CN105552548B - 一种具有空间和极化分集的三极化天线 - Google Patents

一种具有空间和极化分集的三极化天线 Download PDF

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Abstract

一种具有空间和极化分集的三极化天线，涉及三极化天线。设有5块介质基板、金属单锥结构、接地金属板；5块介质基板包括4块竖向介质基板和1块对角放置的介质基板，所述4块竖向介质基板结构相同，4块竖向介质基板错落放置并构成一个闭合矩形环状结构，4块竖向介质基板双面覆有金属层，内侧金属层刻蚀有一个L形金属贴片，外侧金属层刻蚀有矩形缝隙和两个C形缝隙；1块对角放置的介质基板沿所述闭合矩形环状结构的对角方向旋转，1块对角放置的介质基板的双面覆有金属层，双面金属层上刻蚀有相同的矩形缝隙；金属单锥结构由金属贴片构成，金属单锥结构的上部开口与所述闭合矩形环状结构的底部外侧相连；接地金属板位于金属单锥结构的下方。

Description

一种具有空间和极化分集的三极化天线
技术领域
本发明涉及三极化天线，尤其是涉及一种具有空间和极化分集的三极化天线。
背景技术
随着移动通信技术的快速发展以及数据连接的高速增长，常规分集技术或智能天线技术已无法满足新一代无线通信系统的大容量与可靠性的需求。MIMO(Multiple-InputMultiple-Output)技术利用多天线系统的空时处理技术，通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，成倍提高系统信道容量，改善传输质量，被视为下一代移动通信的核心技术。
MIMO系统是无线通信领域的研究热点，指在发射端和接收端同时采用多个天线的通信系统，在不增加带宽和发射功率的情况下提高频谱利用效率。常见的天线分集技术包括空间分集和极化分集，决定MIMO系统分集性能的重要因素是各个支路之间的相关性。对于空间分集天线，只要天线单元间距较大，无线信道散射传播的多径分量足够丰富，各对等效的收发天线间的无线传输信道趋于独立；极化分集天线是充分利用电磁波传播过程中不同极化方向之间的耦合度低的特点，在同一个天线单元上设置多个馈电端口，可以获得与空间分集相当的分集增益，有利于实现设备的小型化。如文献(Zhang X,Lv Z,WangW.Performance Analysis of Multiuser Diversity in MIMO Systems with AntennaSelection[J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2008,7(1):15-21.)提出在多径传输的情况下，多极化天线可以在无线通信系统中提高信道容量和传输速率。
限制MIMO技术发展的主要问题是MIMO天线的设计。近年来，国内外学者通过深入研究，已经设计出多款多极化的MIMO天线。文献(Grau A,Romeu J,Lee M J,et al.A Dual-Linearly-Polarized MEMS-Reconfigurable Antenna for Narrowband MIMOCommunication Systems[J].Antennas&Propagation IEEE Transactions on,2010,58(1):4-17.)该设计是一个紧凑的双直线偏振光可重构双端口的天线，天线由石英材料为底板，采用单片集成微电机开关来实现0°/90°和±45°两种不同的线性极化。测试结果表明MEMS技术能够提供小的介入损耗，较大的隔离度，回波损耗小于-15dB，端口隔离度大于30dB。文献(Senon M,Husain M N,Othman A R,et al.Design of broadband tri-polarized antenna for wireless MIMO systems[C],Technology Management andEmerging Technologies(ISTMET),2014International Symposium on.IEEE,2014:68-72.)