CN106816705B - 一种具有双陷波结构的uwb-mimo天线 - Google Patents

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Abstract

一种具有双陷波结构的UWB‑MIMO天线。包括微波介质基板，微波介质基板上下表面均设金属贴片；上表面金属贴片构成相同结构的2个超宽带天线单元，超宽带天线单元相互垂直且对称设置；超宽带天线单元上部为作为天线辐射单元的等腰梯形结构贴片与半圆形结构贴片组合，超宽带天线单元下部为作为天线馈线的矩形结构贴片，天线馈线与腰梯形结构贴片连接与天线辐射单元成为一体，馈线两侧对称设C型结构贴片和网状型结构贴片，网状型贴片中心与介质基板下表面的金属贴片连接，天线地板由2个矩形金属贴片垂直相连构成，相连矩形金属地板的夹角处切去矩形块，在生成的夹角处开一对L型细槽，在与辐射单元和天线馈线相连处正对的天线地板位置处开矩形槽。

Description

一种具有双陷波结构的UWB-MIMO天线
技术领域
本发明涉及一种UWB-MIMO天线，尤其是涉及一种具有双陷波结构的UWB-MIMO天线。
背景技术
微带天线相比传统天线有质量轻、体积小、易集成、电性能多样化等优势之处，目前微带结构已经广泛应用于进行超宽带天线的研究设计。
超宽带(UWB)是一种无载波通信技术，利用纳秒至皮秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。超宽带技术具有高传输速率、强抗干扰、系统容量大、低成本等优点，而且发射功率非常小，大大延长系统电源工作时长，其电磁波辐射对人体影响也较小。MIMO(Multiple-Input Multiple-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。应用MIMO技术可以有效的解决UWB系统存在的多径衰落现象，对UWB系统可提供多路复用增益和分集增益，大大提高UWB通信系统的性能。
随着UWB技术和MIMO技术的发展，两种技术相结合的UWB-MIMO天线的研究也逐渐引起学者的注意。文献(Liu L,Zhao H,See T S P,et al.A printed ultra-widebanddiversity antenna[C]//Ultra-Wideband,The 2006IEEE 2006InternationalConference on.IEEE,2006:351-356.)提出一种印刷双极化超宽带天线，天线的两个辐射单元相互垂直，同时在其中间地板处开槽使得端口隔离度提高到-20dB以下，该天线最终工作频段为3.1～5.8GHz。文献(Yoon H K,Yoon Y J,Kim H,et al.Flexible ultra-wideband polarisation diversity antenna with band-notch function[J].Microwaves,Antennas&Propagation,IET,2011,5(12):1463-1470.)设计出一款超薄柔性超宽带双极化天线，该天线采用阶梯形CPW馈电，两个辐射贴片相互垂直排布以实现极化分集，天线在超宽带频段内隔离度达到-20dB以下，可注意到辐射贴片上开了两个对称的细槽，实现天线在WLAN频段处的陷波。文献(Li Y,Li W,Liu C,et al.A printed diversitycantor set fractal antenna for ultra wideband communication applications[C]//Antennas,Propagation&EM Theory(ISAPE),2012 10th International Symposiumon.IEEE,2012:34-38.)设计出一款康托尔集分形UWB-MIMO天线，该天线通过在辐射单元中间地板开多条槽来提高隔离度，天线-10dB阻抗带宽范围为4.5～10.6GHz，天线端口间隔离度在-20dB以下。
