CN107069207A - 一种基于人工电磁超材料去耦的mimo天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于人工电磁超材料去耦的MIMO天线，包括介质基板、设于介质基板上表面的辐射单元阵列、设于介质基板下表面的地板和至少一个三角开口谐振环；辐射单元阵列包括至少两个天线贴片单元，所述天线贴片单元包括天线本体和连接于天线本体上的馈线；三角开口谐振环布设于天线贴片单元之间，所述三角开口谐振环包括顺次连接的第一段、第二段、第三段、第四段和第五段；所述第一段与第五段平行设置，且二者的延伸方向均与第三段的延伸方向垂直；所述第二段和第四段以第三段的中垂线为对称轴对称设置。本发明通过引入一种新的三角开口谐振环结构，并成功与MIMO天线单元相结合，表现出高增益、低损耗的特点，同时具有体积小、加工方便、装配简单等优点。

Description

一种基于人工电磁超材料去耦的MIMO天线
技术领域
本发明属于无线通信器件领域，具体涉及一种基于人工电磁超材料去耦的MIMO天线。
背景技术
在无线通信系统的发展进程中，MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技术发挥着巨大的作用，因此MIMO技术自从出现以来，一直是无线通信领域的研究热点。而在MIMO技术研究中，重点需要突破的问题就是MIMO天线单元之间如何提高隔离度的问题。人工电磁超材料是一种人工超材料，当它的几何结构比它的工作波长更小时，即为亚波长大小，就可以获得一些特殊的性质，比如负介电常数、负磁导率和负折射率。将超材料单元置于MIMO天线阵列之间，利用人工超材料的特性，通过对其结构进行设计，可以调节其谐振频率附近的金属欧姆损耗以及介电损耗，实现对入射电磁波的吸收，从而达到MIMO天线单元之间去耦的效果，提高MIMO天线单元之间的隔离度。
发明内容
为了达到上述目的，本发明提出一种基于人工电磁超材料去耦的MIMO天线，通过引入一种新的三角开口谐振环结构，并成功与MIMO天线单元相结合，表现出高增益、低损耗的特点，同时具有体积小、加工方便、装配简单等优点。
实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种基于人工电磁超材料去耦的MIMO天线，包括介质基板、设于介质基板上表面的辐射单元阵列和设于介质基板下表面的地板，还包括至少一个三角开口谐振环；
所述辐射单元阵列包括至少两个天线贴片单元，所述天线贴片单元包括天线本体和连接于天线本体上的馈线；
所述三角开口谐振环布设于天线贴片单元间或者周围，与辐射单元阵列处于同一水平面，且所述三角开口谐振环包括顺次连接的第一段、第二段、第三段、第四段和第五段；所述第一段与第五段平行设置，且二者的延伸方向均与第三段的延伸方向垂直；所述第二段和第四段以第三段的中垂线为对称轴对称设置。
进一步地，所述辐射单元阵列中的天线贴片单元呈网格状分布。
进一步地，所述辐射单元阵列包括两个或者三个并排设置的天线贴片单元。
进一步地，所有的三角开口谐振环按行顺次排列。
进一步地，所述三角开口谐振环的谐振频率F满足：F:5.2＝a:4.84；第五段的长度与第一段的长度相同，二者底端与第三段之间的垂直距离e满足：e＝0.087*a，二者之间的水平距离c满足：c＝0.172*a，其中a为第二段的长度。
进一步地，所述第一段的长度d满足d＝0.545*a。
进一步地，所述第三段的长度b满足：b＝1.62*a。
进一步地，所述相邻三角开口谐振环与天线贴片单元之间的距离大于或者等于1mm。
进一步地，所述相邻三角开口谐振环之间距离大于或者等于0.2mm。
进一步地，所述介质基板由FR-4材料制成。
本发明的有益效果：
本发明通过在辐射单元阵列的天线贴片单元之间放置三角开口谐振环，使得整个MIMO天线在工作频率内，表现出高增益、低损耗的特点，同时具有馈电系统简单、体积小、加工方便、容易装配等优点；而且，可以通过调整三角开口谐振环的尺寸，实现天线工作频率的调谐，拓宽工作范围。
附图说明
图1为基于人工电磁超材料去耦的MIMO天线的结构示意图；
图2为单个三角开口谐振环的二维尺寸示意图；
图3为实施例二中的基于人工电磁超材料去耦的MIMO天线的结构示意图；
图4为谐振频率为5.2GHz三角开口谐振环折射率、等效相对磁导率、等效相对介电常数曲线示意图；
