CN105244616A - 一种基于e形缝隙谐振器的低耦合天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于E形缝隙谐振器的低耦合天线，包括介质基片，介质基片的正面设置有多个带有基座的单极子天线，介质基片的背面设置有与基座相连的金属地板，位于相邻的两个单极子天线之间的金属地板上设置有一个缝隙开口朝上的E形缝隙。本发明能够显著减小了天线间的耦合，能够确保稳定的数据传输速率和传输质量；并且结构简单，满足小型化的设计要求。

Description

一种基于E形缝隙谐振器的低耦合天线

技术领域

本发明涉及电磁兼容与天线技术领域，尤其涉及一种基于E形缝隙谐振器的低耦合天线。

背景技术

多输入多输出(MultipleInputMultipleOutput,MIMO)无线通信技术能够极大地提高通信的数据传输速率和传输质量，而得到广泛的研究。在MIMO系统中，多天线单元布置于无线通信链路的终端用于获得更高的通信容量。然而，在无线终端中用于布置多天线的空间往往比较小，这样天线之间会产生很强的互耦，从而使天线的辐射特性恶化，最终影响系统的信道容量。

为了在紧凑布置的天线单元间获得高的隔离度是比较困难的，Tounou在减小天线单元互耦方面做了深入的研究。利用二分之一波长的缝隙减小天线之间在5GHz的互耦，与没有加缝隙的情况相比，天线之间的互耦减小了大约7dB。Chi-Yuk研究了利用四分之一波长的缝隙减小两个紧凑单极子天线之间的互耦。通过在天线之间引入一个13.5mm长的缝隙，天线间的互耦比没有加缝隙时，在中心频率3.5GHz处减小了大约6dB。Farahani等人发现利用EBG结构能够减小表面波的传输，从而可以减小辐射单元间的互耦。但是这会使天线系统的结构变的复杂，因为每个EBG单元都必须通过探针与地相连，同时EBG结构往往需要比较多的单元才能呈现比较好的效果，这给实际的应用带来了一定的问题。

在中国发明专利201410431364.5中公开了一种低耦合的双频印刷单极子天线阵，该天线包括介质基板、双频印刷单极子天线和缺陷地结构；所述缺陷地结构能产生高、低两个阻带频段，所述双频印刷单极子天线能产生高、低两个工作频段；缺陷地结构的高、低两个阻带频段与双频印刷单极子天线的高、低两个工作频段分别对应相同。该发明的天线阵具有双频工作能力，且在两个工作频率上都具有很低的耦合度；但是该发明的缺陷地结构比较复杂，无法满足手机天线等小型化设计的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中多天线之间会产生很强的互耦，且现有的减小多天线之间互耦的结构比较复杂的缺陷，提供一种结构简单，并且能显著降低多天线之间互耦的基于E形缝隙谐振器的低耦合天线。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种基于E形缝隙谐振器的低耦合天线，包括介质基片，所述介质基片的正面设置有多个带有基座的单极子天线，所述介质基片的背面设置有与所述基座相连的金属地板，位于相邻的两个单极子天线之间的所述金属地板上均设置有一个缝隙开口朝上的E形缝隙。

所述E形缝隙的谐振臂长度L₄的计算公式为：

$L_4=\frac{c}{4f\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_e}}$

其中，f为天线工作频段的中心频率，c为光速，ε_e的计算公式为：

${\mathrm{\ϵ}}_e=\frac{1}{2}\[{\mathrm{\ϵ}}_r+1+({\mathrm{\ϵ}}_r-1){\left(1+\frac{10t}{W_4}\right)}^{-1/2}\]$

其中，ε_r为介质基片的介电常数，t为所述介质基片的厚度，W₄为所述E形缝隙的臂宽

所述E形缝隙的谐振臂长度为天线工作频段的四分之一波长。

所述E形缝隙的中心轴线与相邻两个单极子天线的中心对称轴线重合。

所述单极子天线包括辐射结构和微带馈线，所述微带馈线的阻抗为50Ω。

每一个所述单极子天线的形状和尺寸均相同。

所述单极子天线等间距布置。

所述单极子天线工作于WLAN5.2/5.8GHz频段。

所述介质基片的正面设置有两个所述单极子天线。

所述E形缝隙包括三条竖缝，竖缝上端各自开口，底部相连。

本发明产生的有益效果是：本发明的基于E形缝隙谐振器的低耦合天线，通过在相邻两个单极子天线之间的金属地板上设置具有多谐振臂特性的E形缝隙，利用其谐振特性阻断天线间的电流传输，从而显著减小了天线间的耦合，能够确保稳定的数据传输速率和传输质量；并且结构简单，满足小型化的设计要求。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的基于E形缝隙谐振器的低耦合天线的正面结构示意图；

