CN109638440B - 一种基于超材料的5g通信小型化宽频带mimo天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于超材料的5G通信小型化宽频带多输入多输出(Multiple‑Input‑Multiple‑Output(MIMO))天线，属于天线技术领域。本发明所述单元天线包括第一介质基板、天线辐射体、第一共面波导馈电结构和第二共面波导馈电结构；四个天线单元组成四单元MIMO天线，相邻的天线单元旋转90°放置且中间保留间距，在间距空间上垂直天线所在平面加载基于超材料的宽带解耦结构。本发明所述MIMO天线具有极宽的工作频带、极小的整体尺寸、极低的去耦结构剖面和较高的隔离度等优点。

Description

一种基于超材料的5G通信小型化宽频带MIMO天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种基于超材料(Metamaterial)的5G(theFifth Generation)通信多输入多输出(Multiple-Input-Multiple-Output(MIMO))天线。
背景技术
伴随着移动通信技术的迅猛发展，5G通信已逐渐成为全球移动通信行业的主要研究方向，无线通讯的爆炸性增长需求对5G通信提出了一系列的要求：局域范围内更多的连接用户、更高速更稳定的数据传输、针对复杂应用场景提供个性化体验，这对5G通信的工作带宽提出了更高的要求。另一方面，由于3GHz以下的低频段频谱资源已无法满足5G通信的要求，现行的5G通信研究主要围绕3GHz至毫米波频段的频谱资源展开。欧美日韩等发达国家均提出了6GHz、24GHz、28GHz等多个5G候选频段。在中国IMT-2020框架下，中国组织开展了6GHz-100GHz高频段5G候选频段的一系列研究工作。此外，针对以3.5GHz为典型代表的6GHz以下频段也是世界各国以及相关研究机构的重点研究频段。
综上所述，3GHz-30GHz频段是未来5G通信的主要发展趋势。多种不同通信制式的存在以及人们日常生活需要同时满足低频段的室外通信以及高频段的室内通信的要求，对5G通信天线的带宽提出了严苛的要求；此外，现代移动通讯设备小型化的趋势又对所有研究人员提出了如何在有限的空间内实现极宽的工作频带的挑战。另一方面，更高的通信速率以及更稳定的通信质量的要求使得MIMO技术成为5G天线中重要组成部分，而MIMO技术中对天线单元间高隔离度的要求给天线整体尺寸的小型化带来进一步的挑战。
超材料作为一种特殊的人工复合材料，由于其小型化、强谐振等一系列独特性质，可以在尽可能减小对天线原有结构的改变前提下，大幅度提升天线单元间的隔离度同时保证天线原有性能的稳定，从而实现MIMO天线的小型化和宽频带，已成为MIMO天线相关领域的一大研究热点。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种可应用于5G通信的小型化宽频带天线，并在此基础上构建出一款四单元MIMO天线。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：
一种基于超材料的5G通信小型化宽频带天线，包括第一介质基板、天线辐射体1、第一共面波导馈电结构2和第二共面波导馈电结构3；天线辐射体1、第一共面波导馈电结构2和第二共面波导馈电结构3位于第一介质基板的上表面；第一共面波导馈电结构2和第二共面波导馈电结构3分别位于天线辐射体1的两侧；
第一共面波导馈电结构2下端为中心有圆形过孔的矩形金属结构，上端为具有圆弧形边缘的类三角形结构；
第二共面波导馈电结构3为中心具有圆形过孔的扇形金属结构；
天线辐射体1包括两个椭圆形金属结构和矩形馈线，两个椭圆形金属结构的长轴相互垂直，矩形馈线的中轴与一个椭圆金属结构的长轴重合。
一种基于超材料的5G通信小型化宽频带MIMO天线，以基于超材料的5G通信小型化宽频带天线为单元，四个天线单元组成四单元MIMO天线，相邻的天线单元旋转90°放置且中间保留间距，在间距空间上垂直天线所在平面加载基于超材料的宽带解耦结构。
基于超材料的宽带解耦结构包含第二介质基板和两层金属贴片，上下两层金属贴片的结构相同方向相反，上下两层金属贴片都是由两端向中间尺寸逐渐减小的渐变式S形结构。
本发明天线采用共面波导馈电微带结构，以便于实现小型化以及与其他设备集成。天线辐射单元主体采用椭圆形单极子天线，从而便于实现较宽的工作带宽。第一共面波导馈电结构2和第二共面波导馈电结构3作为金属地板，第一共面波导馈电结构为圆弧形结构，第二共面波导馈电结构采用了弧形边缘的类三角形结构，从而较好地改善了天线的阻抗匹配。
本发明所提出的宽频带5G通信天线，其天线整体结构小型化特征极为明显，工作频带宽，覆盖目前研究的多种5G通信频段，并覆盖现有的Wi-MAX、W-LAN、Bluetooth、UWB等无线通信模式，为未来兼容多种复杂通信模式提供可靠保证，具有良好的应用前景。同时，在该天线基础之上，本发明所提出的四单元MIMO天线分别采用交叉极化方向以及引入超材料结构单元的方法，在不增加天线单元尺寸的前提下，实现较高的隔离度。因此，可以在手机、手提电脑等小型化移动设备中得到广泛应用。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一款基于超材料的宽带解耦结构，并将其加载在天线单元之间实现低频段宽带解耦效果，提出一款具有高隔离度的四单元MIMO天线。本发明所述四单元MIMO天线具有极宽的工作频带、极小的整体尺寸、低剖面去耦结构和较高的隔离度等优点。
附图说明
图1是单一天线单元结构示意图；
图2是单一天线单元S11参数仿真结果图；
图3是四单元MIMO天线结构示意图；
图4是四单元MIMO天线S参数仿真结果图；
图5是基于超材料的宽带解耦结构示意图；
图6是基于超材料的宽带解耦结构S参数仿真结果图；
图7是加载基于超材料的宽带解耦结构后四单元MIMO天线结构图；
图8是加载基于超材料的宽带解耦结构后四单元MIMO天线S参数仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
本实施例提供一种基于超材料的5G通信小型化宽频带天线，其结构示意图如图1所示，其天线整体尺寸为13mm×18mm×1mm，包括第一介质基板、天线辐射体1、第一共面波导馈电结构2和第二共面波导馈电结构3；天线介质基板为介电常数4.7、损耗正切角0.02的FR4材料(可采用介电常数为4.7的罗杰斯(Rogers)等其他材料)，所有辐射体与共面波导结构材料均为覆盖在介质基板上的铜箔(视具体情况可选择其它良导体如铝、金、不锈钢等)；
天线辐射体1、第一共面波导馈电结构2和第二共面波导馈电结构3位于第一介质基板的上表面；第一共面波导馈电结构2和第二共面波导馈电结构3分别位于天线辐射体1的两侧；
第一共面波导馈电结构2下端为中心有半径为1mm的圆形过孔的矩形金属结构，上端为具有半径为12mm的圆弧形边缘的类三角形结构，上端最细处宽度为0.3mm；
第二共面波导馈电结构3为中心具有圆形过孔的扇形金属结构；
天线辐射体1包括两个椭圆形金属结构和矩形馈线，两个椭圆形金属结构的长轴相互垂直，矩形馈线的中轴与一个椭圆金属结构的长轴重合。
天线的具体尺寸为：W＝13mm,L＝18mm,r1＝5mm,r2＝13mm，r3＝2mm,a1＝10mm,b1＝6mm,a2＝9.4mm,b2＝6.8mm,g1＝4.5mm,g2＝1mm,g3＝0.3mm；图2为图1中所示天线结构的S11参数的仿真结果图，由图2可以观察到本发明所提出的天线其工作频率范围完整覆盖2.6GHz-30GHz(对应于S11<-10dB)，从而对多种不同通信模式兼容，为未来相关的移动通信设备带来便利。
本实施例还提供了一种基于超材料的5G通信小型化宽频带MIMO天线，以基于超材料的5G通信小型化宽频带天线为单元，四个天线单元组成四单元MIMO天线，相邻的天线单元旋转90°放置且中间保留间距，使得两个天线单元极化方向正交，进而保证在极短距离内天线单元间的高隔离度。
仿真得到的天线S11及S21参数如图4所示。天线单元依旧保持在2.1GHz-30GHz的极宽工作带宽，同时在大部分工作频带内天线的S21参数维持在-20dB以下，这表明天线单元间具有良好的隔离度。
进一步地，针对2.1GHz至7GHz区间内天线单元耦合较高的问题，在间距空间上垂直天线所在平面加载基于超材料的宽带解耦结构。基于超材料的宽带解耦结构包含第二介质基板和两层金属贴片，上下两层金属贴片的结构相同方向相反，上下两层金属贴片都是由两端向中间尺寸逐渐减小的渐变式S形结构。
基于超材料的宽带解耦结构的结构示意图如图5所示，仿真得到的S参数如图6所示，可以看到该基于超材料的宽带解耦结构可以在2GHz至10GHz的极宽的频带内工作。将该基于超材料的宽带解耦结构垂直于天线所在平面加载在天线单元间，最终构成的天线整体结构如图7所示，通过图8所示的仿真S参数图可以看到，通过加载该基于超材料的宽带解耦结构，在不影响天线主要性能的前提下实现了整个工作频段内较高的隔离效果以及极小的整体尺寸。
综上所述，本专利提出一种适用于5G通信的便于集成和加工的宽频带天线，并在此基础上采用交叉极化方向的方法，进一步地引入超材料结构单元，提出四单元MIMO天线。所提出的天线具有结构小型化、端口隔离度高、去耦结构对天线性能影响较小等优点，因此可以广泛应用于小型化移动通信设备中，其设计方法还可应用于其它多频及宽频天线设计，为发展其它不同频段的新型小型化MIMO天线提供新的设计思路。

