CN105406182B

CN105406182B - 一种陷波带宽可控的uwb mimo天线

Info

Publication number: CN105406182B
Application number: CN201510889869.0A
Authority: CN
Inventors: 黄惠芬; 肖书光
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2015-12-04
Filing date: 2015-12-04
Publication date: 2018-10-09
Anticipated expiration: 2035-12-04
Also published as: CN105406182A

Abstract

本发明公开了一种陷波带宽可控的UWB MIMO天线，包括介质基板，所述介质基板正面印制两个矩形辐射单元，所述两个矩形辐射单元关于介质基板中心对称，还包括两条输入端馈线，所述输入端馈线与矩形辐射单元连接，所述输入端馈线外侧设置寄生条，所述矩形辐射单元的外侧延伸出倒L形枝节，所述介质基板的背面印制地板。本发明陷波带宽可控，从而用于滤除其他不同带宽的干扰频率。

Description

一种陷波带宽可控的UWB MIMO天线

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，具体涉及一种陷波带宽可控的UWB MIMO天线。

背景技术

随着现代无线通信技术的迅速发展，移动通信系统对天线的要求越来越高，设计具有高频率选择性和可控带宽陷波特性的新型超宽带MIMO天线是近年来研究的热点。多入多出Multiple-input-multiple-output(MIMO)技术，因为能够大幅度地增加信道容量，同时不需要额外的增加频谱范围和输入功率，日益成为天线设计新的重要研究方向。超宽带ultra-wideband(UWB)是一种具有很宽的可用频率范围，应用于大容量、高数据传输速率的无线便携式设备中的通信技术。为了进一步更大幅度的增加信道容量，近些年来，MIMO技术逐渐引入到超宽带天线的设计中来。考虑到工作在不同频段的系统间会存在干扰的问题，为了有效地滤除干扰频率，并且避免在天线后端电路中额外增加滤波器所带来的电路总体结构的体积增大，需要天线具有滤波功能。为了干净地滤除干扰频率，需要天线具有高频率选择陷波特性；为了能滤除具有不同频带宽度的干扰频率，需要天线具有陷波带宽可控的陷波特性。因此，设计具有高频率选择性和可控带宽陷波特性的新型超宽带MIMO天线，是当今的研究趋势。比如，工作在超宽带频段3.1GHz-10.6GHz，同时能够有效地滤除IEEE802.11无线局域网wireless local area network(WLAN)的5.15GHz-5.85GHz频段的超宽带MIMO天线。

小型化的具有高频率选择性和可控带宽陷波特性的超宽带MIMO天线是一种能有效滤除干扰频段的阵列天线。传统的超宽带MIMO天线陷波的实现方法主要有三种：一是在辐射贴片或者地板上开槽作为谐振器，二是在辐射贴片或者地板上延伸出特殊结构作为谐振器，三是在辐射贴片或者地板周围放置寄生的特殊结构作为谐振器。这些谐振器能够在特定的频率形成谐振从而达到在特点频段少向外辐射能量的目的。

传统的具有陷波特性的超宽带多入多出天线，由于尺寸的限制，只能实现一阶陷波，陷波频带边缘陡峭性不够，只能在很窄的频率范围内有效滤除整个干扰频带的频率，滤波特性较差。而且陷波频带宽度不可控，也即是陷波频带的左右侧频率无法独立可控的调节，导致天线适用范围小。因此，设计具有二阶陷波特性的，具有高频率选择性和可控带宽陷波特性的新型超宽带MIMO天线成为必然的方向。

发明内容

为了解决传统的具有陷波特性的超宽带MIMO天线中，由于单一谐振器的一阶陷波特性引起的选频特性差和陷波频带的左右侧频率无法独立可控的调节所带来的不便，本发明提供一种陷波带宽可控的UWB MIMO天线。

本发明采用传统的微带线馈电方法，利用倒L形枝节及外侧寄生条同时加载，进而在不增加天线总体尺寸的情况下，在超宽带频段3.1GHz-10.6GHz范围内实现二阶陷波频带，从而实现高效地滤除IEEE 802.11无线局域网wireless local area network(WLAN)的5.15GHz-5.85GHz频段干扰,同时陷波频带的宽度可独立调节的目标。并通过设计一个宽度渐增的地板延伸枝节来提高全频段的馈电端口间隔离度，得到较高的输入馈电端口间隔离度。天线整体尺寸紧凑，结构简单，加工制造成本低，工程实用性高。

本发明采用如下技术方案：

一种陷波带宽可控的UWB MIMO天线，包括介质基板，所述介质基板正面印制两个矩形辐射单元，所述两个矩形辐射单元关于介质基板中心对称，还包括两条输入端馈线，所述输入端馈线与矩形辐射单元连接，所述输入端馈线外侧设置寄生条，所述矩形辐射单元的外侧延伸出倒L形枝节，所述介质基板的背面印制地板。

