CN105870620B - 应用于四端口mimo系统的叠合式多模贴片天线 - Google Patents

应用于四端口mimo系统的叠合式多模贴片天线 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种应用于四端口MIMO系统的叠合式多模贴片天线,从上至下依次包括圆形上层介质板、空气层、圆形下层介质板、金属地板,所述上层介质板上方为上层金属贴片,上层金属贴片包括:中心设有十字空心槽的上层圆盘、上层圆环,下层介质板上方为下层金属贴片,下层金属贴片包括:中心设有圆孔的下层圆盘、下层圆环,下层金属贴片上设有四个馈电点;本发明首次提出了层叠型的用于四端口MIMO系统的多模天线并且进行了实物加工及测试,天线可以在低剖面的情况下实现宽带紧凑化设计,与此同时天线馈电结构简单,在带宽内(2.5‑2.69GHz)可以保持稳定的辐射特性。天线端口间隔离大于23.8dB,相关性在带宽内基本为0,适合MIMO的应用。

Description

应用于四端口MIMO系统的叠合式多模贴片天线
技术领域
本发明属于天线技术领域,尤其是一种工作在四端口MIMO系统的叠合式多模贴片天线。
背景技术
当前的通信领域对天线技术发展提出了诸多要求,天线的要求趋向紧凑,小型化,宽带等。而这些要求往往是相互矛盾的,此时多模天线以其简明的物理内涵倍受关注。本发明正是基于上述需求,设计了用于通信系统的多模叠合式贴片天线,尤其适用于工作在四端口MIMO系统。
多模天线在天线设计中广泛应用,区别于很多设计没有明确的提出谐振原理不同,多模天线将天线的辐射机理基于模式展开的观点清晰的呈现出来。其应用也遍及宽带,小型化,多频,MIMO,圆极化等领域。为天线设计提供了类似于封闭电磁结构的简单的设计观点。
由于自身的多谐性,任何辐射体都是多模结构。只是不同的模式具有不同的谐振频点和辐射特性。常见的天线大都工作在其基模,辐射机理也可以从各种观点加以解释。例如微带天线就有传输线理论和腔模理论可以分析辐射特性和参数。但是常见的场设计复杂的天线往往与多模天线有所关联,就是说多模天线因为本身要对辐射结构多个模式进行操作和利用,其设计过程复杂,也正因为此,多模天线才可以完成常规天线不能完成的任务。例如最常见的多模天线就是圆极化天线,这需要结构的两个模式经过一定的相位安排,共同辐射,产生所需的圆极化。
简单的利用原有结构的模式,经过微扰,调整谐振频率的方法存在辐射场随频率不稳定的不足,因此更多的多模天线结构被提出。比如层叠微带天线,在为天线引入额外谐振点的同时保证方向图稳定。对层叠微带天线本身的辐射机理也就需要更深入的研究和理解。
1988年Rodney G.Vaughan分析了圆盘的多种谐振模式,展示了不同模式的方向图,并利用了高次模设计天线。2004年Christian Waldschmidt设计了MIMO系统中用于方向图和极化分集的多模天线。2008年Eva Rajo-Iglesias对基于圆形微带天线,实现了多端口多频的紧凑多模天线设计。2010年J.Sarrazin基于组合式天线不同谐振模式,获得了四端口的小型化MIMO天线。2011年Julien Sarrazin设计了一款小型化多模微带MIMO天线,通过模式正交性,实现了多个端口相互正交的辐射特性。2011年J.Kim进行了用于广播的多模天线设计,三种不同部分被整合在同一块PCB板上,完成多种不同的谐振特性。2013年JuhuaLiu应用多种模式完成了稳定方向图的宽带设计。2014年Carlos Redondo系统阐述了用于可重构的多模天线,试图为多模天线设计提供指南。2014年,Wen-Jun Lu对缝隙天线做了模式分析,并完成了多模天线设计。