由于超宽带天线的工作频带较宽，在工作频带内容易受到其他频段无线通信信号的干扰，所以需要对超宽带天线进行陷波设计以消除干扰。同时，在MIMO无线通信系统中，天线单元间的互耦问题影响着系统信道质量及信道容量，因此，如何降低天线单元间耦合是MIMO天线设计的核心问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有双陷波结构的UWB-MIMO天线。该天线通过设计对称的天线单元来降低天线单元间的耦合，通过在天线馈线两边加载”C”型阶梯阻抗谐振器(SIR)来实现低频段的陷波特性，通过在天线馈线两边加载电磁带隙结构(EBG)来实现高频段的陷波特性，从而使得该天线在整个频段都能获得良好的陷波特性，实现了高隔离度、稳定的方向性及增益等目标。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种具有双陷波结构的UWB-MIMO天线，包括正方形微波介质基板，微波介质基板上表面和下表面均设有金属贴片；其特点在于，上表面金属贴片构成相同结构的2个超宽带天线单元，2个超宽带天线单元相互垂直，且以介质基板的对角线为基准对称设置；超宽带天线单元的上部为等腰梯形结构贴片与半圆形结构贴片组合而成，该组合结构贴片作为天线辐射单元，超宽带天线单元的下部为矩形结构贴片，该矩形结构贴片作为天线馈线，所述天线辐射单元与天线馈线连接为一体式结构，在馈线两侧方对称设有“C”型结构贴片和网状型结构贴片，其中网状型贴片中心通过与介质基板下表面的金属贴片连接，介质基板下表面的金属贴片作为天线地板，天线地板由2个矩形金属贴片垂直相连构成，在相连的矩形金属地板的夹角处切去矩形块，并在所切去矩形块新生成的夹角处开有一对“L”型的细槽，并在与所述辐射单元和天线馈线相连处正对的天线地板位置处开有矩形槽。
进一步：
所述介质基板采用双面覆铜的微波介质基板。
所述正方形微波介质基板为Rogers RO4232(tm)，边长为W＝55mm±5mm，厚度为H＝1mm±4um，介电常数为3.2，损耗正切角为0.0018。
所述半圆形结构贴片的直径为2R＝16.46mm±2mm，等腰梯形结构贴片的上底为Wp＝6.35mm±1mm，下底为2R＝16.46mm±2mm，高为Hp＝8.75mm±1mm；馈线的长度Lf＝18.0mm±2mm，宽度为Wf＝2.5±1mm，与介质基板侧边的距离为Wd＝9.75mm±1mm；”C”型结构贴片的长度为Lr＝4.0mm±1mm，宽度为Wr＝5.9mm±1mm，与天线馈线的距离为df＝0.3mm±0.1mm，与介质基板底边的距离为Gr＝9.2mm±1mm，“C”型结构贴片窄带的宽度为Sr＝0.5mm±0.1mm，宽带的宽度为Lr1＝2.4mm±1mm，“C”型结构贴片的卡口间距为dr＝0.8mm±0.1mm；网状型结构贴片的边长为We＝5.9mm±1mm，与天线馈线的距离为de＝0.2mm±0.1mm，与介质基板侧边缘的距离为Le＝2.95mm±1mm，网状型结构贴片的金属带的宽度Se＝1.0mm±0.4mm；所述天线地板的矩形结构贴片的长度为Lg＝17.5mm±2mm，矩形槽的长度为Lc＝3.0mm±1mm，宽度为Wc＝4.0mm±1mm，矩形槽与对角处矩形槽的距离为dg＝10.86mm±2mm，对角处矩形槽的长度为Ls＝12mm±2mm，宽度为Ws＝20mm±2mm；“L”型槽的短边长度为Ls1＝4.0mm±1mm，长边长度为Ls2＝6.0mm±1mm，宽度为S＝1.0±0.4mm。
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：
该天线通过设计对称的天线单元来降低天线单元间的耦合，通过在天线馈线两边加载“C”型阶梯阻抗谐振器(SIR)来实现低频段的陷波特性，通过在天线馈线两边加载电磁带隙结构(EBG)来实现高频段的陷波特性，天线整体工作频带为2.95～10.48GHz，天线的两个端口之间隔离度在-16dB以下，同时天线在5.15～5.87GHz频段和7.28～8.0GHz频段内可产生良好的陷波特性，能很好地避免IEEE802.11a标准规定的整个WLAN通信频段以及X波段卫星通信系统下行频段的干扰。
附图说明
图1是本发明实施例的上表面结构图。
图2是本发明实施例的下表面结构图。
图3是本发明实施例的上表面结构局部放大图之一。
图4是本发明实施例的上表面结构局部放大图之二。
图5是本发明实施例的天线回波损耗频率曲线图。
图6是本发明实施例的天线两个端口间隔离度曲线图。
图7是本发明实施例所述天线的第一端口在3.5GHz激励时的极化方向图。
图8是本发明实施例所述天线的第二端口在3.5GHz激励时的极化方向图。
图9是本发明实施例所述天线的第一端口在5.0GHz激励时的极化方向图。
