CN109066103A - 方向图可重构mimo天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及通信系统综合设计中的天线技术领域，特别涉及一种方向图可重构MIMO天线。一种方向图可重构MIMO天线，由两个对称布置的天线单元构成，每个天线单元都由中间的介质基板、处于介质基板上面的驱动单元和寄生单元、处于介质基板下面的接地板构成，两个天线单元的解耦条带位于介质基板下面，天线单元的介质基板为一体化的一块平面板；每个天线单元的寄生单元有2个，成左右对称布置，驱动单元处于寄生单元的对称中心处，每个寄生单元为两条并行布置的第一弯折带线。寄生单元由两条弯折带线组成，增强了天线的方向性。

Description

方向图可重构MIMO天线
技术领域
本发明涉及通信系统综合设计中的天线技术领域，特别涉及一种方向图可重构MIMO天线。
背景技术
随着无线通信技术的飞速发展，频谱资源日益紧缺，用户对通信速率和通信质量的需求不断增加，为了解决这些问题，学者们提出了多输入多输出(MIMO)通信系统。MIMO系统在发送端和接收端均采用多天线技术，利用多径信道的空间自由度提高信号的接收质量和传输速率，进一步提高频谱利用率。然而，紧凑、高集成射频前端的要求增加了MIMO系统子信道之间的相关性，降低了系统信道容量。方向图可重构天线是一种可以根据信道变化适时调整辐射方向图的天线，应用于MIMO系统可以显著提高系统的信道容量。
近年来，国内外学者提出了许多方向图可重构MIMO天线的设计方案，但是它们的共同缺点是天线所能达到的性能较差，具体表现在开关数量多，天线结构复杂，甚至有些形式的天线因为结构复杂而无法实现。因此，如何设计出高性能且结构简单的方向图可重构MIMO天线是一个仍然有待于解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的是解决目前MIMO通信系统信道容量受限的技术问题，进一步解决现有方向图可重构MIMO天线性能较差、结构复杂问题，提供一种结构简单的方向图可重构MIMO天线。
本发明是采用以下技术方案实现的：一种方向图可重构MIMO天线，由两个对称布置的天线单元构成，每个天线单元都由中间的介质基板(3)、处于介质基板(3)上面的驱动单元(1)和寄生单元(2)、处于介质基板(3)下面的接地板(4)构成，两个天线单元的解耦条带(6)位于介质基板(3)下面，天线单元的介质基板(3)为一体化的一块平面板；每个天线单元的寄生单元(2)有2个，成左右对称布置，驱动单元(1)处于寄生单元(2)的对称中心处，每个寄生单元(2)为两条并行布置的第一弯折带线，每条第一弯折带线由6条水平带线和5条垂直带线呈S型彼此相连构成，处于中间的垂直带线的中间连接一个PIN二极管(5)；处于下方的天线单元的驱动单元(1)上半部分为矩形贴片，下半部分为微带馈线，处于上方的天线单元的驱动单元(1)与处于下方的天线单元的驱动单元(1)成对称结构布置；解耦条带(6)有两条成左右对称布置，每条解耦条带(6)为由4条水平带线和3条垂直带线呈S型彼此相连构成的第二弯折带线。
作为一种优选方式：每个天线单元的驱动单元(1)的矩形贴片长度为对应天线工作频率的四分之一导波波长。
作为一种优选方式：两个天线单元的介质基板(3)构成一块尺寸为80mm×90mm矩形介质基板，介质基板(3)的介电常数为4.4，介质基板(3)的厚度为1.6mm，介质基板(3)的材料为环氧树脂。
作为一种优选方式：处于下方的天线单元的驱动单元(1)上半部分为11.48mm×27mm的矩形贴片，下半部分为2.98mm×12mm的微带馈线。
作为一种优选方式：每个天线单元的接地板(4)都为矩形接地板，尺寸为25mm×11mm。
作为一种优选方式：第一弯折带线中水平带线的间距为1mm，每条水平带线的长度为10mm，每条垂直带线的长度为3mm，水平带线和垂直带线的宽度都为2mm，第一弯折带线中的水平带线到介质基板(3)上边缘或者下边缘的最小距离为3mm，第一弯折带线到驱动单元(1)的最小距离为13.26mm。
作为一种优选方式：第二弯折带线的水平带线的长度为28mm，垂直带线的长度为2mm，水平带线和垂直带线的宽度都为2mm，第二弯折带线中的水平带线到介质基板(3)下边缘最小距离为38mm。