目前尚未在国内方面发现相关类似论文或发明专利公开。
发明内容
本发明的发明目的是:鉴于上述技术背景及要求,提出一种应用于四端口MIMO系统的叠合式多模贴片天线,具体来说,采用常用的圆环与圆盘形式的组合型天线设计。从腔模理论角度来看,采用的是圆盘TM11模与圆环TM21模。但是需要谐振频率相同而带宽相近,使得内部圆盘需要做小型化处理。
本发明技术方案如下:
一种应用于四端口MIMO系统的叠合式多模贴片天线,从上至下依次包括圆形上层介质板、空气层、圆形下层介质板、金属地板,所述上层介质板上方为上层金属贴片,上层金属贴片包括:中心设有十字空心槽的上层圆盘、上层圆盘外部与其同心的上层圆环,下层介质板上方为下层金属贴片,下层金属贴片包括:中心设有圆孔的下层圆盘、下层圆盘外部与其同心的下层圆环,下层金属贴片上设有四个馈电点,以下层圆盘的圆心为原点,下层圆盘所在的平面上以水平方向为X轴、垂直方向为Y轴建立坐标系,第一馈电点位于X轴正半轴的下层圆盘上,第二馈电点位于Y轴正半轴的下层圆盘上,第三馈电点位于与X轴正半轴成-45度的下层圆环上,第四馈电点位于X轴的负半轴的下层圆环上。
作为优选方式,第一馈电点和第二馈电点距离原点的距离fin=9mm,第三馈电点和第四馈电点距离原点的距离fout=29.5mm。
作为优选方式,所述上层金属贴片、下层金属贴片通过上层介质板上方的金属层和下层介质板上方的金属层刻蚀得到。
作为优选方式,金属地板半径为r5=60mm。
作为优选方式,上层介质基板介电常数为2.2,上层介质板的半径r5=60mm、厚度t1=0.787mm;十字空心槽的每条边的长度L=29.7mm,每条边的宽度W=3mm;上层圆盘半径r1=20mm,上层圆环内径r2=24mm,外径r3=42.5mm。
作为优选方式,下层介质板与上层介质板材料相同,介质板介电常数为2.2,下层介质板半径r5=60mm、厚度t2=1.52mm,下层圆盘的圆孔半径r6=6mm,下层圆盘半径r7=20.47mm,下层圆环内径r8=23mm、外径r9=30.7mm。
作为优选方式,空气层厚度h=5mm。
作为优选方式,圆形上层介质板、空气层、圆形下层介质板、金属地板通过四个尼龙螺钉连接成一体。
作为优选方式,所述四个尼龙螺钉分别位于x,y轴的正负半轴,距离原点距离r4=55mm。
首先对圆盘与圆环的模式进行简单的分析,因为结构要提供四个相同频率的端口,所以目标就是将圆盘的TM11模与圆环的TM21模谐振频率调整至同一频点。对圆盘进行小型化。当然有很多形式的小型化,但是在不破坏结构对称性的前提下,选择十字开槽的方式。适当调整结构,可以使得四个模式,即两组简并模式谐振于目标频点。但是这种天线形式由于结构紧凑,模式之间相互影响,带宽均有降低。为了解决此问题,引入空气层。然而由于天线剖面的提高,保持带宽和辐射稳定性的前提下,采用传统同轴激励形式已比较困难。为此引入了下层金属贴片,以展宽带宽同时简化馈电装置,并且因此激励起了四组简并模式。馈电方式采用四端口同轴探针馈电,在下层贴片与地板上直接加激励。根据电流分布安排馈电,保证简并的模式被独立的激励。适当调整参数完成阻抗匹配。
本发明的特点是首次提出了通过引入下层金属贴片,激励起了四组谐振的简并模式。使得天线阻抗带宽在空气层厚度0.043波长的情况下,达到了带宽7.7%,并且在带宽内天线辐射特性保持稳定。而在只利用两组简并模的条件下,这种紧凑的多模天线带宽在4%左右,并且内外结构之间需要引入金属壁形式的隔离装置,同时为了匹配,需要引入其他结构上的变化,而可能破坏结构对称性,从而导致辐射特性随之恶化,而且使得天线结构复杂。本发明表明如果馈电结构的影响可以被控制在有限范围内,那么正交的模式相互之间影响不再需要人为引入结构加以控制,同时可以保持结构简单紧凑。
