CN104882674A - 高隔离度双极化差分双频mimo天线 - Google Patents

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本发明公开了一种高隔离度双极化差分双频MIMO天线,包括介质基板,所述介质基板的其中一个面上设有贴片、地面以及四个分别与贴片连接的差分共面波导馈电端口,所述贴片上刻蚀有多个矩形缝隙,所述地面设置在贴片的周围,所述贴片和地面之间形成间隙;所述四个差分共面波导馈电端口形成两对相互正交的差分端口。本发明的MIMO天线采用结构简单的单层平面结构,并采用差分共面波导馈电,可以更容易与差分电路集成,两对差分馈电端口相互垂直放置,不仅可以实现双极化特性,而且可以实现极高的隔离度特性,整个天线具有设计简单,体积小,成本低,特性好的优点,还具有两个工作频段,可以应用在WiMAX/WLAN系统中。

Description

高隔离度双极化差分双频MIMO天线
技术领域
本发明涉及一种MIMO天线,尤其是一种高隔离度双极化差分双频MIMO天线,属于无线通信领域。
背景技术
随着无线通信技术的迅猛发展,通信系统对高速率、大容量和高可靠性的移动通信质量需求越来越强烈,而应用传统的通信技术很难满足这一需求。多输入多输出(multiple-input-multiple-output,MIMO)技术在一个通信系统中应用多个收发天线来发射和接收信号,可以有效的克服多径衰落效应并提高系统容量和可靠性。在MIMO天线的设计中,最关键紧要的一个问题就是如何使降低各个天线单元之间的耦合度。目前减小天线单元间耦合的主要方法有:EBG地板结构,解耦网络,地板缝隙,反射单元,地板分支和Neutralization线。以上的解耦方法仅适用于窄带工作带宽中,不适用于超宽带系统,大多数结构设计复杂,所实现的隔离度一般在20dB左右。
目前,射频电路通常采用差分技术传输信号,但是天线大多数被设计为单端口器件,不能直接与差分电路集成,通常需要采用巴伦把差分信号转换为单端口信号然后馈入天线。巴伦的使用会造成损耗,使系统效率降低,也增加了独立器件的数量,不利于系统高度集成和小型化。差分天线将天线设计为双端口形式,直接把差分信号馈进天线的两个端口,可以直接与差分电路集成,减少了巴伦器件的使用,提高系统效率。目前出现的MIMO天线中,只出现了一款采用差分馈电形式的,而且体积庞大,具有单个超宽带频段。另一方面,现在的短距离无线通信系统,如无线局域网(WirelessLocal Area Networks,WLAN)和全球微波互联接入(Worldwide Interoperability forMicrowave Access,WiMAX)系统,均有多个工作频段。WLAN工作在2.4GHz/5.2GHz/5.8GHz频段,WiMAX工作在2.5GHz/3.5GHz/5.5GHz频段,因此设计具有多个工作频段的天线非常具有竞争力。
据调查与了解,目前公开的现有技术如下:
1)2014年,Mao Chun Xu和Chu Qing Xin在“IEEE TRANSACTIONS ONANTENNAS AND PROPAGATION”发表题为“Compact Co-radiator UWB MIMOAntenna With Dual Polarization”的文章中,提出了一种共辐射体的双端口超宽带MIMO天线,天线的两个馈电端口共用一个辐射体进行馈电,大大减小了天线体积。并且两个端口相互正交,实现了双极化特性。天线在辐射体上刻蚀了T形缝隙,并且在地面上延伸了枝节,以此实现高隔离度。该天线工作在超宽带频段3GHz-11GHz,隔离度达到20dB。
2)2015年,He Huang和Ying Liu等人在“IEEE ANTENNAS AND WIRELESSPROPAGATION LETTERS”发表题为“Uniplanar Differentially Driven UltrawidebandPolarization Diversity Antenna With Band-Notched Characteristics”的文章中,提出了一种共缝隙的双端口超宽带MIMO天线,天线的两对差分馈电端口共同对一个宽缝隙进行馈电,两对差分馈电端口相互垂直放置,不仅获得了理论上无穷大的隔离度,也获得了双极化特性,但是天线的体积庞大。该天线工作在超宽带UWB频段3GHz-11GHz。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷,提供了一种高隔离度双极化差分双频MIMO天线,该MIMO天线具有设计简单,体积小,成本低,特性好的优点,可以应用在WiMAX/WLAN系统中。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到:
高隔离度双极化差分双频MIMO天线,包括介质基板,所述介质基板的其中一个面上设有贴片、地面以及四个分别与贴片连接的差分共面波导馈电端口,所述贴片上刻蚀有多个矩形缝隙,所述地面设置在贴片的周围,所述贴片和地面之间形成间隙;所述四个差分共面波导馈电端口形成两对相互正交的差分端口。
作为一种优选方案,所述贴片上刻蚀有四个矩形缝隙,所述四个矩形缝隙所在位置分别靠近贴片的四个边缘处。
作为一种优选方案,所述贴片为正方形贴片,所述四个差分共面波导馈电端口分别与正方形贴片的上侧、下侧、左侧和右侧连接。
作为一种优选方案,所述地面为环形地面。