图5为隔离度参数的仿真曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
开口谐振环(Split Ring Resonator，SRR)是一种具有开口环状的金属结构，在电磁波激励下可发生谐振，由于谐振时其等效磁导率为负，从而成为人工电磁超材料的基本组成单元。将开口谐振环置于辐射单元阵列的各天线贴片单元之间，并可以通过改变其结构去调节其谐振频率附近的金属欧姆损耗以及介电损耗，以实现对入射电磁波的吸收，从而提高MIMO天线单元之间的隔离度。
实施例一
一种基于人工电磁超材料去耦的MIMO天线，包括介质基板2、设于介质基板2上表面的辐射单元阵列、设于介质基板2下表面的地板3和若干个三角开口谐振环4；
所述辐射单元阵列包括两个或者三个并排设置的天线贴片单元1，所述天线贴片单元1包括天线本体101和连接于天线本体上的馈线102，馈线端口103设于介质基板2的侧部；在本发明实施例的其他实施方式中，当所述辐射单元阵列中的天线贴片单元的个数大于或者等于4个时，所述辐射单元阵列中的天线贴片单元呈网格状分布。
所述三角开口谐振环4布设于天线贴片单元1间或者周围，与辐射单元阵列处于同一水平面，用于提高MIMO天线的隔离度；具体地：如图1和2所示，所述三角开口谐振环4包括顺次连接的第一段、第二段、第三段、第四段和第五段；所述第一段与第五段平行设置，且二者的延伸方向均与第三段的延伸方向垂直；所述第二段和第四段以第三段的中垂线为对称轴对称设置；本发明实施例中的三角开口谐振环4的材料与天线贴片单元1的材料相同，优选由0.035mm厚度的铜制成。
其中，所述第一段的长度d满足：d＝0.545*a，a为第二段的长度；所述第五段的长度与第一段的长度相同，二者底端与第三段之间的垂直距离e满足：e＝0.087*a，二者之间的水平距离c满足：c＝0.172*a，所述第三段的长度b满足：b＝1.62*a；所述三角开口谐振环的谐振频率F满足：F:5.2＝a:4.84；三角开口谐振环的谐振频率与天线的工作频率(中心频率)相同，因此，可以根据需要去耦的天线的工作频率，来求得所需要的三角开口谐振环的结构参数。
本发明实施例中的三角开口谐振环可以等效为一个LC谐振电路，其所提供的电感大小由第三段的长度b(即金属环长度)决定，所提供的电容的大小由第一段和第五段之间的水平距离c(即金属环间隙宽度)决定，因此，该三角开口谐振环的谐振频率点的调节可以通过改变其结构尺寸参数来实现(即通过改变参数a-f来调节三角开口谐振环的谐振频率)，最简单的调节方式为按谐振频率比例来缩放参数a-f的大小。
优选地，为了达到最好的去耦效果，所述三角开口谐振环的最大放置数量N可以通过借助于仿真系统，以达到去耦指标同时不影响天线其他性能指标为目标来确定。
优选地，为了提高隔离度，所有的三角开口谐振环按行顺次排列，以形成去耦阵列。
为了进一步提高MIMO天线的隔离度，所述相邻三角开口谐振环与天线贴片单元之间的距离大于或者等于1mm；所述相邻三角开口谐振环之间距离大于或者等于0.2mm。
在本发明实施例的一种实施方式中，所述介质基板由FR-4材料制成，在本发明实施例的其他实施例中，介质基板还可以由其他材料制成。
实施例二
下面以由两个矩形天线贴片单元构成的MIMO天线为例，对本发明进行进一步详细说明。
一种基于人工电磁超材料去耦的MIMO天线，包括介质基板、设于介质基板上表面的辐射单元阵列、设于介质基板下表面的地板、三角开口谐振环和馈电端口；本实施例中的介质基板采用材料是FR-4，其相对介电常数εr＝4.4，损耗正切值tanσ＝0.02，厚度h为1.6mm，介质基板的大小Lg＝91.75mm、Wg＝40mm、天线贴片单元的L＝40mm，天线贴片单元的宽度W＝27.9mm，覆铜层厚度为0.035mm；
所述辐射单元阵列包括结构相同的第一天线贴片单元和第二天线贴片单元，且第一天线贴片单元与第二天线贴片单元并列放置；
所述三角开口谐振环的数目为17个，三角开口谐振环设于第一天线贴片单元和第二天线贴片单元之间，且按行顺次排列，形成去耦阵列；所述三角开口谐振环与天线贴片单元之间的距离大于或者等于1mm，相邻三角开口谐振环之间距离大于或者等于0.2mm，在本发明实施例中，另外，本实施例中的馈电模式为常规SMA馈电。
以天线工作频率5.2GHz为例，本发明实施例中的三角开口谐振环的a-f尺寸参数如表1所示。
表1
参数名称 a b c d e f