本天线的设计尺寸是通过分析电流加上HFSS仿真之后的优选尺寸。
结构有上下层金属贴片,均包括两部分:内部圆盘与外部圆环。谐振模式类似内部贴片TM11和外部贴片TM21模式。每种模式包含两种源于对称结构的简并模式。对于每一种端口将激励两个模式,通过合并谐振点,拓展频点。
为了将内外模式谐振点调整到相同频带,同时保证结构紧凑,需要对内部贴片小型化,上层金属贴片采用十字槽,下层金属贴片采用圆形槽,可以适当调整尺寸完成小型化。
激励安排根据TM11与TM21模式电流或者电场分布,内部结构端口间夹角90度,外部端口夹角135度(或者45度,考虑到端口隔离取135度)。因为模式的正交性,如此的激励安排降低了端口耦合。
本发明的有益效果是:首次提出了层叠型的用于四端口MIMO系统的多模天线并且进行了实物加工及测试。天线可以在低剖面的情况下实现宽带紧凑化设计,与此同时天线馈电结构简单,在带宽内(2.5-2.69GHz)可以保持稳定的辐射特性。天线端口间隔离大于23.8dB,相关性在带宽内基本为0,适合MIMO的应用。
附图说明
图1为本发明的上层金属贴片俯视图;
图2为本发明的下层金属贴片俯视图;
图3为本发明的侧视图;
图4为本发明的仿真S参数图;
图5-1—图5-8为本发明的四端口仿真辐射方向图;
图5-1为port 1,phi=0deg的仿真辐射方向图;
图5-2为port 1,phi=90deg的仿真辐射方向图;
图5-3为port 2,phi=0deg的仿真辐射方向图;
图5-4为port 2,phi=90deg的仿真辐射方向图;
图5-5为port 3,phi=0deg的仿真辐射方向图;
图5-6为port 3,phi=90deg的仿真辐射方向图;
图5-7为port 4,phi=0deg的仿真辐射方向图;
图5-8为port 4,phi=90deg的仿真辐射方向图;
图6为应用于四端口MIMO系统的叠合式多模贴片天线的仿真峰值增益图;
图7为本发明四个端口的仿真辐射效率图;
图8为本发明的仿真相关性系数ECC;
图9为本发明的实物测试S参数图;
图10-1至10-8为本发明的四端口实物测试辐射方向图;
图10-1为port 1,phi=0deg实物测试辐射方向图;
图10-2为port 1,phi=90deg实物测试辐射方向图;
图10-3为port 2,phi=0deg实物测试辐射方向图;
图10-4为port 2,phi=90deg实物测试辐射方向图;
图10-5为port3,phi=0deg实物测试辐射方向图;
图10-6为port 3,phi=90deg实物测试辐射方向图;
图10-7为port 4,phi=0deg实物测试辐射方向图;
图10-8为port 4,phi=90deg实物测试辐射方向图;
Phi角是指和X轴正半轴的夹角,逆时针为正,顺时针为负;角度变化范围为-180度到180度;
图11为本发明四个端口的实物测试峰值增益图。
其中,1为上层圆盘,2为上层圆环,3为上层介质板,4为圆孔,5为下层圆盘,6为下层圆环,7为十字空心槽,8为尼龙螺钉孔,9为尼龙螺钉,10为下层介质板,11为金属地板,12为第一馈电点,13为第二馈电点,14为第三馈电点,15为第四馈电点,16为空气层,17为上层金属贴片,18为下层金属贴片。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