所述地板上延伸出宽度渐增的延伸枝节，所述延伸枝节与地板连接，所述延伸枝节关于介质基板中线对称。

所述寄生条的长度为18mm。

所述倒L形枝节的长度为9.1mm。

所述输入端馈线为特征阻抗50欧姆的微带线。

寄生条与倒L形枝节共同加载形成二阶陷波。

所述地板为矩形。

本发明的有益效果：

(1)用平面的结构完全覆盖了超宽带频段，3.1GHz-10.6GHz，同时能够有效地滤除三个干扰频段：IEEE 802.11无线局域网wireless local area network(WLAN)的5.15GHz-5.85GHz。最重要的是，由于加载两个谐振器形成了二阶陷波，使得5.15GHz-5.85GHz范围内的频率选择性高，陷波带的边缘陡峭。同时，陷波带宽可控，增加了天线的适用范围。

(2)整个天线的平面尺寸，包含地板为32mm×26mm，占用的尺寸极其小，而且可用平面印刷工艺和低成本的FR4板材，降低了制造成本。

(3)天线的结构简单，调试方便，工作模式清晰，而且陷波频带的上、下边缘频率都可以独立灵活的调节，即陷波带宽可控，从而用于滤除其他不同带宽的干扰频率。

附图说明

图1是本发明一种陷波带宽可控的UWB MIMO天线的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1的仰视图；

图4是图1的侧视图；

图5是本发明实施例仿真的回波损耗与频率关系图；

图6是本发明实施例仿真的端口间隔离度与频率关系图。

图7为本发明实施例仿真的增益图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

本实施例中外侧是指远离介质基板中线一侧，内侧是指靠近介质基板中线一侧。

如图1所示，一种陷波带宽可控的UWB MIMO天线，包括介质基板，所述介质基板正面印制两个矩形辐射单元1、2，且关于介质基板中心对称，所述介质基板背面印制地板9，还包括两条输入端馈线3、4，输入端馈线与矩形辐射单元连接，且一一对应，每条输入端馈线外侧设置寄生条5、6，其总长度都为18mm，相当于半波长的模式谐振于WLAN 5.2GHz附近。

所述矩形辐射单元的外侧延伸出倒L形枝节7、8，靠近介质基板边缘，长度都为9.1mm，相当于四分之一波长的模式谐振于WLAN 5.8GHz附近。

所述寄生条5、6和矩形辐射单元外侧延伸出的倒L形枝节7、8，共同加载形成二阶陷波，从而能够有效地滤除干扰频段：IEEE 802.11无线局域网wireless local areanetwork(WLAN)的5.15GHz-5.85GHz，本实施例中寄生条选用类似C形，且寄生条末尾开口处更长，并向外侧延伸，滤除效果最好。

所述地板9上印制宽度渐增的延伸枝节10，所述延伸枝节10与地板9连接，所述延伸枝节10关于介质基板中线对称，所述延伸枝节逐渐增大来调节整个超宽带频带的隔离度，所述地板用于模拟小型化无线通信设备的电路板。

所述输入端馈线5、6为特征阻抗50欧姆的微带线。

如图2、图3及图4所示，介质基板的厚度H＝0.8，馈线与介质基板左右侧边缘的距离d_f＝5.8，介质基板的纵向长度L＝26，地板平面矩形部分的纵向长度L_G1＝11，延伸枝节自下往上的第一部分纵向长度L_G2＝9,地板延伸枝节自下往上的第二部分纵向长度L_G3＝4.5,地板延伸枝节自下往上的第三部分纵向长度L_G4＝1.5，输入端馈线外侧寄生条的纵向长度L_C1＝8,输入端馈线外侧寄生条的开口处的纵向长度L_C2＝1.6，输入端馈线外侧寄生条的下侧与介质基板的下边缘的距离L_C3＝1.8，矩形辐射单元的纵向长度L_r＝9.8,矩形辐射单元外侧延伸出的倒L形枝节的纵向长度L_r1＝8.3，馈线的纵向长度L_f＝12，介质基板的横向宽度W＝32,延伸枝节自下往上的第一部分横向宽度W_G2＝2.8，地板延伸枝节自下往上的第二部分横向宽度W_G3＝4.2,地板延伸枝节自下往上的第三部分横向宽度W_G4＝10,馈线外侧寄生条的末尾长度W_C1＝1，馈线外侧寄生条的宽度W_C2＝0.5，馈线外侧寄生条与馈线的间距W_C3＝0.3，馈线外侧寄生条的横向宽度W_C4＝2，矩形辐射贴片的横向宽度W_r＝11，矩形辐射贴片外侧延伸出的倒L形枝节的横向宽度W_r1＝1.1，矩形辐射贴片外侧延伸出的倒L形枝节的枝节宽度W_r2＝0.3，输入端馈线的横向宽度W_f＝1.6。