设计一款应用在2.4GHz MIMO系统的宽带三极化天线。在测试的三种设计方案中，采用双圆形极化天线的方案效果理想，这两个圆形的贴片设计在天线上方的左右两侧获得了较好的端口隔离度和低端口间信号相关系数。文献(Han W,Zhou X,Ouyang J,et al.A Six-Port MIMO Antenna System With High Isolation for 5-GHz WLAN Access Points[J].IEEE Antennas&Wireless Propagation Letters,2014,13(1933):880-883.)利用锥体的金属结构实现三个垂直极化和三个水平极化，设计了一种谐振于5GHz的六端口高隔离度MIMO天线。测量结果显示端口之间的隔离度在45dB以上，-10dB阻抗带宽在4.93～6.09GHz。
发明内容
本发明的目的在于提供可同时具有空间分集和极化分集性能，频谱利用效率得到大幅改善的一种具有空间和极化分集的三极化天线。
本发明设有5块介质基板、金属单锥结构、接地金属板；
所述5块介质基板包括4块竖向介质基板和1块对角放置的介质基板，所述4块竖向介质基板结构相同，4块竖向介质基板错落放置并构成一个闭合矩形环状结构，4块竖向介质基板双面覆有金属层，内侧金属层刻蚀有一个L形金属贴片，外侧金属层刻蚀有矩形缝隙和两个C形缝隙；所述1块对角放置的介质基板沿所述闭合矩形环状结构的对角方向旋转，1块对角放置的介质基板的双面覆有金属层，双面金属层上刻蚀有相同的矩形缝隙；所述金属单锥结构由金属贴片构成，金属单锥结构的上部开口与所述闭合矩形环状结构的底部外侧相连；所述接地金属板位于金属单锥结构的下方。
与现有技术比较，本发明具有以下突出的优点和显著的效果：
天线具有5个馈电端口，其中4个分别位于对称放置的4块介质基板上，第5个位于单锥的下侧，天线同时具有空间分集和极化分集特性，更加充分的提高了频谱利用效率。本发明天线可用于WLAN的5GHz MIMO系统。
附图说明
图1为本发明实施例的整体结构图。
图2是本发明实施例侧壁部分的介质基板内侧俯视图。
图3是本发明实施例侧壁部分的介质基板外侧俯视图。
图4是本发明实施例矩形环对角放置的介质基板的俯视图。
图5是本发明实施例单锥及接地金属板的侧视图。
图6是本发明实施例四个对称端口的回波损耗的仿真值。在图6中，曲线a1为天线回波损耗S11仿真曲线，曲线b1为天线回波损耗S33仿真曲线。
图7是本发明实施例金属单锥结构辐射时的回波损耗的仿真值。在图7中，曲线a2为天线回波损耗S55仿真曲线。
图8是本发明实施例天线端口间隔离度的仿真值。在图8中，曲线c1是天线端口间隔离度S12仿真曲线，曲线c2是天线端口间隔离度S13仿真曲线，曲线c3是天线端口间隔离度S15仿真曲线。
图9是本发明实施例四个对称端口分别激励时天线E面方向图。在图9中，曲线d1为四个对称端口激励时天线E面主极化方向图，曲线e1为四个对称端口激励时天线E面交叉极化方向图。
图10是本发明实施例四个对称端口分别激励时天线H面方向图。在图10中，曲线d2为四个对称端口激励时天线H面主极化方向图，曲线e2为四个对称端口激励时天线H面交叉极化方向图。
图11是本发明实施例金属单锥结构的端口激励时天线E面方向图。在图11中，曲线d3为金属单锥结构的端口激励时天线E面主极化方向图，曲线e3为金属单锥结构的端口激励时天线E面交叉极化方向图。
图12是本发明实施例金属单锥结构的端口激励时天线H面方向图。在图12中，曲线d4为金属单锥结构的端口激励时天线H面主极化方向图，曲线e4为金属单锥结构的端口激励时天线H面交叉极化方向图。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明进行进一步说明。
参见图1～5，本发明实施例设有5块介质基板、金属单锥结构6、接地金属板7；所述5块介质基板包括4块竖向介质基板1～4和1块对角放置的介质基板5，所述4块竖向介质基板1～4结构相同，4块竖向介质基板1～4错落放置并构成一个闭合矩形环状结构，4块竖向介质基板1～4双面覆有金属层，内侧金属层刻蚀有一个L形金属贴片，外侧金属层刻蚀有矩形缝隙和两个C形缝隙；所述1块对角放置的介质基板5沿所述闭合矩形环状结构的对角方向旋转，1块对角放置的介质基板5的双面覆有金属层，双面金属层上刻蚀有相同的矩形缝隙；所述金属单锥结构6由金属贴片构成，金属单锥结构6的上部开口与所述闭合矩形环状结构的底部外侧相连；所述接地金属板7位于金属单锥结构6的下方。