作为一种优选方案,所述介质基板采用相对介电常数为4.4的介质基板。
作为一种优选方案,所述贴片、地面以及四个差分共面波导馈电端口均采用金属材料构成。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果:
1、本发明的MIMO天线克服了传统MIMO天线不易与差分电路集成的缺点,贴片和地面共同设置在介质基板的其中一个面上,形成结构简单的单层平面结构,并采用差分共面波导馈电,可以更容易与差分电路集成。
2、本发明的MIMO天线具有两对差分端口,两对差分端口不仅共用了中间的贴片,而且共用了地面,使得天线的结构紧凑,体积小。
3、本发明的MIMO天线的贴片上刻蚀有多个矩形缝隙(优选刻蚀有四个矩形缝隙),可以达到双频工作的目的;经过电磁仿真表明,具有两个工作频段(3.2GHz~3.8GHz和5.2GHz~5.7GHz),可以应用在WiMAX/WLAN系统中,而且整个天线结构简单,成本更低,加工更容易。
4、本发明的MIMO天线克服了传统MIMO天线去耦结构复杂、隔离度不好的缺点,两对差分馈电端口相互垂直放置,不仅可以实现双极化特性,而且两对差分馈电端口正好处于彼此的虚拟地面上,因此可以天然去除彼此的耦合,不需采用任何去耦合结构,就可以达到了55dB以上的隔离度。
附图说明
图1为本发明的高隔离度双极化差分双频MIMO天线结构示意图。
图2为本发明的高隔离度双极化差分双频MIMO天线的电磁仿真奇模反射系数曲线图。
图3为本发明的高隔离度双极化差分双频MIMO天线的电磁仿真隔离度曲线图。
其中,1-介质基板,2-贴片,3-地面,4-第一差分共面波导馈电端口,5-第二差分共面波导馈电端口,6-第三差分共面波导馈电端口,7-第四差分共面波导馈电端口,8-第一矩形缝隙,9-第二矩形缝隙,10-第三矩形缝隙,11-第四矩形缝隙,12-间隙。
具体实施方式
实施例1:
如图1所示,本实施例的高隔离度双极化差分双频MIMO天线包括介质基板1,该介质基板1的相对介电常数为4.4,本实施例利用介质基板1的单层平面进行设计,所述介质基板1的正面印制有贴片2、地面3以及四个与贴片2连接的差分共面波导馈电端口。
所述四个差分共面波导馈电端口分别为第一差分共面波导馈电端口4、第二差分共面波导馈电端口5、第三差分共面波导馈电端口6和第四差分共面波导馈电端口7,所述第一差分共面波导馈电端口4和第二差分共面波导馈电端口5形成一对差分端口A(含馈电口A+和A-),所述第三差分共面波导馈电端口6和第四差分共面波导馈电端口7形成一对差分端口B(含馈电口B+和B-),差分端口A和差分端口B相互正交,馈电口A+和A-分别馈入幅度相等、相位相反的差分信号,同理馈电口B+和B-也一样。
所述贴片2为正方形贴片,所述第一差分共面波导馈电端口4、第二差分共面波导馈电端口5、第三差分共面波导馈电端口6和第四差分共面波导馈电端口7分别与正方形贴片的上侧、下侧、左侧和右侧连接,正方形贴片上刻蚀有四个矩形缝隙,以达到双频工作的目的,四个矩形缝隙分别为第一矩形缝隙8、第二矩形缝隙9、第三矩形缝隙10和第四矩形缝隙11,所述第一矩形缝隙8、第二矩形缝隙9、第三矩形缝隙10和第四矩形缝隙11所在位置分别靠近贴片的四个边缘处。
所述地面3为环形地面,其设置在贴片2的周围,所述贴片2和地面3之间形成间隙12,天线通过该间隙12进行辐射;差分端口A和差分端口B不仅共用了中间的贴片2,而且共用了地面3,使得天线的结构紧凑,体积小。
由于天线完全对称,因此当差分端口A工作时,位于馈电口A+和馈电口A-的正中间会形成一条电压为0的“虚拟地面”L1,也就是馈电口B+和馈电口B-所在的面上,说明差分端口B不会有差分信号输出;同理,当差分端口B工作时,位于馈电口B+和馈电口B-的正中间会形成一条电压为0的“虚拟地面”L2,也就是馈电口A+和馈电口A-所在的面上,说明差分端口A不会有差分信号输出;因此,不用任何去耦合结构,差分端口A和差分端口B都可以形成极高的隔离度,而且理论上是无穷大的。由于差分端口A和差分端口B相互正交,因此当它们工作时,可以形成相互正交的双极化特性。
如图2所示的电磁仿真奇模反射系数曲线,天线的两个工作带宽为3.2GHz~3.8GHz和5.2GHz~5.7GHz(这两个频段内,奇模反射系数的值都小于-10dB),可以应用在WiMAX/WLAN系统中。
天线的两对差分端口A和差分端口B相互垂直放置在彼此的虚拟地面上,不仅形成了正交的双极化特性,而且也实现了极高的隔离度特性,如图3所示的电磁仿真隔离度曲线,在整个工作频带内,天线的隔离度达到了55dB以上,远高于普通MIMO天线单元间20dB的隔离度,这说明差分端口A和差分端口B可以独立工作,而不受彼此的影响。
上述贴片2、地面3以及四个差分共面波导馈电端口均采用金属材料构成,如铜等金属材料。
综上所述,本发明的MIMO天线采用结构简单的单层平面结构,并采用差分共面波导馈电,可以更容易与差分电路集成,两对差分馈电端口相互垂直放置,不仅可以实现双极化特性,而且可以实现极高的隔离度特性,整个天线具有设计简单,体积小,成本低,特性好的优点,还具有两个工作频段,可以应用在WiMAX/WLAN系统中。
以上所述,仅为本发明专利较佳的实施例,但本发明专利的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内,根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都属于本发明专利的保护范围。