Claims (2)

1.一种基于超材料的5G通信小型化宽频带多输入多输出天线，其特征在于，四个天线单元组成四单元MIMO天线，相邻的天线单元旋转90°放置且中间保留间距，在间距空间上垂直天线所在平面加载基于超材料的宽带解耦结构；
单元天线包括第一介质基板、天线辐射体(1)、第一共面波导馈电结构(2)和第二共面波导馈电结构(3)；天线辐射体(1)、第一共面波导馈电结构(2)和第二共面波导馈电结构(3)位于第一介质基板的上表面；第一共面波导馈电结构(2)和第二共面波导馈电结构(3)分别位于天线辐射体(1)的两侧；
第一共面波导馈电结构(2)下端为中心有圆形过孔的矩形金属结构，上端为具有圆弧形边缘的类三角形结构；
第二共面波导馈电结构(3)为中心具有圆形过孔的扇形金属结构；
天线辐射体(1)包括两个椭圆形金属结构和矩形馈线，两个椭圆形金属结构的长轴相互垂直，矩形馈线的中轴与一个椭圆金属结构的长轴重合；
基于超材料的宽带解耦结构包含第二介质基板和两层金属贴片，上下两层金属贴片的结构相同方向相反，上下两层金属贴片都是由两端向中间尺寸逐渐减小的渐变式S形结构。
2.根据权利要求1所述的基于超材料的5G通信小型化宽频带多输入多输出天线，其特征在于，第一介质基板为介电常数4.7、损耗正切角0.02的FR4或介电常数为4.7的罗杰斯材料。
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