CN109494456B - 一种超宽带mimo天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种超宽带MIMO天线，包括四个结构相同的天线阵元，且各个阵元单独馈电；相邻阵元位置互相垂直，并通过矩形槽缝进行隔开，且所述矩形槽的末端在MIMO天线中心位置电气连接，其中，每个天线阵元包括接地板、馈电单元和寄生贴片，并分别印制在天线介质板表面，其中的接地板上还截去一椭圆形区域，馈电单元以椭圆形和矩形并挖去椭圆形区域作为天线的馈电部分，以上方式耦合作用，一方面，单元之间获得了高隔离度，另一方面，天线在获得超宽带特性的同时，具有小型化和结构紧凑等优势。

Description

一种超宽带MIMO天线
技术领域
本发明属于电子行业超宽带技术领域，具体涉及一种超宽带多入多出 (MIMO)天线。
背景技术
超宽带技术通常采用无载频脉冲体制，通过超宽带的特性来获得丰富的频谱信息。在穿墙成像、探地雷达、超宽带通信等领域，超宽带技术有广泛的应用。穿墙成像雷达具有快速高效、非侵入式检测等特点，超宽带通信具有容量大、速率高、安全系数高等优点。近几十年，随着电子器件的飞速发展，超宽带技术在国民经济、市政建设中也获得了广泛的应用。
天线作为收发信机的前端传感器，起着能量辐射与收集的作用。在超宽带技术中，天线需要具有大带宽，才能够将具有宽频谱特性的信号无失真地发射出去。同时，对于多通道雷达，需要天线单元间具有较低的耦合。MIMO天线在超宽带通信中受到了较多关注，一方面MIMO系统能够获得多通道的回波信息，同时具有灵活的工作方式，能够覆盖较大的区域；另一方面，MIMO系统能够获得多极化信息，有利于探测目标的判定。目前，为了便于天线与雷达收发信机接口的匹配，通常采用不衡型馈电方式，将阻抗变换部分与天线辐射臂集成在一起。因此，MIMO超宽带天线采用单极子形式较多，基于此类形式的 MIMO超宽带天线，存在隔离度不够或者尺寸不够紧凑等问题，严重影响了超宽带领域MIMO天线在MIMO雷达系统或无线通信领域的应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种超宽带MIMO天线。
本发明的技术解决方案：一种超宽带MIMO天线，包括四个结构相同的天线阵元，且各个阵元单独馈电；相邻阵元位置互相垂直，并通过矩形槽缝进行隔开，且所述矩形槽的末端在MIMO天线中心位置电气连接，其中，每个天线阵元包括接地板、馈电单元和寄生贴片，并分别印制在天线介质板表面。
进一步的，所述的馈电单元处焊接有射频转换接头。
进一步的，所述的MIMO天线四个阵元尺寸均相等，接地板和寄生贴片均印制于天线介质板的同一侧表面，馈电单元均印制于天线介质板的另一侧表面。
进一步的，所述的接地板为矩形金属片，该金属片可以为铜、铁或金等材料。
进一步的，所述的接地板上截去一椭圆形区域，与馈电单元形成电磁耦合，提升辐射效果。
进一步的，优选在接地板的中心截去一椭圆形区域。
进一步的，所述的馈电单元由椭圆形金属片和矩形金属片构成，所述矩形金属片一端和射频转换接头焊接，另一端与所述椭圆形金属片电气连接且两者共中心线；所述的椭圆形金属片投影到上述接地板中截去的椭圆形区域所在的平面，且投影与所述的椭圆形区域相切，优选两者共中心线；所述的矩形金属片投影到上述截去椭圆形区域的接地板所在的平面。
优选的，所述的椭圆形金属片上还截去一椭圆形区域，该椭圆形区域与矩形金属片共中心线，其长半轴垂直，且该椭圆形区域的中心到椭圆形金属片和矩形金属片连接处的距离大于所述椭圆形区域的短半轴。
进一步的，所述的寄生贴片位于所述接地板截去的椭圆形区域中，并投影到馈电单元中椭圆形金属片所在的平面，且投影与馈电单元中截去的椭圆形区域相切。
进一步的，所述寄生贴片的尺寸小于所述椭圆形金属片，所述寄生贴片的材质与所述接地板材质相同。
进一步的，所述的接地板与射频转换接头的外壳电气连接，馈电单元中的矩形金属片与射频转换接头的内芯探针电气连接。
进一步的，射频转换接头可以为SMA。
本发明与现有技术相比的有益效果：
(1)本发明提供的超宽带MIMO天线，在原有天线基础上，增加矩形寄生贴片，并同时利用椭圆形馈电单元与寄生贴片之间的耦合作用，极大改善接地板表面电流分布特性，从而有效地拓展天线的带宽，获得更好的宽带特性。
