CN105048077B

CN105048077B - 双三角形槽内嵌共面波导单极子多进多出天线

Info

Publication number: CN105048077B
Application number: CN201510328477.7A
Authority: CN
Inventors: 周建华; 张开爽; 游佰强; 陈楠; 李伟文
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2015-06-15
Filing date: 2015-06-15
Publication date: 2017-12-15
Anticipated expiration: 2035-06-15
Also published as: CN105048077A

Abstract

双三角形槽内嵌共面波导单极子多进多出天线，涉及多进多出天线。设有介质基板、辐射单极子、上下表面良导体层；上表面良导体层设有2个等腰三角形槽，2个等腰三角形槽同中心线并呈对角180度反向分布，辐射单极子内嵌于下部等腰三角形槽中，辐射单极子设有上部较窄的矩形贴片和下部较宽的矩形贴片，在辐射单极子两侧边设有2个结构相同左右对称分布的渐变缝隙槽，渐变缝隙槽由下部等腰三角形槽底边沿通至上表面良导体层底边沿，渐变缝隙槽包括上部的较宽矩形槽和下部的较窄矩形槽；在下表面良导体层上设有水平方向渐变微带线，渐变微带线由介质基板侧边沿水平向内延伸，渐变微带线也设有较宽的矩形贴片和较窄的矩形贴片。

Description

双三角形槽内嵌共面波导单极子多进多出天线

技术领域

本发明涉及一种多进多出(MIMO)天线，尤其涉及一种利用单极子与三角形正交特征模式电流激励实现双馈高隔离度在无线局域网(WLAN)上应用的沙漏状渐变耦合双三角形槽内嵌共面波导单极子MIMO天线。

背景技术

MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技术作为新一代通信系统中的重要应用，可以在不占用额外频谱带宽及不增加发射功率的前提下，最大化的利用空间无线传播系统的不相关子信道来传输不同的信息流。这将使得无线系统的信道容量得到成倍的增长，进而提高了无线通信系统的信息传输速率，故高隔离度天线的设计也成为技术发展的核心。

MIMO天线系统是多个天线单元或者端口之间的相互协作，天线数量和单元间距又是相互制约，两者均为天线系统设计的关键参数。而现代无线终端设备集成需要设计单元天线尺寸和间距足够小，此外，天线数量的增加也势必会影响单元天线之间的互耦效应和相关性，小间距产生的高耦合效应会损害通信系统的容量等性能。但是，传统MIMO天线的设计，是通过加载去耦网络或者寄生单元实现天线去耦去相关性，这种技术增加了天线结构复杂性，而且引入的去耦枝节和寄生单元对自身谐振也有影响。因此，设计利用天线单元母体本身特殊结构去耦去相关性，来实现天线端口所需要的高隔离度性能，加载的特殊结构也可作为谐振体减小天线电尺寸，是研究和发展MIMO天线技术的重要思路。

发明内容

本发明的目的在于克服目前MIMO天线在实现单元或端口隔离结构方面的缺陷，重点解决在不增加额外去耦网络电路和不加载寄生单元的基础上，利用天线单元母体本身特殊结构去耦去相关性，以实现无线通信应用系统对MIMO天线的高隔离度端口性能要求，提供一种具有较好的极化分集性能，有效拓展工作频带，还可继续优化实现超宽带(UWB)系统的沙漏状渐变耦合双三角形槽内嵌共面波导单极子MIMO天线。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明设有介质基板、辐射单极子、设于介质基板上的上表面良导体层和下表面良导体层；上表面良导体层设有上部和下部2个等腰三角形槽，上部等腰三角形槽为小等腰三角形槽，下部等腰三角形槽为大等腰三角形槽，2个等腰三角形槽同中心线，2个等腰三角形槽为呈左右对称的沙漏状渐变耦合双三角形槽，2个等腰三角形槽为呈对角180度反向分布，上下两个三角形槽之间由细长缝隙连接，辐射单极子内嵌于下部等腰三角形槽中，辐射单极子设有上部较窄的矩形贴片和下部较宽的矩形贴片，其中较窄的矩形贴片为单极子辐射臂，较宽的矩形贴片为微带馈电结构，在辐射单极子两侧边设有2个结构相同左右对称分布的阶梯缝隙槽，阶梯缝隙槽由下部等腰三角形槽底边沿通至上表面良导体层底边沿，阶梯缝隙槽包括上部的较宽矩形槽和下部的较窄矩形槽；在位于小三角形槽下方的下表面良导体层上设有水平方向阶梯微带线，阶梯微带线由介质基板侧边沿水平向内延伸，阶梯微带线也设有较宽的矩形贴片和较窄的矩形贴片。