图2是本发明实施例的基于E形缝隙谐振器的低耦合天线的背面结构示意图；

图3是未使用E形缝隙谐振器的单极子天线的背面结构示意图；

图4是本发明实施例的基于E形缝隙谐振器的低耦合天线的单极子天线的尺寸示意图；

图5是本发明实施例的基于E形缝隙谐振器的低耦合天线的E形缝隙的尺寸示意图；

图6是本发明实施例的未加E形缝隙谐振器天线的仿真与测试S参数曲线；

图7是本发明实施例的加有E形缝隙谐振器天线的仿真与测试S参数曲线；

图8是本发明实施例的对基于E形缝隙谐振器的低耦合天线样品进行方向图测试的方向图；

图中1-介质基片，2-单极子天线，3-金属地板，4-E形缝隙，5-基座，6-谐振臂。

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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例的基于E形缝隙谐振器的低耦合天线，包括介质基片1，介质基片1的正面设置有多个带有基座5的单极子天线2，每个单极子天线2的形状和尺寸均相同，且等间距布置；单极子天线2包括上部的辐射结构和下部的微带馈线，微带馈线的阻抗为50Ω，单极子天线2工作于WLAN5.2/5.8GHz频段。

如图2所示，介质基片1的背面设置有与基座5相连的金属地板3，位于相邻的两个单极子天线2之间的金属地板3上均设置有一个缝隙开口朝上的E形缝隙4。该E形缝隙4的谐振臂6长度为天线工作频段的四分之一波长，E形缝隙4的中心轴线与相邻两个单极子天线2的中心对称轴线重合，E形缝隙4包括三条竖缝，竖缝上端各自开口，底部相连。如图3所示，是没有使用E形缝隙谐振器的单极子天线的背面结构示意图。

如图4所示，是本发明的另一个实施例中设计有E形缝隙谐振器的MIMO系统的天线结构模型，由两个单极子天线和E形缝隙谐振器构成。单极子天线印制于介质基片上，基片的相对介电常数为ε_r，损耗正切为tanδ。基片的厚度为t。两个单极子天线间距为L，且两者具有相同的尺寸。单极子天线分为上下两部分，上部分为天线的辐射结构，其宽度为W₁，长度为L₁。通过调节单极子天线辐射结构的宽度W₁和长度L₁，使天线工作于WLAN5.2/5.8GHz频段。单极子天线的下部分是特性阻抗为50Ω的微带馈线，线宽为W₂，线长为L₂。

如图5所示，单极子天线的背面为金属地板宽度为W₃，长度为L₃。在两个单极子天线之间的金属地板区域内设计E形缝隙谐振器，E形缝隙的臂宽为W₄、长度为L₄、臂与臂之间的间距为t。E形缝隙谐振器产生的谐振阻断了两个单极子天线间的电流的传输，从而减小天线间的耦合。通过改变臂长L₄，调节E形缝隙的谐振频率，进而调节天线间耦合最小值在天线工作频带内的变动。通过调节E形缝隙谐振器的臂宽W₄和臂间距t，使天线在整个WLAN5.2/5.8GHz频段内具有较小的天线间耦合。

E形缝隙谐振器为了阻断天线间的地电流传播，从而减小天线间互耦，E形缝隙谐振器的臂长L₄有如下关系：

$L_4=\frac{c}{4f\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_e}}$

其中，f为天线工作频段的中心频率，c为光速，ε_e的计算公式为：

${\mathrm{\ϵ}}_e=\frac{1}{2}\[{\mathrm{\ϵ}}_r+1+({\mathrm{\ϵ}}_r-1){\left(1+\frac{10t}{W_4}\right)}^{-1/2}\]$

其中，ε_r为介质基片的介电常数，t为介质基片的厚度，W₄为E形缝隙谐振器的臂宽。考虑两天线间距较小，同时E形缝隙谐振器尺寸较大，因此E形缝隙谐振器臂宽一般取为1mm左右。相邻两臂的间距，可通过仿真分析软件优化分析获得。

