CN107171069A - 一种宽阻带滤波mimo天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽阻带滤波MIMO天线，为多层板结构，底层为微带耦合线结构，中间层为开槽地板，顶层为辐射贴片结构，底层上的开路谐振器通过开槽地板的缝隙与顶层的辐射贴片耦合；其中，在底层上设置有第一输入端口、第二输入端口、第三输入端口、第四输入端口，及具有二分之一波长的第一开路谐振器、第二开路谐振器、第三开路谐振器、第四开路谐振器、第五开路谐振器、第六开路谐振器、第七开路谐振器、第八开路谐振器；在中间层上开设有第一缝隙、第二缝隙、第三缝隙、第四缝隙；在顶层上设置有第一辐射贴片、第二辐射贴片、第三辐射贴片、第四辐射贴片。本发明能够实现很好的滤波特性和宽阻带特性，具有设计灵活、低剖面、成本低、宽阻带等优点。

Description

一种宽阻带滤波MIMO天线

技术领域

本发明涉及滤波天线的技术领域，尤其是指一种宽阻带滤波MIMO天线。

背景技术

随着近年来无线通信的高速发展，滤波天线由于其将滤波器和天线集成一体化的设计而受到广大关注。通过将天线作为滤波器的最后一阶谐振器，在获得具有滤波响应的反射系数的同时，滤波天线的增益也将具有选择性。这种滤波天线结构相对于传统的滤波器通过传输线级联天线的设计，避免了传统设计中的阻抗失配问题，并且减小的系统的整体尺寸。而贴片天线由于其低剖面，易加工，低成本的特性而被广泛应用于滤波天线的设计。

MIMO系统，即多输入多输出系统，通过设置多根发射和接收天线，再经过特定的数据处理，通信容量能够成倍的增加，从而满足现在日益增长的通信服务需求。传统的MIMO系统中，每个天线单元都会通过一段传输线与一个带通滤波器相连，而当MIMO系统的天线单元太多时，这种设计将会使整个系统体积过大并且增加成本。通过将滤波天线设计成MIMO天线，既能提高信道容量，又能实现滤波、减小尺寸和成本的效果。

对现有技术进行调查了解，具体如下：

2017年，Xiu Yin Zhang等人在"IEEE TREANSACTIONS ON ANTENNAS ANDPROPAGATION"上发表题为"Low‐Profile Dual‐Band Filtering Patch Antenna and ItsApplication to LTE MIMO System"，文中通过多模谐振器激励两块嵌套的贴片，设计了一款双频滤波贴片天线并且将其应用到了MIMO系统之中。天线实现了良好的滤波效果和辐射特性。

2016年，Hu Taotao等人在"IEEE International Conference on IntegratedCircuits and Microsystems"上发表题为"Design of MIMO Filter Antenna Based onCoupled Resonator"，设计了一款二单元滤波MIMO天线，通过在两个天线单元之间加入树状去耦结构，增加了单元之间的互耦合，但是该滤波天线的选择性较差并且增益不够理想。

2017年，P.F.Hu等人在"IEEE TREANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION"上发表题为"Broadband Filtering Dielectric Resonator Antenna With WideStopband",文中通过使用介质谐振器设计了一款新型的滤波天线，实现了二倍频的谐波抑制。

