CN106910991A - 一种基于分段线的高隔离度双极化mimo环天线 - Google Patents

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Abstract

一种基于分段线的高隔离度双极化MIMO环天线，属于通信技术的天线设计领域。利用同一个环状结构，通过不同的激励点位置和结构来得到两种正交的辐射模式，实现共点正交且具有正交方向图的电、磁偶极子。在第一端口100利用共面的平行传输线馈电时，基于等效电容加载的分段周期结构的环天线会形成幅度均匀且同向的环电流，其辐射特性可以等效为磁偶极子。在第二端口101利用“T”型微带馈线结构，在端口输入等幅反相的激励电流，此时环天线的辐射特性可以等效为电偶极子。这种双极化天线本身具有很高的隔离度，不需要附加额外降耦合结构，并且整个天线为单层平面结构，具有结构简单，紧凑，易于加工和实现的优点。

Description

一种基于分段线的高隔离度双极化MIMO环天线
技术领域
本发明涉及一种基于分段线的高隔离度双极化MIMO环天线，属于通信技术的天线设计领域。
背景技术
近些年来，随着人们对高速率数据传输的要求，多输入多输出(MIMO)系统以其可以大幅度提高通信系统的可靠性和吞吐量，在实际通信领域里有着广泛的应用。无线电波在有多径的室内或者室外传播时，经过复杂的反射、散射和绕射等作用，其极化方式可能会产生很大的变化，为了有效地发射和接收信号，收、发端采用具有极化分集特性的天线所构成的MIMO系统就显得尤为重要，与单极化天线构成的MIMO系统相比，利用双极化天线构成的MIMO系统最大可以获得两倍的信道容量。
传统的双极化MIMO天线一般是利用两个正交的电场分量获得低相关性的信号，但理论研究表明，在多径丰富的环境中，能够获得相互正交的电场分量和磁场分量的空间共点的电偶极子和磁偶极子天线也可以获得两个独立的信道。然而设计这种共点正交的电、磁偶极子天线存在如下挑战：
1)距离很近的天线之间易产生较大的耦合，从而影响天线的辐射效率，因此如何通过天线结构的设计获得低耦合且共点正交的双极化电、磁偶极子天线存在较大困难；
2)为了获得具有接近理想磁偶极子的辐射特性，要求环天线上具有均匀电流分布，而一个电大尺寸的环天线上的电流一般并不具有均匀的分布特性；
3)共点正交的电、磁偶极子天线工作于相同频带。
为了同时满足上述三个条件，需要对电、磁偶极子天线的结构和馈电方式进行合理的选择和设计。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种基于分段线结构的高隔离度双极化MIMO环天线，由共点正交并具有正交方向图的电、磁偶极子构成。
一种基于分段线的高隔离度双极化MIMO环天线，利用同一个环状结构，通过不同的激励点位置和结构来得到两种正交的辐射模式，实现共点正交且具有正交方向图的电、磁偶极子；在第一端口利用共面的平行传输线馈电时，基于等效电容加载的分段周期结构的环天线会形成幅度均匀且同向的环电流，其辐射特性可以等效为磁偶极子；在第二端口利用“T”型微带馈线结构，在端口输入等幅反相的激励电流，此时环天线的辐射特性可以等效为电偶极子。
环天线为一个基于分段线的环状结构，还包括两个馈电结构。
环天线是基于一种分段线的周期结构，由内外两个环组成，外环和内环均位于介质层的上表面，它们具有相似的结构，均由周期分布的第一分段线、第二分段线组成，但可以具有不同的线宽和线长。
分段线的两个周期单元之间可看作容性负载加载，这样可以使相邻周期单元的电流不产生相位偏移，并使环天线在电大结构时也可以获得均匀的电流分布。
在介质层底部，放置两个馈电端口，分别位于环天线的两端，以保证两端口之间的高隔离度。
其中内环使用共面的平行传输线激励其两个相邻周期单元，获得一个磁偶极子；外环使用一种T型馈线，激励其单个周期结构单元，获得一个电偶极子，T型馈线是一种微带传输线，需要在内环中间添加金属地结构。
本发明的优点是：