Claims (6)

1.高隔离度双极化差分双频MIMO天线,包括介质基板,其特征在于:所述介质基板的其中一个面上设有贴片、地面以及四个分别与贴片连接的差分共面波导馈电端口,所述贴片上刻蚀有多个矩形缝隙,所述地面设置在贴片的周围,所述贴片和地面之间形成间隙;所述四个差分共面波导馈电端口形成两对相互正交的差分端口。
2.根据权利要求1所述的高隔离度双极化差分双频MIMO天线,其特征在于:所述贴片上刻蚀有四个矩形缝隙,所述四个矩形缝隙所在位置分别靠近贴片的四个边缘处。
3.根据权利要求1所述的高隔离度双极化差分双频MIMO天线,其特征在于:所述贴片为正方形贴片,所述四个差分共面波导馈电端口分别与正方形贴片的上侧、下侧、左侧和右侧连接。
4.根据权利要求1所述的高隔离度双极化差分双频MIMO天线,其特征在于:所述地面为环形地面。
5.根据权利要求1-4任一项所述的高隔离度双极化差分双频MIMO天线,其特征在于:所述介质基板采用相对介电常数为4.4的介质基板。
6.根据权利要求1-4任一项所述的高隔离度双极化差分双频MIMO天线,其特征在于:所述贴片、地面以及四个差分共面波导馈电端口均采用金属材料构成。
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