一种应用于四端口MIMO系统的叠合式多模贴片天线,从上至下依次包括圆形上层介质板3、空气层16、圆形下层介质板10、金属地板11,所述上层介质板上方为上层金属贴片17,上层金属贴片17包括:中心设有十字空心槽7的上层圆盘1、上层圆盘外部与其同心的上层圆环2,下层介质板10上方为下层金属贴片18,下层金属贴片18包括:中心设有圆孔4的下层圆盘5、下层圆盘5外部与其同心的下层圆环6,下层金属贴片上设有四个馈电点,以下层圆盘的圆心为原点,下层圆盘所在的平面上以水平方向为X轴、垂直方向为Y轴建立坐标系,第一馈电点12位于X轴正半轴的下层圆盘上,第二馈电点13位于Y轴正半轴的下层圆盘上,第三馈电点14位于与X轴正半轴成-45度的下层圆环上,第四馈电点15位于X轴的负半轴的下层圆环上。
第一馈电点和第二馈电点距离原点的距离fin=9mm,第三馈电点和第四馈电点距离原点的距离fout=29.5mm。
所述上层金属贴片、下层金属贴片分别通过上层介质板上方的金属层和下层介质板上方的金属层刻蚀得到。
金属地板半径为r5=60mm。
上层介质基板介电常数为2.2,上层介质板的半径r5=60mm、厚度t1=0.787mm;十字空心槽的每条边的长度L=29.7mm,每条边的宽度W=3mm;上层圆盘半径r1=20mm,上层圆环内径r2=24mm,外径r3=42.5mm。
下层介质板与上层介质板材料相同,介质板介电常数为2.2,下层介质板半径r5=60mm、厚度t2=1.52mm,下层圆盘的圆孔半径r6=6mm,下层圆盘半径r7=20.47mm,下层圆环内径r8=23mm、外径r9=30.7mm。
空气层厚度h=5mm。
圆形上层介质板、空气层、圆形下层介质板、金属地板通过四个尼龙螺钉9连接成一体。所述四个尼龙螺钉分别位于x,y轴的正负半轴,距离原点距离r4=55mm。尼龙螺钉通过4个尼龙螺钉孔8固定。
本天线的设计尺寸是通过分析电流加上HFSS仿真之后的优选尺寸。
本发明的工作原理是这样的:通过层叠式天线,提高带宽,降低剖面。通过对内部圆盘结构的改变,引入了十字槽以及下层贴片,将圆盘的TM11模与圆环的TM21模谐振频率调整至同一频点,从而提供四个工作在相同频率的端口,并得到了四组谐振的简并模。由于模式的正交性,所以辐射方向图正交,调整馈电位置与结构,可实现阻抗匹配与端口隔离。同时因为层叠形式的天线馈电形式简单,对结构的对称性没有破坏,所以保持了低的相关性系数ECC,在阻抗带宽内低于3.5e-4,基本为0。
图1,图2和图3示例性地描述了应用于四端口MIMO系统的叠合式多模贴片天线设计结构。
图4为应用于四端口MIMO系统的叠合式多模贴片天线的仿真S参数图,可以看出在工作频段内(2.5-2.69GHz),四个端口的S参数均小于-10dB,隔离度均小于-23.8dB。
图5-1—图5-8为应用于四端口MIMO系统的叠合式多模贴片天线的四端口分别在2.55GHz以及2.65GHz的仿真辐射方向图。对于四个端口,交叉极化均低于主极化26dB。
图6为应用于四端口MIMO系统的叠合式多模贴片天线的仿真峰值增益图。天线四个端口在测试面内的峰值增益分别为9.2dBi,9.2dBi,5dBi和6.2dBi。
图7为应用于四端口MIMO系统的叠合式多模贴片天线四个端口的仿真辐射效率图,四个端口在工作频带内辐射效率均大于0.92。
图8为应用于四端口MIMO系统的叠合式多模贴片天线的仿真相关性系数ECC,在阻抗带宽内低于3.5e-4,基本为0。