本发明是首次提出了一种基于分段线的高隔离度双极化MIMO环天线，利用同一个环状结构，通过不同的激励点位置和结构来得到两种正交的辐射模式，实现共点正交且具有正交方向图的电、磁偶极子。这种双极化天线本身具有很高的隔离度，不需要附加额外降耦合结构，并且整个天线为单层平面结构，具有结构简单，紧凑，易于加工和实现的优点。
附图说明
当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更透彻地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，如图其中：
图1为本发明提供的基于分段线的高隔离度双极化环天线三维图。
图2为图1的俯视图即上表面结构示意图。
图3为图1的仰视图即下表面的两个端口馈电结构示意图。
图4(a)为实施例2中电偶极子天线的表面电流分布。
图4(b)为实施例2中磁偶极子天线的表面电流分布。
图5(a)为实施例2正面尺寸图，分别以印刷电路板的上下表面表示，单位均为毫米(mm)。
图5(b)为实施例2背面尺寸图，分别以印刷电路板的上下表面表示，单位均为毫米(mm)。
图6为实施例2的基于分段线的高隔离度双极化环天线的回波损耗(S11，S22)。
图7为实施例2基于分段线的高隔离度双极化环天线的隔离度(S12)。
图8(a)为实施例2的基于分段线的高隔离度双极化环天线第一端口馈电时工作于2.4GHz的XY面辐射方向图。
图8(b)为实施例2的基于分段线的高隔离度双极化环天线第一端口馈电时工作于2.4GHz的YZ面辐射方向图。
图9(a)为实施例2的基于分段线的高隔离度双极化环天线第二端口馈电时工作于2.4GHz的XY面辐射方向图。
图9(b)为实施例2的基于分段线的高隔离度双极化环天线第二端口馈电时工作于2.4GHz的YZ面辐射方向图。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
具体实施方式
为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明做近一步的详细说明。
实施例1：
一种基于分段线的高隔离度双极化MIMO环天线，是由一个基于分段线的环状结构和两个馈电结构构成。
一种基于分段线的高隔离度双极化MIMO环天线，基于一种分段线的周期结构，由内、外两个环组成，如图1所示，外环20和内环30均位于介质层的上表面，它们具有相似的结构，均由周期分布的第一外环分段线21、第二外环分段线22、第三外环分段线23、第四外环分段线24、第五外环分段线25、第六外环分段线26、第七外环分段线27、第八外环分段线28、第一内环分段线31、第二内环分段线32、第三内环分段线33、第四内环分段线34、第五内环分段线35、第六内环分段线36、第七内环分段线37、第八内环分段线38组成，但可以具有不同的线宽和线长。
分段线的两个周期单元之间可看作容性负载加载，这样可以使相邻周期单元的电流不产生相位偏移，并使环天线在电大结构时也可以获得均匀的电流分布部，放置两个馈电端口，分别位于环天线的两端，以保证两端口之间的高隔离度。
其中内环使用共面的平行传输线激励其两个相邻周期单元，获得一个磁偶极子；外环使用一种T型馈线，激励其单个周期结构单元，获得一个电偶极子，T型馈线是一种微带传输线，需要在内环中间添加金属地12结构。
实施例2：
一种基于分段线的高隔离度双极化MIMO环天线，要获得可以等效为理想磁偶极子的环天线，其环上的电流分布应该是大小相等且同向的。通过采用周期结构的分段线天线，当环天线上的电流方向反向时，如图4(a)所示，其辐射可等效为一个电偶极子天线，当环上电流等幅同向时，如图4(b)所示，其辐射等效为一个磁偶极子天线。
参阅图1，为本发明的所述的基于分段线的双极化环天线的三维图，具体包括上表面分段金属环的第一外环分段线21、第二外环分段线22、第三外环分段线23、第四外环分段线24、第五外环分段线25、第六外环分段线26、第七外环分段线27、第八外环分段线28、第一内环分段线31、第二内环分段线32、第三内环分段线33、第四内环分段线34、第五内环分段线35、第六内环分段线36、第七内环分段线37、第八内环分段线38，圆形微波介质基板11，金属地12以及第一下表面馈电结构42、第二下表面馈电结构41。