所述介质基板可采用FR4介质基板，所述介质基板的介电常数可为4.0～5.0，最好为 4.4±5％。所述介质基板为矩形结构，其尺寸可为：长度50.0～55.0mm，宽度35.0～40.0mm，厚度1.5～2.0mm。

所述细长缝隙为矩形缝隙，其尺寸可为：长度1.0～3.0mm，宽度0.5～1.5mm。

所述上部等腰三角形槽的底边长度为6.0～8.5mm，腰边长度为7.0～9.5mm；下部等腰三角形槽的底边长度为23.0～26.0mm，腰边长度为18.0～22.0mm。2个等腰三角形槽的各边长均可调，通过调节边长值可控制天线电特性。

所述辐射单极子的上部较窄的矩形贴片的长度为15.0～19.0mm，宽度为1.0～3.0mm。下部较宽的矩形贴片21的长度为12.0～15.0mm，宽度为2.0～4.0mm。

所述阶梯缝隙槽的尺寸可为：上部的较宽矩形槽的长度为11.0～14.0mm，宽度为0.1～ 0.5m；下部的较窄矩形槽的长度为8.0～10.0mm，宽度为2.0～4.0mm。阶梯缝隙槽的长度、宽度可调，通过调节精确实现第二端口单极子所需阻抗匹配。

所述阶梯微带线的较宽的矩形贴片尺寸可为：长度4.0～6.0mm，宽度2.0～4.0mm；所述阶梯微带线的较窄的矩形贴片尺寸可为：长度17.0～21.0mm，宽度0.2～1.0mm。所述阶梯矩形微带的长度和宽度可调，通过调节精确实现第二端口小三角形槽谐振所需阻抗匹配。

与现有技术比较，本发明的有益效果如下：

本发明的辐射单极子部分作为第一端口，阶梯微带线部分作为第二端口。在第一端口共面波导馈电单极子外围三角形槽状接地板部分加载耦合小三角形槽，作为第二端口谐振主体，形成2个物理间距较大的正交馈电端口，其中第一端口作为共面波导单极子馈电端口，第二端口作为三角形槽馈电端口。天线结构简单巧妙，利用第一端口共面波导单极子接地板部分作为第二端口激励的加载体，在第二端口部分结合缝隙耦合和三角形槽谐振技术，以及利用特殊的临近耦合馈电方式激励，从而利用单元天线母体本身实现去耦和去相关性。天线辐射场有互补效应，具有较好的极化分集性能。互耦槽状结构的加载有效地拓展了工作频带，也可继续优化实现超宽带(UWB)系统的MIMO天线。下部等腰三角形槽所设开口槽的长度、宽度可调，通过调节精确实现第二端口单极子所需阻抗匹配。

本发明克服了目前MIMO天线在实现单元或端口隔离结构方面的缺陷，拟重点解决在不增加额外去耦网络电路和不加载寄生单元的基础上，利用天线单元母体本身特殊结构去耦去相关性，以实现无线通信应用系统对MIMO天线的高隔离度端口性能要求。本发明天线巧妙利用第一端口共面波导单极子接地板部分作为第二端口激励的加载体，使天线尺寸大大减小，在第二端口处采用特殊临近耦合馈电方式激励，不仅改善了天线的电性能，也使天线的现实应用性大大加强，实现了天线性能和结构的双重创新。