图9为应用于四端口MIMO系统的叠合式多模贴片天线的实物测试S参数图。测试阻抗带宽略小于仿真结果,四个端口阻抗带宽相当,约为2.5-2.67GHz。小圆环的两个馈电端口,大圆环的两个馈电端口互耦在带宽内略小于仿真结果,为-24.5dB。
图10-1—图10-8为应用于四端口MIMO系统的叠合式多模贴片天线的四端口分别在2.55GHz以及2.65GHz的测试辐射方向图。对于小圆环的两个馈电端口,交叉极化水平低于主极化22dB。对于大圆环的两个馈电端口低于15dB。
图11为应用于四端口MIMO系统的叠合式多模贴片天线的实物测试峰值增益图。天线四个端口在测试面内的峰值增益分别为9.34dBi,9.58dBi,6.18dBi和6.65dBi。可以看出,实物测试增益比仿真高。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种应用于四端口MIMO系统的叠合式多模贴片天线,其特征在于:从上至下依次包括圆形上层介质板、空气层、圆形下层介质板、金属地板,所述上层介质板上方为上层金属贴片,上层金属贴片包括:中心设有十字空心槽的上层圆盘、上层圆盘外部与其同心的上层圆环,下层介质板上方为下层金属贴片,下层金属贴片包括:中心设有圆孔的下层圆盘、下层圆盘外部与其同心的下层圆环,下层金属贴片上设有四个馈电点,以下层圆盘的圆心为原点,下层圆盘所在的平面上以水平方向为X轴、垂直方向为Y轴建立坐标系,第一馈电点位于X轴正半轴的下层圆盘上,第二馈电点位于Y轴正半轴的下层圆盘上,第三馈电点位于与X轴正半轴呈-45度的下层圆环上,第四馈电点位于X轴的负半轴的下层圆环上。
2.根据权利要求1所述的应用于四端口MIMO系统的叠合式多模贴片天线,其特征在于:第一馈电点和第二馈电点距离原点的距离fin=9mm,第三馈电点和第四馈电点距离原点的距离fout=29.5mm。
3.根据权利要求1所述的应用于四端口MIMO系统的叠合式多模贴片天线,其特征在于:所述上层金属贴片、下层金属贴片通过上层介质板上方的金属层和下层介质板上方的金属层刻蚀得到。
4.根据权利要求1所述的应用于四端口MIMO系统的叠合式多模贴片天线,其特征在于:金属地板半径为r5=60mm。
5.根据权利要求1所述的应用于四端口MIMO系统的叠合式多模贴片天线,其特征在于:上层介质基板介电常数为2.2,上层介质板的半径r5=60mm、厚度t1=0.787mm;十字空心槽的每条边的长度L=29.7mm,每条边的宽度W=3mm;上层圆盘半径r1=20mm,上层圆环内径r2=24mm,外径r3=42.5mm。
6.根据权利要求1所述的应用于四端口MIMO系统的叠合式多模贴片天线,其特征在于:下层介质板与上层介质板材料相同,介质板介电常数为2.2,下层介质板半径r5=60mm、厚度t2=1.52mm,下层圆盘的圆孔半径r6=6mm,下层圆盘半径r7=20.47mm,下层圆环内径r8=23mm、外径r9=30.7mm。
7.根据权利要求1所述的应用于四端口MIMO系统的叠合式多模贴片天线,其特征在于:空气层厚度h=5mm。
8.根据权利要求1所述的应用于四端口MIMO系统的叠合式多模贴片天线,其特征在于:圆形上层介质板、空气层、圆形下层介质板、金属地板通过四个尼龙螺钉连接成一体。
9.根据权利要求8所述的应用于四端口MIMO系统的叠合式多模贴片天线,其特征在于:所述四个尼龙螺钉分别位于X,Y轴的正负半轴,距离原点距离r4=55mm。
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