图10是本发明实施例所述天线的第二端口在5.0GHz激励时的极化方向图。
图11是本发明实施例所述天线的第一端口在6.3GHz激励时的极化方向图。
图12是本发明实施例所述天线的第二端口2在6.3GHz激励时的极化方向图。
图13是本发明实施例所述天线的第一端口在9.8GHz激励时的极化方向图。
图14是本发明实施例所述天线的第二端口在9.8GHz激励时的极化方向图。
具体实施方式
参见图1～4，本实施例所述一种具有双陷波结构的UWB-MIMO天线，包括正方形的微波介质基板1，微波介质基板1上表面和下表面均设有金属贴片；上表面金属贴片构成相同结构的2个超宽带天线单元2，2个超宽带天线单元2相互垂直，且以微波介质基板1的对角线为基准对称设置；超宽带天线单元2的上部为等腰梯形结构贴片21与半圆形结构贴片22组合而成，该组合结构贴片作为天线辐射单元，超宽带天线单元2的下部为矩形结构贴片23，该矩形结构贴片23作为天线馈线，所述天线辐射单元与天线馈线23连接为一体式结构，在天线馈线23两侧方对称设有“C”型结构贴片24和网状型结构贴片25，其中网状型贴片25的中心通过设于微波介质基板上的通孔11与微波介质基板1下表面的贴片连接；微波介质基板1下表面的贴片作为天线地板，天线地板整体呈“L”型，其构成是在2个结构相同垂直相连的矩形贴片3的夹角处开有第一矩形缺口31，并在第一矩形缺口31底端2个夹角处对称开有“L”型细槽32，而且在与所述辐射单元与天线馈线23相连处正对的天线地板位置处开有第二矩形缺口33。
所述微波介质基板1采用双面覆铜的微波介质基板。
所述微波介质基板1为Rogers RO4232(tm)，边长为W＝55mm±5mm，厚度为H＝1mm±4um，介电常数为3.2，损耗正切角为0.0018。
所述半圆形结构贴片22的直径为2R＝16.46mm±2mm，等腰梯形结构贴片21的上底为Wp＝6.35mm±1mm，下底为2R＝16.46mm±2mm，高为Hp＝8.75mm±1mm；天线馈线23的长度Lf＝18.0mm±2mm，宽度为Wf＝2.5±1mm，与微波介质基板侧边的距离为Wd＝9.75mm±1mm；所述“C”型结构贴片24的长度为Lr＝4.0mm±1mm，宽度为Wr＝5.9mm±1mm，与天线馈线23的距离为df＝0.3mm±0.1mm，与微波介质基板1底边的距离为Gr＝9.2mm±1mm，“C”型结构贴片24窄带的宽度为Sr＝0.5mm±0.1mm，宽带的宽度为Lr1＝2.4mm±1mm，”C”型结构贴片23的卡口间距为dr＝0.8mm±0.1mm；所述网状型结构贴片25的边长为We＝5.9mm±1mm，与天线馈线23的距离为de＝0.2mm±0.1mm，与微波介质基板1侧边缘的距离为Le＝2.95mm±1mm，网状型结构贴片25的金属带的宽度Se＝1.0mm±0.4mm；所述天线地板的矩形结构贴片3的长度为Lg＝17.5mm±2mm，第一矩形缺口31的深度为Ls＝12mm±2mm，宽度为Ws＝20mm±2mm。“L”型细槽的短边长度为Ls1＝4.0mm±1mm，长边长度为Ls2＝6.0mm±1mm，宽度为S＝1.0±0.4mm；第二U”型缺口33深度为Lc＝3.0mm±1mm，宽度为Wc＝4.0mm±1mm，与第一矩形缺口31的间距为dg＝10.86mm±2mm。
参见图5，图5是天线两个端口回波损耗的曲线图，其中a是S11的曲线图，b是S22的曲线图。由于天线结构的对称性，天线两个端口的回波损耗曲线理论上是相同的。由仿真曲线可见，-10dB回波损耗带宽范围是2.95～10.48GHz。
参见图6，图6是天线两个端口间隔离度的曲线图。在所测频段，天线端口之间隔离度均在-16dB以下，同时天线在5.15～5.87GHz频段和7.28～8.0GHz频段内产生较好的陷波特性。
参见图7，图7是第一端口在3.5GHz激励的主极化和交叉极化方向图。其中a1是E面交叉极化方向图，b1是E面主极化方向图，c1是H面交叉极化方向图，d1是H面主极化方向图。
参见图8，图8是第二端口在3.5GHz激励的主极化和交叉极化方向图。其中a2是E面交叉极化方向图，b2是E面主极化方向图，c2是H面交叉极化方向图，d2是H面主极化方向图。
参见图9，图9是第一端口在5.0GHz激励的主极化和交叉极化方向图。其中a3是E面交叉极化方向图，b3是E面主极化方向图，c3是H面交叉极化方向图，d3是H面主极化方向图。