总的来说，现今关于滤波天线的研究日新月异，但是关于MIMO滤波天线的研究却很少，关于滤波天线宽阻带的研究则更少。本文基于作者对于耦合线结构的研究，设计了一种新型的宽阻带滤波贴片天线，并将其应用到了MIMO天线系统中，弥补了相关方面研究的不足。该天线具有低剖面，宽阻带，易加工，低成本的特性，具有很高的应用价值。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺点，提出了一种基于加载耦合线的宽阻带滤波MIMO天线，能够实现很好的滤波特性和宽阻带特性，具有设计灵活、低剖面、成本低、宽阻带等优点。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种宽阻带滤波MIMO天线，所述天线为多层板结构，底层为微带耦合线结构，中间层为开槽地板，顶层为辐射贴片结构，底层上的开路谐振器通过开槽地板的缝隙与顶层的辐射贴片耦合；在所述底层上设置有第一输入端口、第二输入端口、第三输入端口、第四输入端口，及具有二分之一波长的第一开路谐振器、第二开路谐振器、第三开路谐振器、第四开路谐振器、第五开路谐振器、第六开路谐振器、第七开路谐振器、第八开路谐振器；在所述中间层上开设有第一缝隙、第二缝隙、第三缝隙、第四缝隙；在所述顶层上设置有第一辐射贴片、第二辐射贴片、第三辐射贴片、第四辐射贴片；所述天线区分有四个滤波天线单元，分别为第一滤波天线单元、第二滤波天线单元、第三滤波天线单元、第四滤波天线单元；所述第一天线单元由第一输入端口、第一开路谐振器、第二开路谐振器、第一缝隙、第一辐射贴片构成，该第一输入端口通过其传输线与第一开路谐振器耦合，该第一开路谐振器与第二开路谐振器耦合，该第二开路谐振器通过第一缝隙与第一辐射贴片耦合；所述第二滤波天线单元由第二输入端口、第三开路谐振器、第四开路谐振器、第二缝隙、第二辐射贴片构成，该第二输入端口通过其传输线与第三开路谐振器耦合，该第三开路谐振器与第四开路谐振器耦合，该第四开路谐振器通过第二缝隙与第二辐射贴片耦合；所述第三滤波天线单元由第三输入端口、第五开路谐振器、第六开路谐振器、第三缝隙、第三辐射贴片构成，该第三输入端口通过其传输线与第五开路谐振器耦合，该第五开路谐振器与第六开路谐振器耦合，该第六开路谐振器通过第三缝隙与第三辐射贴片耦合；所述第四滤波天线单元由第四输入端口、第七开路谐振器、第八开路谐振器、第四缝隙、第四辐射贴片构成，该第四输入端口通过其传输线与第七开路谐振器耦合，该第七开路谐振器与第八开路谐振器耦合，该第八开路谐振器通过第四缝隙与第四辐射贴片耦合；其中，所述第一开路谐振器、第二开路谐振器、第三开路谐振器、第四开路谐振器、第五开路谐振器、第六开路谐振器、第七开路谐振器、第八开路谐振器、第一辐射贴片、第二辐射贴片、第三辐射贴片、第四辐射贴片均工作在同一频率；所述第二开路谐振器、第四开路谐振器、第六开路谐振器、第八开路谐振器分别通过第一缝隙、第二缝隙、第三缝隙、第四缝隙与第一辐射贴片、第二辐射贴片、第三辐射贴片、第四辐射贴片耦合，实现三阶切比雪夫滤波响应；所述第一缝隙、第二缝隙、第三缝隙、第四缝隙分别与相邻缝隙呈90°垂直放置，以满足各滤波天线单元之间的隔离需求。

所述第一开路谐振器、第二开路谐振器、第三开路谐振器、第四开路谐振器、第五开路谐振器、第六开路谐振器、第七开路谐振器、第八开路谐振器均采用折弯结构来减小尺寸。

所述第一输入端口、第二输入端口、第三输入端口、第四输入端口的传输线阻抗均为50欧姆。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、通过使用加载耦合线的谐波抑制技术，有效的抑制滤波天线的谐波，实现了宽阻带的特性，提高了系统的信噪比。

2、通过将滤波天线设计成MIMO结构，增大了滤波天线的通信容量。

3、本发明的宽阻带滤波MIMO天线具有设计简单，带外选择性良好，滤波特性好，宽阻带的特点。

4、由于本发明的宽阻带滤波MIMO天线为微带结构，重量轻、成本低、适合工业批量生产。

附图说明

图1为本发明的宽阻带滤波MIMO天线的多层板结构示意图。

图2为本发明的宽阻带滤波MIMO天线的透视结构示意图。

图3为本发明的宽阻带滤波MIMO天线的边射方向天线增益和S参数的仿真和测试结果。

图4为本发明的宽阻带滤波MIMO天线的隔离带的参数仿真和测试结果。

图5为本发明的宽阻带滤波MIMO天线的边射方向增益的阻带特性仿真和测试结果。

图6a为本发明的宽阻带滤波MIMO天线的辐射方向XOZ面图。

图6b为本发明的宽阻带滤波MIMO天线的辐射方向YOZ面图。

图7为本发明的宽阻带滤波MIMO天线的相关系数ECC的测试曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明。

