CN107919528A - 一种利用电磁超材料的mimo天线去耦方法 - Google Patents

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刘洋
赵文生
陈世昌
赵鹏
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Abstract

本发明公开一种利用电磁超材料的MIMO天线去耦方法。本发明例证包括介质基板、去耦超材料、单极子天线；在介质基板的上半部分区域印刷单极子天线下半部分印刷微带馈线，在两天线之间磁耦合强度最大的区域适当的连接去耦超材料单元，完美地阻断各天线之间的耦合，极大的增加了隔离度，达到了MIMO天线的低耦合度的要求。

Description

一种利用电磁超材料的MIMO天线去耦方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，提出了一种为各型MIMO天线解决隔离度的全新解决方案，涉及一种利用电磁超材料的MIMO天线去耦方法。
背景技术
随着无线通信技术的飞速发展，移动终端需要发射和接收的信息量呈指数式的增长，传统的单输入单输出通信模式已经越来越难以满足人们对高速传输大信息量的需求，而MIMO技术的提出正是为了解决这一难题。MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技术即多输入多输出技术，是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量。它能充分利用空间资源，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，可以成倍的提高系统信道容量，显示出明显的优势，被视为下一代5G移动通信的核心技术。
MIMO通信系统要求收发机能同时多链路的接收和发射信号，而多天线设计的最大难题在于单个天线之间的耦合难以避免，由于天线之间的相互影响使得多个天线不能独立的传输信息，因此如何降低天线之间的耦合度成了设计MIMO天线的关键技术。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述所提到的困难，正视挑战，满足MIMO通信系统对天线所提出高隔离度的要求，提出了一种利用电磁超材料的MIMO天线去耦方法。超材料是一种新型的人工电磁材料，因其优异的特性近年来被广泛应用于各类微波器件中，本发明将应用这类结构以达到降低单个天线之间的耦合度的效果。
上述电磁超材料优选为SRRs(split-ring resonators)、CSRRs(complementarysplit-ring resonators)、SIR(stepped-impedance resonators)、ELC(electricinductive-capacitive resonators)等中的一种；
在现有原MIMO相邻两天线之间磁耦合最强的区域放置电磁超材料，达到去耦效果，进而形成高隔离度效果。其中电磁超材料直接与两天线的辐射元连接。
上述电磁超材料的谐振频率与MIMO天线的谐振频率保持一致。
本发明采用电磁超材料增加MIMO各天线之间的隔离度，以达到MIMO天线的去耦效果。
附图说明
图1是本例未加去耦SRRs环的天线的整体结构以及参数标注图，其中(a)天线顶层，(b)天线底层；
图2是本例1添加去耦SRRs环的天线的整体结构以及参数标注图，其中(a)天线顶层，(b)天线底层；
图3是本例未加去耦SRRs环的天线的S参数示意图；
图4是本例1添加去耦SRRs环的天线的S参数示意图；
图5是本例未加去耦SRRs环的天线的磁场分布图；
图6是本例1添加去耦SRRs环的天线的磁场分布图；
图7是本例2添加去耦SIR环的天线的整体结构图，其中(a)天线顶层，(b)天线底层；
图8是本例2添加去耦SIR环的天线的S参数示意图；
图中：1.介质基板；2.天线辐射端；3.天线互耦区域；4.阻抗匹配枝节；5.金属地；6.去耦SRRs环。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的去耦方法作进一步说明。
实施例1.
本发明将以双单极子MIMO天线为例，应用超材料SRRs即开口谐振环，例证本发明所提出的超材料去耦以实现MIMO天线高隔离度的要求。
如图1所示，本发明天线包括介质基板(1)、金属地(5)、天线辐射端(2)、阻抗匹配枝节(4)；介质基板(1)的正面上端留有部分空白区域作为第一天线和第二天线的铺设区域，正面下端区域为微带馈线铺设处，金属地铺设在介质基板底层下半区域，以下称为金属地(5)；第一天线和第二天线分别位于介质基板(1)正面上半区域的左右两端，第一天线与第二天线等大对称放置，为MIMO双天线经典配置；天线互耦合区域(3)为两天线之间磁场通过耦合最强的区域；去耦SRRs环(6)放置在两天线互耦区域(3)处，并与两天线末端相连。
所述的双天线之间的距离一般小于工作波长的四分之一，两天线之间的区域为强耦合区(3)，去耦SRRs环放置在该强耦合区域(3)，去耦SRRs环的谐振频率与天线的谐振频率一致，连接的位置决定去耦的效果，由具体天线而定，本发明中优化后选择连接在天线相邻的末端位置。
本例天线的设计是在三维电磁仿真软件CST微波工作室中进行的，相关的尺寸是通过软件优化所确定，如下表所示：
Parameters L1 L2 L3 L4 W1
Unit(mm) 25 17 16 5 9
Parameters W2 W3 W4 W5 g
Unit(mm) 8.5 5 2 1.5 0.5
其中微波介质基板是大小为32×32×1mm3的高频板F4B(介电常数2.65，损耗正切0.003)，SRRs环的线宽、开口以及线之间的缝隙皆为g，所有参数单位为厘米。
如图3、图4的S参数对比可以看出，应用本发明的去耦方法可以极大的降低S21的值即成功的增加了MIMO天线的隔离度。由图5未加SRRs去耦环的MIMO天线的磁场分布图可以看出，由于两天线的距离小于工作波长的四分之一，在区域(3)内磁耦合很强，使得MIMO天线双端口很难独立的收发信号。对比如图6所示的添加SRRs去耦环的MIMO天线的磁场分布图，原本磁耦合很强的区域(3)成功被隔离，已达到MIMO天线的使用要求。
实施例2.
本例2将依然以例1所用的双单极子MIMO天线为例，改用超材料SIR，例证本发明所提出的超材料去耦以实现MIMO天线高隔离度的要求。
如图7所示天线的整体结构图是将例1结构(附图2)中的SRRs环改为SIR，其中该SIR的谐振频率依然与双单极子MIMO天线一致，详细的做法与例1类似。最后得出的S参数结果如图8所示，在天线处理频带内S21的值成功被将至-10dB以下，即成功的实现了MIMO天线去耦的效果。
本发明的去耦方法操作简单，满足去耦电磁超材料的谐振频率与天线一致即可，成本低，适用于各类MIMO天线的去耦，因而可广泛推广使用。
上述两实例仅仅只是例证本发明方法，并非是对于本发明的限制，本发明也并非仅限于上述实例，只要符合本发明方法的要求，均属于本发明方法的保护范围。

Claims (4)

1.一种利用电磁超材料的MIMO天线去耦方法，其特征在于采用电磁超材料为SRRs、CSRRs、SIR、ELC等中的一种。
2.如权利要求1所述的一种利用电磁超材料的MIMO天线去耦方法，其特征在于在现有原MIMO各天线之间磁耦合最强区域放置电磁超材料。
3.如权利要求2所述的一种利用电磁超材料的MIMO天线去耦方法，其特征在于电磁超材料直接与两天线的辐射元连接。
4.如权利要求1或2所述的一种利用电磁超材料的MIMO天线去耦方法，其特征在于电磁超材料的谐振频率与MIMO天线的谐振频率保持一致。
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