(2)本发明提供的超宽带MIMO天线，在所述的馈电部位的椭圆形贴片上截去椭圆形区域，能够改善天线的输入阻抗，使其实部更接近50欧姆，有利于减小天线与雷达接口间的反射损耗。
(3)本发明提供的超宽带MIMO天线中，天线阵元相邻单元为正交位置，达到极化隔离，同时通过矩形槽缝抑制天线接地板之间的电流耦合，有利于提高MIMO天线阵元之间的隔离度，而且矩形槽缝末端仍然保持电气连接，在提高隔离度的同时，能够延长天线电流分布路径，有利于拓展低频带宽。
(4)本发明通过在接地板增加寄生贴片、馈电单元以椭圆形和矩形并挖去椭圆形区域作为天线的馈电部分等，以上方式相互耦合。一方面，单元之间获得了高隔离度；另一方面，天线在获得超宽带特性的同时，具有小型化和结构紧凑等优势。另外，该天线采用平面印制加工方式，具有低剖面、低成本等特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明，下面将对实施过程中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1A-1C分别为本发明一具体实施方式的雷达天线的分解立体结构示意图、一侧面立体结构示意图和另一侧面立体结构示意图；
图2为本发明一具体实施方式的MIMO天线中S参数仿真曲线图；
主要元件符号说明
1—4各个阵元中的SMA接头；5介质板；6接地板；6-1—6-4各个阵元的接地板；7馈电单元；7-1——7-4各个阵元的馈电单元；8寄生贴片；8-1—8-4 各个阵元的寄生贴片。
具体实施方式
下面参照附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或者更多个其他附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。
在本发明的一个具体实施方案中，提出了一种用于超宽带通信或成像雷达 MIMO天线，该天线频带为2.8GHz～12GHz，相邻阵列单元的隔离度优于 17dB。
图1A-1C分别为本发明一具体实施方式的MIMO天线的分解立体结构示意图、一侧面立体结构示意图和另一侧面立体结构示意图。图2为本发明实施例超宽带MIMO天线S参数仿真结果。如图1A～1C所示，本实施例超宽带 MIMO天线包括：SMA接头1—4，介质板5；接地板6-1—6-4；馈电单元7-1 —7-4，寄生贴片8-1—8-4。其中，接地板6-1—6-4与寄生贴片8-1—8-4位于介质板5的一侧且采用平面印制方式，并与SMA接头1—4的外壳电气连接，馈电单元7-1—7-4位于介质板的另一侧，并与SMA接头1—4的内芯馈电探针电气连接。
以下分别对本实施方案超宽带MIMO天线的各个组成部分进行详细说明。
请参照图1A-1C和图2，MIMO天线的四个阵元均具有相同的结构，并通过矩形槽缝隔离。本实施例对MIMO天线具体结构进行说明时，仅按一个阵元的结构进行说明。
图1A给出了天线整体结构示意图，MIMO天线四个阵元两两垂直分布，并由矩形槽缝隔离，矩形槽缝末端在MIMO天线中心位置电气连接，阵元相互垂直放置，所述的MIMO天线四个阵元的接地板均通过矩形槽缝隔离，同时矩形槽缝末端仍然保持电气连接。在提高隔离度的同时，能够延长天线电流分布路径，有利于拓展低频带宽。
图1B给出了MIMO天线馈电单元的结构示意，四个阵元馈电单元7-1— 7-4相同，均为两两垂直放置，以其中一个为例，例如馈电单元7-1由椭圆形金属片和矩形金属片(椭圆形和矩形枝节)构成，所述矩形金属片一端和SMA1 焊接，另一端与所述椭圆形金属片电气连接且两者共中心线。
优选的，所述的椭圆形金属片上还截去一椭圆形区域，该椭圆形区域与矩形金属片共中心线，且该椭圆形区域的中心到椭圆形金属片和矩形金属片连接处的距离比所述椭圆形区域的短半轴大0.0082λ0，其中，λ0表示天线频带几何中心频率对应到自由空间的波长；挖去的椭圆区域能够改善天线的输入阻抗，使得天线单元更易于50欧姆不平衡型射频接口匹配。
图1C给出了MIMO天线接地板部分的结构示意图，以其中一个为例，例如接地板6-1挖去椭圆形区域，与馈电单元7-1构成辐射结构，馈电单元7-1 中，所述的椭圆形金属片投影到上述接地板6-1中截去的椭圆形区域所在的平面，且投影与所述的椭圆形区域相切，优选两者共中心线；所述的矩形金属片投影到上述截去椭圆形区域的接地板6-1所在的平面。