在寄生单元的八条弯折带线中间分别加载一个PIN二极管(5-1，5-1′，5-2，5-2′，5-3，5-3′，5-4，5-4′)，通过控制八个二极管的不同组合开闭状态，使得天线在2.4-2.48GHz范围内产生一个双向辐射模式和两个定向辐射模式。模式1时，八个PIN二极管断开，驱动单元两侧的寄生单元都作为引向器，天线工作在双向辐射模式；模式2时，第一组PIN二极管(5-1，5-1′)和第三组PIN二极管(5-3，5-3′)导通，第二组PIN二极管(5-2，5-2′)和第四组PIN二极管(5-4，5-4′)断开，驱动单元左侧的寄生单元作为反射器，右侧的寄生单元作为引向器，天线工作在第一个定向辐射模式；模式3时，第一组PIN二极管(5-1，5-1′)和第三组PIN二极管(5-3，5-3′)断开，第二组PIN二极管(5-2，5-2′)和第四组PIN二极管(5-4，5-4′)导通，驱动单元左侧的寄生单元作为引向器，右侧的寄生单元作为反射器，天线工作在第二个定向辐射模式。
本发明的有益效果是：(1)寄生单元由两条弯折带线组成，增强了天线的方向性；(2)解耦条带改善了天线单元之间的隔离度；(3)本发明可以工作在一个双向辐射模式和两个定向辐射模式，天线结构简单，成本低、可靠性好，为MIMO通信系统高信道容量提供行之有效的解决途径。
附图说明：
图1为本发明所述的方向图可重构MIMO天线的正视图；
图2为本发明所述的方向图可重构MIMO天线的后视图；
图3为本发明所述的方向图可重构MIMO天线模式1的S参数；
图4为本发明所述的方向图可重构MIMO天线模式2的S参数；
图5为本发明所述的方向图可重构MIMO天线模式3的S参数；
图6为本发明所述的方向图可重构MIMO天线模式1的辐射方向图；
图7为本发明所述的方向图可重构MIMO天线模式2的辐射方向图；
图8为本发明所述的方向图可重构MIMO天线模式3的辐射方向图；
1、为驱动单元，2、为寄生单元，3、为介质基板，4、为接地板，5-1、5-1′为第一组PIN二极管，5-2、5-2′为第二组PIN二极管，5-3、5-3′为第三组PIN二极管，5-4、5-4′为第四组PIN二极管，6、为解耦条带。
具体实施方式
如图1-2所示，一种方向图可重构MIMO天线，由两个对称布置的天线单元构成，每个天线单元都由中间的介质基板(3)、处于介质基板(3)上面的驱动单元(1)和寄生单元(2)、处于介质基板(3)下面的接地板(4)构成，两个天线单元的解耦条带(6)位于介质基板(3)下面，天线单元的介质基板(3)为一体化的一块平面板；每个天线单元的寄生单元(2)有2个，成左右对称布置，驱动单元(1)处于寄生单元(2)的对称中心处，每个寄生单元(2)为两条并行布置的第一弯折带线，每条第一弯折带线由6条水平带线和5条垂直带线呈S型彼此相连构成，处于中间的垂直带线的中间连接一个PIN二极管(5)；处于下方的天线单元的驱动单元(1)上半部分为矩形贴片，下半部分为微带馈线，处于上方的天线单元的驱动单元(1)与处于下方的天线单元的驱动单元(1)成对称结构布置；解耦条带(6)有两条成左右对称布置，每条解耦条带(6)为由4条水平带线和3条垂直带线呈S型彼此相连构成的第二弯折带线；每个天线单元的驱动单元(1)的矩形贴片长度为对应天线工作频率的四分之一导波波长，两个天线单元的介质基板(3)构成一块尺寸为80mm×90mm矩形介质基板，介质基板(3)的介电常数为4.4，介质基板(3)的厚度为1.6mm，介质基板(3)的材料为环氧树脂，处于下方的天线单元的驱动单元(1)上半部分为11.48mm×27mm的矩形贴片，下半部分为2.98mm×12mm的微带馈线，每个天线单元的接地板(4)都为矩形接地板，尺寸为25mm×11mm，作为一种优选方式：第一弯折带线中水平带线的间距为1mm，每条水平带线的长度为10mm，每条垂直带线的长度为3mm，水平带线和垂直带线的宽度都为2mm，第一弯折带线中的水平带线到介质基板(3)上边缘或者下边缘的最小距离为3mm，第一弯折带线到驱动单元(1)的最小距离为13.26mm，第二弯折带线的水平带线的长度为28mm，垂直带线的长度为2mm，水平带线和垂直带线的宽度都为2mm，第二弯折带线中的水平带线到介质基板(3)下边缘最小距离为38mm。
两条弯折带线组成的寄生单元增强了天线的方向性；解耦条带能降低天线单元之间的耦合。
附图3示出了方向图可重构MIMO天线在模式1(5-1，5-1′，5-2，5-2′，5-3，5-3′，5-4和5-4′断开)时的S参数曲线，其中横坐标代表频率变量，单位为GHz，纵坐标代表幅度变量，单位为dB。从图中可以看出，天线的工作频率为2.45GHz，在|S11|<-10dB的情况下相对带宽为9.4％，端口间的隔离度大于15dB。
