述辐射体为E字型金属贴片，其纵向枝节设有两相互平行的矩形槽；
所述微带馈线为一矩形金属贴片，其一端为馈电端口，位于介质基板的边沿，另一端连接辐射体的下端；
所述接地板为矩形金属贴片，两单元天线的地板互相垂直、且两地板的一长边均位于介质基板的边。
2.如权利要求1所述的一种多频高隔离度MIMO天线，其特征在于：所述两矩形槽的长度为谐振频率对应波长的四分之三。
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