长度 4.84mm 7.84mm 0.83mm 2.64mm 0.42mm 0.28mm
通过HFSS仿真软件提取该天线的输入反射系数S11和输出反射系数S21，计算该三角开口谐振环的折射率n和波阻抗z，进而获得其等效相对介电常数和等效相对磁导率。其过程如下：
输入反射系数S11的计算公式为：
其中，k0代表自由空间的入射波波数，d代表均匀介质基板厚度，
输出反射系数S21与传输矩阵T有关：
通过公式(1)和(2)得到：
公式(3)的正负取值由z'≥0决定，其中z'代表阻抗z的实部。
根据公式(4)，折射率n可表示为：
其中m为整数，与介质基板中传播的波长数目有关，但是超材料的有效波长很小，考虑到无源材料满足能量守恒和热力学第二方程，因此，m是保证等效相对介电常数的虚部大于0时的最小值。等效相对介电常数εr和等效相对磁导率μr可以通过下述公式求得：
εr＝n/z (6)
μr＝nz (7)
利用MATLAB进行仿真计算，得到三角开口谐振环的等效相对磁导率μr、等效相对介电常数εr和折射率n的曲线图，具体见图4。由图4可知，三角开口谐振环在谐振频率为5.2GHz时，其等效相对介电常数、等效相对磁导率、折射率同时为负值，因此在5.2GHz频率下，该三角开口谐振环可等效为一负介电常数、负磁导率、负折射率的超材料，图5为MIMO天线的去耦效果图，可以看出，在工作频率附近，天线贴片单元之间隔离度最高优化了10dB。
同理可得具有其他谐振频率的三角开口谐振环的结构尺寸参数，表2为谐振频率为5.12GHz和5.15GHz的三角开口谐振环尺寸。
综上所述：
本发明通过在辐射单元阵列的天线贴片单元之间放置三角开口谐振环，使得整个MIMO天线在工作频率内，表现出高增益、低损耗的特点，同时具有馈电系统简单、体积小、加工方便、容易装配等优点；而且，可以通过调整三角开口谐振环的尺寸，实现天线工作频率的调谐，拓宽工作范围。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种基于人工电磁超材料去耦的MIMO天线，包括介质基板、设于介质基板上表面的辐射单元阵列和设于介质基板下表面的地板，其特征在于：还包括至少一个三角开口谐振环；
所述辐射单元阵列包括至少两个天线贴片单元，所述天线贴片单元包括天线本体和连接于天线本体上的馈线；
所述三角开口谐振环布设于天线贴片单元间或者周围，与辐射单元阵列处于同一水平面，且所述三角开口谐振环包括顺次连接的第一段、第二段、第三段、第四段和第五段；所述第一段与第五段平行设置，且二者的延伸方向均与第三段的延伸方向垂直；
所述第二段和第四段以第三段的中垂线为对称轴对称设置。
2.根据权利要求1所述的一种基于人工电磁超材料去耦的MIMO天线，其特征在于：所述辐射单元阵列中的天线贴片单元呈网格状分布。
3.根据权利要求1所述的一种基于人工电磁超材料去耦的MIMO天线，其特征在于：所述辐射单元阵列包括两个或者三个并排设置的天线贴片单元。
4.根据权利要求3中任一项所述的一种基于人工电磁超材料去耦的MIMO天线，其特征在于：所有的三角开口谐振环按行顺次排列。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的一种基于人工电磁超材料去耦的MIMO天线，其特征在于：所述三角开口谐振环的谐振频率F满足：F:5.2＝a:4.84；第五段的长度与第一段的长度相同，二者底端与第三段之间的垂直距离e满足：e＝0.087*a，二者之间的水平距离c满足：c＝0.172*a，其中a为第二段的长度。
6.根据权利要求5所述的一种基于人工电磁超材料去耦的MIMO天线，其特征在于：所述第一段的长度d满足d＝0.545*a。
7.根据权利要求6所述的一种基于人工电磁超材料去耦的MIMO天线，其特征在于：所述第三段的长度b满足：b＝1.62*a。
8.根据权利要求5所述的一种基于人工电磁超材料去耦的MIMO天线，其特征在于：所述相邻三角开口谐振环与天线贴片单元之间的距离大于或者等于1mm。
9.根据权利要求5所述的一种基于人工电磁超材料去耦的MIMO天线，其特征在于：所述相邻三角开口谐振环之间距离大于或者等于0.2mm。
10.根据权利要求1所述的一种基于人工电磁超材料去耦的MIMO天线，其特征在于：所述介质基板由FR-4材料制成。
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