参见图10，图10是第二端口2在5.0GHz激励的主极化和交叉极化方向图。其中a4是E面交叉极化方向图，b4是E面主极化方向图，c4是H面交叉极化方向图，d4是H面主极化方向图。
参见图11，图11是第一端口在6.3GHz激励的主极化和交叉极化方向图。其中a5是E面交叉极化方向图，b5是E面主极化方向图，c5是H面交叉极化方向图，d5是H面主极化方向图。
参见图12，图12是第二端口在6.3GHz激励的主极化和交叉极化方向图。其中a6是E面交叉极化方向图，b6是E面主极化方向图，c6是H面交叉极化方向图，d6是H面主极化方向图。
参见图13，图13是第一端口在9.8GHz激励的主极化和交叉极化方向图。其中a7是E面交叉极化方向图，b7是E面主极化方向图，c7是H面交叉极化方向图，d7是H面主极化方向图。
参见图14，图14是第二端口在9.8GHz激励的主极化和交叉极化方向图。其中a8是E面交叉极化方向图，b8是E面主极化方向图，c8是H面交叉极化方向图，d8是H面主极化方向图。
由以上不同频点的主极化和交叉极化方向图，可看出交叉极化的增益在-10dB左右，具有较低的交叉极化特性；同时第一端口激励的方向图与第二端口激励的方向图相差90度，这与第一端口和第二端口对应的两天线单元相互垂直排布，从而达到极化分集的结果相对应。

Claims (4)

1.一种具有双陷波结构的UWB-MIMO天线，包括正方形的微波介质基板，微波介质基板上表面和下表面均设有金属贴片；其特征在于，上表面金属贴片构成相同结构的2个超宽带天线单元，2个超宽带天线单元相互垂直，且以微波介质基板的对角线为基准对称设置；超宽带天线单元的上部为等腰梯形结构贴片与半圆形结构贴片组合而成，该组合结构贴片作为天线辐射单元，超宽带天线单元的下部为矩形结构贴片，该矩形结构贴片作为天线馈线，天线馈线与所述腰梯形结构贴片连接，所述天线辐射单元与天线馈线连接为一体式结构，在天线馈线两侧方对称设有“C”型结构贴片和网状型结构贴片，其中网状型贴片的中心通过设于微波介质基板上的通孔与微波介质基板下表面的贴片连接；微波介质基板下表面的贴片作为天线地板，天线地板整体呈“L”型，其构成是在2个结构相同垂直相连的矩形贴片的夹角处开有第一矩形缺口，并在第一矩形缺口底端2个夹角处对称开有“L”型细槽，而且在与所述辐射单元与天线馈线相连处正对的天线地板位置处开有第二矩形缺口。
2.如权利要求1所述一种具有双陷波结构的UWB-MIMO天线，其特征在于，所述微波介质基板采用双面覆铜的微波介质基板。
3.如权利要求1所述一种具有双陷波结构的UWB-MIMO天线，其特征在于，所述微波介质基板为Rogers RO4232(tm)，边长为W＝55mm±5mm，厚度为H＝1mm±4um，介电常数为3.2，损耗正切角为0.0018。
4.如权利要求1所述一种具有双陷波结构的UWB-MIMO天线，其特征在于，所述半圆形结构贴片的直径为2R＝16.46mm±2mm，等腰梯形结构贴片的上底为Wp＝6.35mm±1mm，下底为2R＝16.46mm±2mm，高为Hp＝8.75mm±1mm；天线馈线的长度Lf＝18.0mm±2mm，宽度为Wf＝2.5±1mm，与微波介质基板侧边的距离为Wd＝9.75mm±1mm；所述”C”型结构贴片的长度为Lr＝4.0mm±1mm，宽度为Wr＝5.9mm±1mm，与天线馈线的距离为df＝0.3mm±0.1mm，与微波介质基板底边的距离为Gr＝9.2mm±1mm“C”型结构贴片窄带的宽度为Sr＝0.5mm±0.1mm，宽带的宽度为Lr1＝2.4mm±1mm，“C”型结构贴片的卡口间距为dr＝0.8mm±0.1mm；所述网状型结构贴片的边长为We＝5.9mm±1mm，与天线馈线的距离为de＝0.2mm±0.1mm，与微波介质基板侧边缘的距离为Le＝2.95mm±1mm，网状型结构贴片的金属带的宽度Se＝1.0mm±0.4mm；所述天线地板的矩形结构贴片的长度为Lg＝17.5mm±2mm，第一矩形缺口的深度为Ls＝12mm±2mm，宽度为Ws＝20mm±2mm；“L”型细槽的短边长度为Ls1＝4.0mm±1mm，长边长度为Ls2＝6.0mm±1mm，宽度为S＝1.0±0.4mm；第二矩形缺口深度为Lc＝3.0mm±1mm，宽度为Wc＝4.0mm±1mm，与第一矩形缺口的间距为dg＝10.86mm±2mm。
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