天线印刷于介质基片上，基片的相对介电常数为ε_r＝4.4，基片厚度为t＝1mm。两个单极子天线具有相同的尺寸，单极子天线分为上下两部分。单极子天线上部分为天线的辐射结构，通过调节单极子天线辐射结构的宽度和长度，使天线工作于WLAN5.2/5.8GHz频段；单极子天线的下部分是特性阻抗为50Ω的微带馈线。单极子天线的背面为金属地板，在两个单极子天线之间的金属地板区域内设计E形缝隙谐振器，阻断单极子天线间地电流的传输，从而减小天线间的耦合。通过优化E形缝隙谐振器的尺寸，该天线在整个工作频带内具有良好的性能。具有E形缝隙谐振器的天线优化参数为：L＝16mm，W₁＝3mm，L₁＝8.5mm，W₂＝1.86mm，L₂＝11mm，W₃＝10mm，L₃＝36mm，W₄＝0.8mm，L₄＝7.5mm，d＝5mm。

按照该参数，制作了一个具有E形缝隙谐振器的MIMO系统的天线样品。对该样品进行S参数测试的结果如图6和图7所示，并与仿真结果进行比较。未加E形缝隙谐振器天线的仿真与测试S参数曲线如图6所示，可以看出，测试10dB阻抗带宽为20％(4.95GHz～6.05GHz)，在10dB阻抗带宽频段内，天线的互耦大约为-11.5dB。在频点5.2和5.8GHz，天线的互耦分别为-11.9和-11.7dB。如图7所示，给出了加有E形缝隙谐振器天线的仿真与测试S参数曲线，在相同的阻抗带宽内，天线的互耦比未加E形缝隙时有了明显减小，在频点5.2和5.8GHz，天线的互耦分别为-27.2和-31.1dB。最小的互耦在频点5.89GHz，其值为-31.9dB，比未加E形缝隙时减小了20.1dB。

对样品进行方向图测试，测试的5.2GHz方向图如图8所示。从图中可以看出，设计的具有E形缝隙谐振器的天线在yz面方向图不对称，这主要是因为单极子的地板相对于单极子不对称所造成的。在xy面(水平面)具有全向方向图。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于E形缝隙谐振器的低耦合天线，包括介质基片(1)，所述介质基片(1)的正面设置有多个带有基座(5)的单极子天线(2)，其特征在于，所述介质基片(1)的背面设置有与所述基座(5)相连的金属地板(3)，位于相邻的两个单极子天线(2)之间的所述金属地板(3)上均设置有一个缝隙开口朝上的E形缝隙(4)。

2.根据权利要求1所述的基于E形缝隙谐振器的低耦合天线，其特征在于，所述E形缝隙(4)的谐振臂长度L₄的计算公式为：

$L_4=\frac{c}{4f\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_e}}$

其中，f为天线工作频段的中心频率，c为光速，ε_e的计算公式为：

${\mathrm{\ϵ}}_e=\frac{1}{2}\[{\mathrm{\ϵ}}_r+1+({\mathrm{\ϵ}}_r-1){(1+\frac{10t}{W_4})}^{-1/2}\]$

其中，ε_r为介质基片的介电常数，t为所述介质基片(1)的厚度，W₄为所述E形缝隙(4)的臂宽。

3.根据权利要求1所述的基于E形缝隙谐振器的低耦合天线，其特征在于，所述E形缝隙(4)的谐振臂(6)长度为天线工作频段的四分之一波长。

4.根据权利要求1所述的基于E形缝隙谐振器的低耦合天线，其特征在于，所述E形缝隙(4)的中心轴线与相邻两个单极子天线(2)的中心对称轴线重合。

5.根据权利要求1所述的基于E形缝隙谐振器的低耦合天线，其特征在于，所述单极子天线(2)包括辐射结构和微带馈线，所述微带馈线的阻抗为50Ω。

6.根据权利要求1所述的基于E形缝隙谐振器的低耦合天线，其特征在于，每一个所述单极子天线(2)的形状和尺寸均相同。

7.根据权利要求1所述的基于E形缝隙谐振器的低耦合天线，其特征在于，所述单极子天线(2)等间距布置。

8.根据权利要求1所述的基于E形缝隙谐振器的低耦合天线，其特征在于，所述单极子天线(2)工作于WLAN5.2/5.8GHz频段。

9.根据权利要求1所述的基于E形缝隙谐振器的低耦合天线，其特征在于，所述介质基片(1)的正面设置有两个所述单极子天线(2)。

10.根据权利要求1所述的基于E形缝隙谐振器的低耦合天线，其特征在于，所述E形缝隙(4)包括三条竖缝，竖缝上端各自开口，底部相连。