参见图1，所述一种具有空间和极化分集的三极化天线的高度H0为39～41mm，优选40mm，正方形接地金属板7的边长wx为48～52mm，优选50mm。所述介质基板1～5的厚度为1.2～1.5mm，介质基板的相对介电常数为1.5～3，损耗角正切值不大于0.01；
参见图2，所述介质基板1的内侧的长度L为43～47mm，优选45mm，宽度W为18～22mm，优选20mm；L形贴片8的尺寸a为7～8mm，优选6mm，b为8～9mm，优选8.5mm，宽度d1为1～2mm，优选1.4mm，距两边的长度L2为18～20mm，优选19mm，g可为6～7mm，优选6.5mm。
参见图3，所述介质基板1的外侧矩形缝隙9的长度c为12～14mm，优选13.5mm，宽度d2为2～3mm，优选2.5mm，距离一边的长度W2为20～22mm，优选21mm，两个相同的C形缝隙的尺寸e为18～20mm，优选19mm，d3为0.5～1.5mm，优选1mm，d6为1.5～3.5mm，优选2.5mm，距离介质基板相邻边距离d4为1.5～2.5mm，优选2mm，d5为0.2～1.0mm，优选0.5mm。
参见图4，所述介质基板5的长度L0为58～62mm，优选60mm，宽度W为18～22mm，优选20mm，矩形缝隙11的中线与介质基板5的中心线重合，长度f为8～12mm，优选10mm，宽度d3为1.5～3.5mm，优选2.5mm。
参见图5，所述金属单锥结构6的宽口径边长L1为60～70mm，优选65mm，高度H为16～20mm，优选18mm。
参见图6，位于介质基板1、2、3、4上的四个馈电端口，图6是其中两个相邻的端口回波损耗频率曲线的仿真图。由于结构对称性，另外两个相邻端口对应的回波损耗曲线与图6的结果是一致的。由仿真曲线可见，-10dB回波损耗带宽范围是2.10～2.40GHz。
参见图7，是天线金属单锥结构馈电时的回波损耗曲线的仿真值图，天线谐振于5.25GHz。
参见图8，是天线端口间隔离度仿真值图。在工作频带5.15～5.35GHz内，4个介质基板上相邻端口间隔离度大于15dB，正对端口间隔离度以及分别与金属单锥结构的端口之间的隔离度均大于30dB。
图9～12是天线各端口分别激励时的方向图。图9是介质基板1上的端口激励时的E面方向图，图10是该端口激励时的H面方向图，图11是金属单锥结构辐射时的E面方向图，图12是该端口激励时的H面方向图。
本发明的4块相同介质基板上分布有4个对称的馈电端口，相邻端口之间具有垂直的水平极化方向，相对的端口之间具有相同的极化方向；金属单锥结构产生垂直极化方向。本发明具有良好的端口隔离度和极化隔离度。-10dB阻抗带宽覆盖5.25GHz的WLAN频段，本发明可用于WLAN的5G频段MIMO系统。

Claims (1)

1.一种具有空间和极化分集的三极化天线，其特征在于设有5块介质基板、金属单锥结构、接地金属板；
所述5块介质基板包括4块竖向介质基板和1块对角放置的介质基板，所述4块竖向介质基板结构相同，4块竖向介质基板错落放置并构成一个闭合矩形环状结构，4块竖向介质基板双面覆有金属层，内侧金属层刻蚀有一个L形金属贴片，外侧金属层刻蚀有矩形缝隙和两个C形缝隙；所述1块对角放置的介质基板沿所述闭合矩形环状结构的对角线设置在矩形环状结构内，1块对角放置的介质基板的双面覆有金属层，双面金属层上刻蚀有相同的矩形缝隙；所述金属单锥结构由金属贴片构成，金属单锥结构的上部开口与所述闭合矩形环状结构的底部外侧相连；所述接地金属板位于金属单锥结构的下方；
4块竖向介质基板上分布有4个对称的馈电端口，相邻端口之间具有垂直的水平极化方向，相对的端口之间具有相同的极化方向；金属单锥结构产生垂直极化方向。
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