附图4示出了方向图可重构MIMO天线在模式2(5-1，5-1′，5-3和5-3′导通，5-2，5-2′，5-4和5-4′断开)时的S参数曲线。从图中可以看出，天线的工作频率为2.33GHz，在|S11|<-10dB的情况下相对带宽为15％，端口间的隔离度大于15dB。
附图5示出了方向图可重构MIMO天线在模式3(5-2，5-2′，5-4和5-4′导通，5-1，5-1′，5-3和5-3′断开)时的S参数曲线。从图中可以看出，天线的工作频率为2.32GHz，在|S11|<-10dB的情况下相对带宽为15.5％，端口间的隔离度大于15dB。
附图6示出了方向图可重构MIMO天线在模式1的辐射方向图。四组PIN二极管(5-1，5-1′，5-2，5-2′，5-3，5-3′，5-4和5-4′)全部断开时，驱动单元两侧的寄生单元都作为引向器，天线工作在双向辐射模式。H面最大辐射方向为θ＝±90°，E面最大辐射方向为φ＝0°和180°。
附图7示出了方向图可重构MIMO天线在模式2的辐射方向图。第一组PIN二极管(5-1，5-1′)和第三组PIN二极管(5-3，5-3′)导通，第二组PIN二极管(5-2，5-2′)和第四组PIN二极管(5-4，5-4′)断开时，驱动单元左侧的寄生单元作为反射器，右侧的寄生单元作为引向器，天线工作在第一个定向辐射模式。H面最大辐射方向为θ＝+90°，E面最大辐射方向为φ＝0°。
附图8示出了方向图可重构MIMO天线在模式3的辐射方向图。第二组PIN二极管(5-2，5-2′)和第四组PIN二极管(5-4，5-4′)导通，第一组PIN二极管(5-1，5-1′)和第三组PIN二极管(5-3，5-3′)断开时，驱动单元左侧的寄生单元作为引向器，右侧的寄生单元作为反射器，天线工作在第二个定向辐射模式。H面最大辐射方向为θ＝-90°，E面最大辐射方向为φ＝180°。

Claims (7)

1.一种方向图可重构MIMO天线，其特征在于：由两个对称布置的天线单元构成，每个天线单元都由中间的介质基板（3）、处于介质基板（3）上面的驱动单元（1）和寄生单元（2）、处于介质基板（3）下面的接地板（4）构成，两个天线单元的解耦条带（6）位于介质基板（3）下面，天线单元的介质基板（3）为一体化的一块平面板；每个天线单元的寄生单元（2）有2个，成左右对称布置，驱动单元（1）处于寄生单元（2）的对称中心处，每个寄生单元（2）为两条并行布置的第一弯折带线，每条第一弯折带线由6条水平带线和5条垂直带线呈S型彼此相连构成，处于中间的垂直带线的中间连接一个PIN二极管(5)；处于下方的天线单元的驱动单元（1）上半部分为矩形贴片，下半部分为微带馈线，处于上方的天线单元的驱动单元（1）与处于下方的天线单元的驱动单元（1）成对称结构布置；解耦条带（6）有两条成左右对称布置，每条解耦条带（6）为由4条水平带线和3条垂直带线呈S型彼此相连构成的第二弯折带线。
2.如权利要求1所述的一种方向图可重构MIMO天线，其特征在于：每个天线单元的驱动单元（1）的矩形贴片长度为对应天线工作频率的四分之一导波波长。
3.如权利要求1所述的一种方向图可重构MIMO天线，其特征在于：两个天线单元的介质基板（3）构成一块尺寸为80mm×90mm矩形介质基板，介质基板（3）的介电常数为4.4，介质基板（3）的厚度为1.6mm，介质基板（3）的材料为环氧树脂。
4.如权利要求1所述的一种方向图可重构MIMO天线，其特征在于：处于下方的天线单元的驱动单元（1）上半部分为11.48mm×27mm的矩形贴片，下半部分为2.98mm×12mm的微带馈线。
5.如权利要求1所述的一种方向图可重构MIMO天线，其特征在于：每个天线单元的接地板（4）都为矩形接地板，尺寸为25mm×11mm。
6.如权利要求1所述的一种方向图可重构MIMO天线，其特征在于：第一弯折带线中水平带线的间距为1mm，每条水平带线的长度为10mm，每条垂直带线的长度为3mm，水平带线和垂直带线的宽度都为2mm，第一弯折带线中的水平带线到介质基板（3）上边缘或者下边缘的最小距离为3mm，第一弯折带线到驱动单元（1）的最小距离为13.26mm。
7.如权利要求1所述的一种方向图可重构MIMO天线，其特征在于：第二弯折带线的水平带线的长度为28mm，垂直带线的长度为2mm，水平带线和垂直带线的宽度都为2mm，第二弯折带线中的水平带线到介质基板（3）下边缘最小距离为38mm。
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