其中第一下表面馈电端口100为平行馈线，与上表面通过金属通孔103相连，第二下表面是T型结构馈电端口101，位于第一下表面馈电端口的相反方向。
本发明的技术方案是这样实现的：采用周期性分布的分段线环结构，可以引入串联电容，利用共面的平行传输线馈电实现分段线金属环面上的电流等幅、同相分布，其激励模式相当于一个磁偶极子。利用T型微带线结构，可以在天线上激励出等幅反向的电流。
这种天线结构简单，易于加工，第一端口100和第二端口101之间隔离度较高。第一端口100可以产生XY面全向的辐射特性，第二端口101会产生YZ面全向的辐射特性。通过调节馈电微带线和双平行传输线的尺寸可以获得良好的阻抗匹配。
该结构具体说明如下：
介质基板采用介电常数4.6，厚度为0.8mm，半径为34mm的环氧树脂板Fr4。馈电端口采用特性阻抗为50Ω的同轴馈电，其余结构尺寸见图5(a)和图5(b)，单位均为毫米(mm)。
如图5(a)和图5(b)所示的基于分段线的双极化环天线模型的回波损耗的仿真结果如图6所示，S11和S22均小于-10dB的带宽为2.27-2.5GHz(230MHz)，其工作带宽可以覆盖2.4GHz的无线局域网络标准频段。
图7为实施例基于分段线的双极化环天线的端口之间的隔离度S12的仿真结果，可见其隔离度>65dB，可以看出基于该结构的天线端口之间有很高的隔离度。
图8(a)和图8(b)分别为基于分段线的双极化环天线第一端口100馈电时，工作于2.4GHz时的XY面辐射方向图和YZ面辐射方向图。
图9(a)和图9(b)分别为基于分段线的双极化环天线第二端口101馈电时，工作于2.4GHz时的XY面辐射方向图和YZ面辐射方向图。从图8(a)和图8(b)和图9(a)和图9(b)可见，本发明所设计的双极化天线具有非常接近理想电、磁偶极子的辐射特性。
如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于分段线的高隔离度双极化MIMO环天线，其特征在于利用同一个环状结构，通过不同的激励点位置和结构来得到两种正交的辐射模式，实现共点正交且具有正交方向图的电、磁偶极子；在第一端口利用共面的平行传输线馈电时，基于等效电容加载的分段周期结构的环天线会形成幅度均匀且同向的环电流，其辐射特性可以等效为磁偶极子；在第二端口利用“T”型微带馈线结构，在端口输入等幅反相的激励电流，此时环天线的辐射特性可以等效为电偶极子。
2.根据权利要求1所述的一种基于分段线的高隔离度双极化MIMO环天线，其特征在于环天线为一个基于分段线的环状结构，还包括两个馈电结构。
3.根据权利要求1所述的一种基于分段线的高隔离度双极化MIMO环天线，其特征在于环天线是基于一种分段线的周期结构，由内外两个环组成，外环和内环均位于介质层的上表面，它们具有相似的结构，均由周期分布的第一分段线、第二分段线组成，但可以具有不同的线宽和线长。
4.根据权利要求3所述的一种基于分段线的高隔离度双极化MIMO环天线，其特征在于分段线的两个周期单元之间可看作容性负载加载，这样可以使相邻周期单元的电流不产生相位偏移，并使环天线在电大结构时也可以获得均匀的电流分布。
5.根据权利要求3所述的一种基于分段线的高隔离度双极化MIMO环天线，其特征在于在介质层底部，放置两个馈电端口，分别位于环天线的两端，以保证两端口之间的高隔离度。
6.根据权利要求3所述的一种基于分段线的高隔离度双极化MIMO环天线，其特征在于其中内环使用共面的平行传输线激励其两个相邻周期单元，获得一个磁偶极子；外环使用一种T型馈线，激励其单个周期结构单元，获得一个电偶极子，T型馈线是一种微带传输线，需要在内环中间添加金属地结构。
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