附图说明

图1为本发明实施例的整体结构示意图之一。

图2为本发明实施例的整体结构示意图之二。

图3为本发明实施例的上表面良导体层结构示意图。

图4为本发明实施例的下表面良导体层结构示意图。

图5为本发明实施例的回波损耗(S₁₁、S₂₂)和端口隔离损耗(S₂₁)性能图。图5中的横坐标表示频率(GHz)，纵坐标表示损耗强度(dB)。

图6为本发明实施例第一端口单极子激励的E面和H面方向图。在图6中，坐标为极坐标。

图7为本发明实施例第二端口小三角形槽激励的E面和H面方向图。在图7中，坐标为极坐标。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

本发明所述沙漏状渐变耦合双三角形槽和带阶梯缝隙槽共面波导馈电的单极子辐射臂，所述左右对称的沙漏状渐变耦合双等腰三角形，上下等腰三角形呈180度反对称分布，细头由细长矩形缝隙连接。下部等腰大三角形槽内嵌阶梯矩形单极子辐射臂，所述特定辐射频率为2.40～2.50GHz，臂的下方两边各自带有矩形微带贴片，构成第一端口共面波导激励的单极子接地板部分。利用第一端口共面波导的接地板部分，即单极子正上方开槽形成上部等腰小三角形槽，构成第二端口谐振主体。在小三角形槽下方介质基板背面加载水平方向阶梯微带线，对第二端口小三角形槽进行临近耦合馈电激励。

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明。

参见图1～4，本发明实施例设有介质基板1、辐射单极子2、上表面良导体层3和下表面良导体层4。介质基板1的介电常数为4.4，长度为51.7mm±0.2mm，宽度为38.4mm±0.2mm，厚度为1.6mm±0.05mm。上表面良导体层3设有上下2个等腰三角形槽31和32，2个等腰三角形槽31和32同中心线，2个等腰三角形槽31和32为呈左右对称的沙漏状渐变耦合双三角形槽，2个等腰三角形槽31和32为呈对角180度反向分布。其中小三角形槽31的底边长度为6.9±0.2mm，腰长度为7.9±0.2mm；大三角形槽32底边长度为24.7±0.3mm，腰长度为20.3±0.3mm。上下两个三角形31和32之间细头由细长缝隙33连接，细长缝隙33 的长度为1.9±0.2mm，宽度为1.0±0.2mm，细长缝隙33也用于第二端口特殊的临近馈电的耦合部分。上表面良导体层3设有带有互耦的MIMO天线的矩形阶梯单极子辐射臂，其中较窄的矩形贴片为单极子辐射臂22，单极子辐射臂22的长度为17.6±0.3mm，宽度为2.0±0.1 mm；较宽的矩形贴片为微带馈电结构21，微带馈电结构21的长度为13.2±0.3mm，宽度为 3.2±0.1mm。在阶梯单极子辐射臂两边设有2个结构相同左右对称分布的阶梯缝隙槽34和35，阶梯缝隙槽34上部矩形槽部分的长度为8.8±0.2mm，宽度为3.0±0.1mm，阶梯缝隙槽34下部矩形缝隙部分的长度为13.2±0.2mm，宽度为0.2±0.02mm。在位于小三角形槽31下方的下表面良导体层4上设有水平方向阶梯微带线，阶梯微带线由介质基板1侧边沿水平向内延伸，包括阶梯微带馈电结构41和阶梯微带馈电结构42，对第二端口小三角形槽31进行临近耦合馈电激励，阶梯微带馈电结构41的长度为5.0±0.2mm，宽度为3.2±0.1mm；阶梯微带馈电结构42长度为19.2±0.2mm，宽度为0.6±0.02mm。