所述的寄生贴片8-1位于所述接地板6-1截去的椭圆形区域中，并投影到馈电单元7-1中椭圆形金属片所在的平面，且投影与馈电单元中截去的椭圆形区域相切。
所述寄生贴片8-1的尺寸小于所述椭圆形金属片，所述寄生贴片8-1的材质与所述接地板6-1材质相同。
本实施例中，设定天线频带几何中心频率对应到自由空间的波长为λ0，则天线阵元的长为0.826λ0、宽为0.949λ0，矩形槽缝的长为0.910λ0，宽为0.046λ0；接地板挖去的椭圆长半轴为0.413λ0、短半轴为0.299λ0；寄生贴片的长为0.267λ0，宽为0.155λ0。馈电单元包含圆形和矩形枝节，二者相交；其中馈电单元的椭圆形部分尺寸为长半轴为0.215λ0、短半轴为0.211λ0：矩形枝节的长为0.132λ0，宽为0.027λ0。在矩形枝节和圆相交处，挖掉椭圆形区域，其长半轴为0.070λ0，短半轴为0.056λ0,且被挖掉的椭圆形区域中心到椭圆形金属片和矩形金属片连接处的距离比所述椭圆形区域的短半轴大 0.0082λ0。介质板的厚度为0.019λ0。
本实施例中，天线的介质板采用FR4材质，FR4的介电常数约为4.4，损耗正切约为0.02。本领域技术人员应当明了，该天线介质板也可采用微波板材。本实施方案中，MIMO天线阵元的前端采用50欧姆的SMA接头进行焊接。
图2为本实施例中MIMO天线的S参数仿真曲线图。在频带为2.8～12GHz 时，S11小于-10dB。将MIMO天线阵元按照顺时针方向排序，可以看出S21 与S31吻和良好，在通带内小于-18dB,S41在通带内小于20dB。可以看出本发明所述的MIMO天线阵元具有良好的宽带特性和较高的隔离度，能够满足成像雷达系统要求。
至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明雷达天线有了清楚的认识。
需要说明的是，上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换，例如：
(1)MIMO天线的接地板、馈电单元及寄生贴片加工材质还可以是其他金属，例如：金、银和锡等；
(2)除了应用于成像雷达，该天线还可用于作为阵列雷达的子单元，或者应用于无线通信系统等；
综上所述，本发明雷达天线具有超宽带、高隔离、结构紧凑等特点，能够应用于成像雷达系统。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种超宽带MIMO天线，其特征在于：所述的天线包括四个结构相同的天线阵元，且各个阵元单独馈电；相邻阵元位置互相垂直，并通过矩形槽缝进行隔开，且所述矩形槽缝的末端在MIMO天线中心位置电气连接，其中，每个天线阵元包括接地板、馈电单元和矩形寄生贴片，并分别印制在天线介质板表面；所述的接地板和寄生贴片均印制于天线介质板的同一侧表面，所述的馈电单元印制于天线介质板的另一侧表面；所述的馈电单元处焊接有射频转换接头；所述的接地板上还截去一椭圆形区域；所述的馈电单元由椭圆形金属片和矩形金属片构成，所述矩形金属片一端和射频转换接头焊接，另一端与所述椭圆形金属片电气连接且两者共中心线；所述的椭圆形金属片投影到上述接地板中截去的椭圆形区域所在的平面，且投影与所述的椭圆形区域相切；所述的矩形金属片投影到上述截去椭圆形区域的接地板所在的平面；所述的椭圆形金属片上还截去一椭圆形区域，该椭圆形区域与矩形金属片共中心线，且该椭圆形区域的中心到椭圆形金属片和矩形金属片连接处的距离大于所述椭圆形区域的短半轴；所述的寄生贴片位于所述接地板截去的椭圆形区域中，并投影到馈电单元中椭圆形金属片所在的平面，且投影与馈电单元中截去的椭圆形区域相切。
2.根据权利要求1所述的一种超宽带MIMO天线，其特征在于，所述椭圆形区域的中心到椭圆形金属片和矩形金属片连接处的距离比所述椭圆形区域的短半轴大0.0082λ0，其中，λ0表示天线频带几何中心频率对应到自由空间的波长。
3.根据权利要求1所述的一种超宽带MIMO天线，其特征在于，所述的接地板为矩形金属片。
4.根据权利要求1所述的一种超宽带MIMO天线，其特征在于，所述的寄生贴片与接地板材质相同，为铜、铁或金。
5.根据权利要求4所述的一种超宽带MIMO天线，其特征在于，所述的寄生贴片与接地板材质均为铜。
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