参见图1和图2所示，本实施例所提供的宽阻带滤波MIMO天线为多层板结构，底层为微带耦合线结构，中间层为开槽地板21，顶层为辐射贴片结构，底层上的开路谐振器通过开槽地板的缝隙与顶层的辐射贴片耦合；在所述底层上设置有第一输入端口1、第二输入端口2、第三输入端口3、第四输入端口4，及具有二分之一波长的第一开路谐振器9、第二开路谐振器10、第三开路谐振器11、第四开路谐振器12、第五开路谐振器13、第六开路谐振器14、第七开路谐振器15、第八开路谐振器16；在所述中间层上开有第一缝隙17、第二缝隙18、第三缝隙19、第四缝隙20；在所述顶层上设置有第一辐射贴片5、第二辐射贴片6、第三辐射贴片7、第四辐射贴片8；所述天线区分有四个滤波天线单元，分别为第一滤波天线单元、第二滤波天线单元、第三滤波天线单元、第四滤波天线单元；所述第一天线单元由第一输入端口1、第一开路谐振器9、第二开路谐振器10、第一缝隙17、第一辐射贴片5构成，该第一输入端口1通过其传输线与第一开路谐振器9耦合，该第一开路谐振器9与第二开路谐振器10耦合，该第二开路谐振器10通过第一缝隙17与第一辐射贴片5耦合；所述第二滤波天线单元由第二输入端口2、第三开路谐振器11、第四开路谐振器12、第二缝隙18、第二辐射贴片6构成，该第二输入端口2通过其传输线与第三开路谐振器11耦合，该第三开路谐振器11与第四开路谐振器12耦合，该第四开路谐振器12通过第二缝隙18与第二辐射贴片6耦合；所述第三滤波天线单元由第三输入端口3、第五开路谐振器13、第六开路谐振器14、第三缝隙19、第三辐射贴片7构成，该第三输入端口3通过其传输线与第五开路谐振器13耦合，该第五开路谐振器13与第六开路谐振器14耦合，该第六开路谐振器14通过第三缝隙19与第三辐射贴片7耦合；所述第四滤波天线单元由第四输入端口4、第七开路谐振器15、第八开路谐振器16、第四缝隙20、第四辐射贴片8构成，该第四输入端口4通过其传输线与第七开路谐振器15耦合，该第七开路谐振器15与第八开路谐振器16耦合，该第八开路谐振器16通过第四缝隙20与第四辐射贴片8耦合；所述第二开路谐振器10、第四开路谐振器12、第六开路谐振器14、第八开路谐振器16分别通过第一缝隙17、第二缝隙18、第三缝隙19、第四缝隙20与第一辐射贴片5、第二辐射贴片6、第三辐射贴片7、第四辐射贴片8耦合，实现三阶切比雪夫滤波响应。另外，为了提高隔离度，设计第一缝隙17、第二缝隙18、第三缝隙19、第四缝隙20分别与相邻缝隙呈90°垂直放置。此外，为了减小整体尺寸，底层的第一开路谐振器9、第二开路谐振器10、第三开路谐振器11、第四开路谐振器12、第五开路谐振器13、第六开路谐振器14、第七开路谐振器15、第八开路谐振器16均进行了适当的弯折。设计的天线的中心频率为2.45GHz。设计中所有端口均为50欧姆的阻抗匹配。

参见图3所示，显示了本实施例上述宽阻带滤波MIMO天线的S参数和边射方向的天线增益的仿真和测试结果。由于结构的镜像对称性，图中只给出了S11曲线和S21，S31，S41曲线。天线测试的‐9dB带宽为2.43GHz到2.49GHz。天线的中心频率出增益为2.03dBi。呈现出良好的滤波特性和辐射特性。

参见图4所示，显示了本实施例上述宽阻带滤波MIMO天线隔离度的仿真和测试曲线。在通带内，该MIMO天线的隔离度大于26.5dB，实现了高隔离度的要求。

参见图5所示，显示了本实施例上述宽阻带滤波MIMO天线的宽带响应仿真和测试曲线。16GHz范围内，天线寄生辐射的增益均小于‐12.4dBi(12.1GHz处)，低于中心频率增益15dBi。因此天线15dBi水平的阻带抑制范围超过了6f0(f0＝2.45GHz)。