参见图5，图5为回波损耗(S₁₁、S₂₂)和端口隔离损耗(S₂₁)性能图(天线阻抗频率特性曲线图)。由图5中可见，共面波导第一端口的-10dB阻抗带宽范围为2.28～2.61GHz(相对带宽为14％)，临近微带馈电端口41的-20dB阻抗带宽范围为1.95～3.11GHz(相对带宽为48％)。在2.4～2.5GHz的WLAN工作频带内，S₂₂的模值都小于-30dB。

参见图6，图6为本发明实施例第一端口单极子激励的E面和H面方向图。

参见图7，图7为本发明实施例第二端口小三角形槽激励的E面和H面方向图。

Claims

1.双三角形槽内嵌共面波导单极子多进多出天线，其特征在于，设有介质基板、辐射单极子、设于介质基板上的上表面良导体层和下表面良导体层；上表面良导体层设有上部和下部2个等腰三角形槽，上部等腰三角形槽为小等腰三角形槽，下部等腰三角形槽为大等腰三角形槽，2个等腰三角形槽同中心线，2个等腰三角形槽为呈左右对称的沙漏状渐变耦合双三角形槽，2个等腰三角形槽为呈对角180度反向分布，上下两个三角形槽之间由细长缝隙连接，辐射单极子内嵌于下部等腰三角形槽中，辐射单极子设有上部较窄的矩形贴片和下部较宽的矩形贴片，其中较窄的矩形贴片为单极子辐射臂，较宽的矩形贴片为微带馈电结构，在辐射单极子两侧边设有2个结构相同左右对称分布的阶梯缝隙槽，阶梯缝隙槽由下部等腰三角形槽底边沿通至上表面良导体层底边沿，阶梯缝隙槽包括上部的较宽矩形槽和下部的较窄矩形槽，在位于小三角形槽下方的下表面良导体层上设有水平方向阶梯微带线，阶梯微带线由介质基板侧边沿水平向内延伸，阶梯微带线也设有较宽的矩形贴片和较窄的矩形贴片。

2.如权利要求1所述双三角形槽内嵌共面波导单极子多进多出天线，其特征在于，所述介质基板采用FR4介质基板，所述介质基板的介电常数为4.0～5.0。

3.如权利要求2所述双三角形槽内嵌共面波导单极子多进多出天线，其特征在于，所述介质基板的介电常数为4.4±5％。

4.如权利要求1所述双三角形槽内嵌共面波导单极子多进多出天线，其特征在于，所述介质基板为矩形结构，其尺寸为：长度50.0～55.0mm，宽度35.0～40.0mm，厚度1.5～2.0mm。

5.如权利要求1所述双三角形槽内嵌共面波导单极子多进多出天线，其特征在于，所述细长缝隙为矩形缝隙，其尺寸为：长度1.0～3.0mm，宽度0.5～1.5mm。

6.如权利要求1所述双三角形槽内嵌共面波导单极子多进多出天线，其特征在于，所述上部等腰三角形槽的底边长度为6.0～8.5mm，腰边长度为7.0～9.5mm；下部等腰三角形槽的底边长度为23.0～26.0mm，腰边长度为18.0～22.0mm。

7.如权利要求1所述双三角形槽内嵌共面波导单极子多进多出天线，其特征在于，所述辐射单极子的上部较窄的矩形贴片的长度为15.0～19.0mm，宽度为1.0～3.0mm；下部较宽的矩形贴片21的长度为12.0～15.0mm，宽度为2.0～4.0mm。

8.如权利要求1所述双三角形槽内嵌共面波导单极子多进多出天线，其特征在于，所述阶梯缝隙槽的尺寸为：上部的较宽矩形槽的长度为11.0～14.0mm，宽度为0.1～0.5m；下部的较窄矩形槽的长度为8.0～10.0mm，宽度为2.0～4.0mm。

9.如权利要求1所述双三角形槽内嵌共面波导单极子多进多出天线，其特征在于，所述阶梯微带线的较宽的矩形贴片尺寸为：长度4.0～6.0mm，宽度2.0～4.0mm；阶梯微带线的较窄的矩形贴片尺寸为：长度17.0～21.0mm，宽度0.2～1.0mm。