本发明实现超宽带频段(3.1GHz-10.6GHz)的覆盖，两个矩形辐射单元相当于两个单极子天线，相比只能产生单一谐振频率的长度较大的枝节线，结构较小的矩形贴片辐射单元能够在3.1GHz-10.6GHz频率范围内产生多个谐振模式，从而覆盖3.1-10.6GHz的整个工作频带。而且相比枝节线中需要做蜿蜒结构的折叠处理，矩形辐射单元的加工精度要求较低，易于制造实现。同时利用矩形的长度和宽度两个较少的参数，可较灵活地调节超宽带频段(3.1GHz-10.6GHz)内的多个谐振模式，从而实现频率的准确完全覆盖。

其次是具有高频率选择性和可控带宽特性的陷波频带，从而有效地滤除干扰频段：IEEE 802.11无线局域网wireless local area network(WLAN)的5.15GHz-5.85GHz，并可用于不同频带宽度的干扰频率。一是，在两条输入端馈线的外侧，添加寄生条5、6，总长度都为18mm，相当于半波长的模式谐振于WLAN5.2GHz附近；二是，在两个矩形辐射单元的外侧延伸出的倒L形枝节7、8，总长度都为9.1mm，相当于四分之一波长的模式谐振于WLAN5.8GHz附近。这两个谐振器的同时加载可以有效滤除干扰频率，同时分别调节两个谐振器的长度，陷波频带的左右侧频率可以实现独立可控的调节，从而达到陷波频带宽度可控的目标。

再次是实现高的端口间隔离度。通过在介质基板的背面正中间延伸出宽度渐增的延伸枝节10，可以使一个端口产生的辐射方向图被反射，同时利用该延伸枝节10产生新的谐振模式来调节隔离度，进而使得两个端口间的隔离度降低至-15dB以下，有效的实现了不同端口间的相互干扰最小化。

为了验证本发明方案的有效性，下面给出具体实例进行说明。

图2至图4给出了实施实例在俯视、仰视和侧视等不同角度下的尺寸图，各图中所有尺寸的单位均为毫米(mm)。在本实施实例中，选用相对介电常数为4.4、损耗角正切为0.02、厚度为0.8mm的FR4介质基板，介质基板的平面尺寸为32mm×26mm。地板的尺寸为32mm×11mm。天线辐射单元为平面矩形结构，位于介质基板的正面，占用的平面尺寸为11mm×9.8mm。输入端馈线3、4为特征阻抗50欧姆的微带线。在实际实施中，可适当延长至电路中射频馈线部分，也可在主地板上开孔，用50欧姆的同轴线直接馈电。同轴线的内导体与激励单元相连，外导体与主地板相连。

以上述图2、图3和图4所示尺寸制作的天线仿真的反射系数的结果如图5所示。由图可知，该平面印刷天线在超宽带频段有3.1GHz-10.6GHz频率范围内产生多个谐振点，形成的-10dB带宽为3GHz-12GHz，完全覆盖了超宽带频段有3.1GHz-10.6GHz频率范围内的所有可用频段。同时有效地滤除三个干扰频段：IEEE 802.11无线局域网wireless localarea network(WLAN)的5.15GHz-5.85GHz。

以上述3个图形所示尺寸制作的天线仿真的端口间隔离度的结果如图6所示。在整个超宽带频段3.1GHz-10.6GHz频率范围内，端口间的隔离度都低于-15dB，完全满足实际需要。这得益于介质板的背面正中间延伸出宽度渐增的延伸枝节10产生的电磁反射作用和延伸枝节10产生的新谐振模式。

以上述3个图形所示尺寸制作的天线仿真的增益如图7所示。天线增益在在1.6-4.1dBi之间波动，在5.15GHz-5.85GHz陷波频带剧烈减少。实现了有效地滤除干扰频率的目标。

从上述技术方案可见，本发明所述的天线在32mm×26mm的平面空间内实现了超宽带频段(3.1GHz-10.6GHz)的覆盖和具有高频率选择性和可控带宽特性的陷波频带，而且端口间有高隔离度，满足移动通信系统对用于移动终端天线的设计需求。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种陷波带宽可控的UWB MIMO天线，其特征在于，包括介质基板，所述介质基板正面印制两个矩形辐射单元，所述两个矩形辐射单元关于介质基板中线对称，还包括两条输入端馈线，所述输入端馈线与矩形辐射单元连接，所述输入端馈线外侧设置寄生条，所述矩形辐射单元的外侧延伸出倒L形枝节，所述介质基板的背面印制地板；

所述倒L形枝节靠近介质基板边缘，长度都为9.1mm，相当于四分之一波长的模式谐振于WLAN 5.8GHz附近，

2.根据权利要求1所述的UWB MIMO天线，其特征在于，所述寄生条的长度为18mm。

3.根据权利要求1所述的UWB MIMO天线，其特征在于，所述输入端馈线为特征阻抗50欧姆的微带线。

4.根据权利要求1所述的UWB MIMO天线，其特征在于，寄生条与倒L形枝节共同加载形成二阶陷波。

5.根据权利要求1所述的UWB MIMO天线，其特征在于，所述地板为矩形。