参见图6a、6b所示，显示了本实施例上述宽阻带滤波MIMO天线的辐射方向图。由于双层板结构在加工过程中不可避免的误差，两块介质板之间难免会有一定的缝隙，所以仿真结果和测试结果存在微小的差异。整体可以看出，该天线实现了良好的辐射特性。

参见图7所示，显示了本实施例上述宽阻带滤波MIMO天线的相关系数ECC的测试曲线。可以看到个单元之间工作频带内的相关系数均小于0.02，满足MIMO天线系统对于相关系数小于0.5的要求。

以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种宽阻带滤波MIMO天线，其特征在于：所述天线为多层板结构，底层为微带耦合线结构，中间层为开槽地板，顶层为辐射贴片结构，底层上的开路谐振器通过开槽地板的缝隙与顶层的辐射贴片耦合；在所述底层上设置有第一输入端口、第二输入端口、第三输入端口、第四输入端口，及具有二分之一波长的第一开路谐振器、第二开路谐振器、第三开路谐振器、第四开路谐振器、第五开路谐振器、第六开路谐振器、第七开路谐振器、第八开路谐振器；在所述中间层上开设有第一缝隙、第二缝隙、第三缝隙、第四缝隙；在所述顶层上设置有第一辐射贴片、第二辐射贴片、第三辐射贴片、第四辐射贴片；所述天线区分有四个滤波天线单元，分别为第一滤波天线单元、第二滤波天线单元、第三滤波天线单元、第四滤波天线单元；所述第一天线单元由第一输入端口、第一开路谐振器、第二开路谐振器、第一缝隙、第一辐射贴片构成，该第一输入端口通过其传输线与第一开路谐振器耦合，该第一开路谐振器与第二开路谐振器耦合，该第二开路谐振器通过第一缝隙与第一辐射贴片耦合；所述第二滤波天线单元由第二输入端口、第三开路谐振器、第四开路谐振器、第二缝隙、第二辐射贴片构成，该第二输入端口通过其传输线与第三开路谐振器耦合，该第三开路谐振器与第四开路谐振器耦合，该第四开路谐振器通过第二缝隙与第二辐射贴片耦合；所述第三滤波天线单元由第三输入端口、第五开路谐振器、第六开路谐振器、第三缝隙、第三辐射贴片构成，该第三输入端口通过其传输线与第五开路谐振器耦合，该第五开路谐振器与第六开路谐振器耦合，该第六开路谐振器通过第三缝隙与第三辐射贴片耦合；所述第四滤波天线单元由第四输入端口、第七开路谐振器、第八开路谐振器、第四缝隙、第四辐射贴片构成，该第四输入端口通过其传输线与第七开路谐振器耦合，该第七开路谐振器与第八开路谐振器耦合，该第八开路谐振器通过第四缝隙与第四辐射贴片耦合；其中，所述第一开路谐振器、第二开路谐振器、第三开路谐振器、第四开路谐振器、第五开路谐振器、第六开路谐振器、第七开路谐振器、第八开路谐振器、第一辐射贴片、第二辐射贴片、第三辐射贴片、第四辐射贴片均工作在同一频率；所述第二开路谐振器、第四开路谐振器、第六开路谐振器、第八开路谐振器分别通过第一缝隙、第二缝隙、第三缝隙、第四缝隙与第一辐射贴片、第二辐射贴片、第三辐射贴片、第四辐射贴片耦合，实现三阶切比雪夫滤波响应；所述第一缝隙、第二缝隙、第三缝隙、第四缝隙分别与相邻缝隙呈90°垂直放置，以满足各滤波天线单元之间的隔离需求。

2.根据权利要求1所述的一种宽阻带滤波MIMO天线，其特征在于：所述所述第一开路谐振器、第二开路谐振器、第三开路谐振器、第四开路谐振器、第五开路谐振器、第六开路谐振器、第七开路谐振器、第八开路谐振器均采用折弯结构来减小尺寸。

3.根据权利要求1所述的一种宽阻带滤波MIMO天线，其特征在于：所述所述第一输入端口、第二输入端口、第三输入端口、第四输入端口的传输线阻抗均为50欧姆。