CN109861003A - 一种超材料宽带高隔离mimo天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于通信技术领域，具体为一种超材料宽带高隔离MIMO天线。本发明天线包括两个PIFA天线单元、两个超材料表面、接地金属板；超材料表面由两侧的周期性单元槽和介质组成，置于两个PIFA天线单元之间，用于减小天线之间的耦合度；精确选取超材料表面周期性单元的尺寸，使得两个超材料表面在两个天线单元的工作频段实现高的隔离度。本发明克服了原来去耦技术中存在的缺点，同时该天线结构简单，加工方便。

Description

一种超材料宽带高隔离MIMO天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种超材料宽带高隔离MIMO天线。
背景技术
超材料是指人工合成的具有周期性结构的电磁材料，因其奇特的电磁特性和易于加工等特点广受电磁领域的关注。至今为止，超材料已经被广泛应用于电磁领域的方方面面，如提高天线的阻抗带宽，抑制电路中的同步开关噪声，提高天线隔离度，提高天线增益等。
此外，在当代通信系统中，MIMO（多输入多输出）技术被用来克服信号传输过程中产生的多径衰落和阴影衰落问题。然而，在体积有限的情况下，MIMO天线的单元之间由于辐射特性和表面波的存在会产生耦合。高耦合度会带来许多问题，比如降低信噪比，降低天线增益和效率，减小信道容量等。因此MIMO技术中，如何降低天线单元之间的耦合度是很重要的一个环节。已经有多种方法被用于实现MIMO天线单元之间的去耦合。常见的有在接地面上开槽，其原理是阻止天线单元间的电流通过地面产生耦合，但是这种方法往往会对原有天线的辐射特性产生很大影响；也有通过在馈电端口和天线之间加去耦网络的方法来降低天线单元之间的耦合度，但是这种方法去耦效果不是很明显；还有使用电磁带隙结构的超材料和具有负磁导率的超材料结构来提高天线单元的隔离度，这种方法尽管能够实现比较好的去耦效果，但是其带宽往往很窄。
发明内容
本发明的目的在于克服现有天线去耦技术中存在的不足和缺陷，提供一种超材料宽带高隔离MIMO天线，天线具有宽带，水平全向，高隔离度等特性，同时结构简单易加工。
本发明提供的超材料宽带高隔离MIMO天线，其结构如图1所示，包括：两个PIFA天线单元1、2，两个超材料表面3、4，接地板5，两个PIFA天线单元1、2和两个超材料表面3、4设置于接地板5上；所述的超材料表面由两侧的周期性单元槽和介质组成，置于两个PIFA天线单元之间，用于减小天线之间的耦合度。
本发明中，所述两个天线单元1和天线单元2结构相同，为水平全向线极化天线。
本发明中，所述两个天线单元1、2分别刻蚀在介质的一侧表面，两个介质另一侧没有金属板。
本发明中，所述两个天线单元1、2、均包括：短路金属贴片6，辐射金属贴片7，如图2所示。
本发明中，所述两个超材料表面3、4均由周期性单元槽和介质板组成，其中周期性单元槽由4个分形结构组成，如图3所示。在大小为22mm×20mm的金属贴片上开四个“王”字形状的槽，然后在四个“王”字形状的末端再分别开一个小的“王”字形状的槽，从而构成分形结构的超表面。选取的周期性单元的尺寸约为十分之一个工作波长，在全波仿真软件HFSS15.0中进行仿真优化，从而精确地选取周期性单元的尺寸，使得两个超材料表面3、4在两个天线单元1、2的工作频段实现高的隔离度。
本发明中，所述的两个超材料表面3、4置于两个天线单元之间，两个天线单元1、2之间的距离仅为0.15~0.2个工作波长。
本发明中，在接地金属板5靠近短路金属贴片6处开有方形通孔，短路金属贴片6伸出的部分插入接地板的介质基板与地相连；如图4所示。
本发明中，在接地金属板5靠近辐射金属贴片7处开有圆形通孔，SMA同轴连接器内导体穿过该圆形通孔与辐射金属贴片7相连；如图4所示。金属贴片均为铜箔，金属厚度为铜箔厚度厚度约为0.02—0.05mm，优选0.035mm。
本发明采用一种新型的分形结构超材料表面，并将其置于两个面对面放置的天线单元之间，从而对两个宽带水平全向线极化天线在其工作带宽内实现高隔离度；同时该天线结构简单，加工方便。
附图说明
图1为本发明超材料宽带高隔离MIMO天线的侧视图。
图2为本发明超材料宽带高隔离MIMO天线超表面结构示意图。
图3为本发明超材料宽带高隔离MIMO天线PIFA单元结构示意图。
图4为本发明超材料宽带高隔离MIMO天线接地介质板结构示意图
图5为本发明超材料宽带高隔离MIMO天线在加和不加超表面结构的回波损耗的仿真与测量结果对比。
图6为本发明超材料宽带高隔离MIMO天线在加和不加超表面结构的耦合度的仿真与测量结果对比。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本发明提供了一种超材料宽带高隔离MIMO天线，天线中心频率3.5GHz，整体尺寸36mm×22mm×21mm（长×宽×高），本实施例包括：两个PIFA天线单元（1和2），两个超表面结构（3和4），接地板5。
如图2所示，本实施例所述的两个PIFA天线单元结构（1和2）相同，其基本结构包括短路金属贴片6和辐射金属贴片7。其中短路金属贴片6有一小部分穿过接地板的介质基板与接地板相连。通过在全波仿真软件HFSS15.0中仿真发现，辐射金属贴片7的宽度主要影响天线的带宽，宽度越大天线的相对带宽越宽；而辐射金属贴片7的长度主要影响天线的中心频点位置，最终选取的辐射金属贴片7的尺寸为5mm×16mm，此时天线的中心频率为3.5GHz，-10dB阻抗带宽为3.04-4.08GHz。两个PIFA天线单元之间的间距仅为15mm，即0.17个工作波长。
如图3所示，本实施例所述的两个超表面结构（3和4）是在大小为22mm×20mm的金属贴片上开四个“王”字形状的槽，然后在四个“王”字形状的末端再分别开一个小的“王”字形状的槽，从而构成分形结构的超表面。在超表面中间有一条0.2mm的槽将左右两侧的分形结构分割开来。该超表面置于两个PIFA天线单元中心位置。通过在全波仿真软件HFSS15.0中进行仿真优化，最终四个分形结构的尺寸定为9.9mm×9.5mm，此时该超表面结构的谐振频率恰好是在天线的工作频率内，从而在相应频段上提高两个PIFA天线单元（1和2）的隔离度。
如图4所示，本实施例所述的接地介质板在如图所示位置有大小为2mm×1mm的矩形通孔和半径为0.5mm的圆形通孔。PIFA天线单元的短路金属贴片6通过矩形通孔插入接地板的介质基板中，从而使得短路金属贴片与接地板相连，构成PIFA结构。SMA的内导体通过圆形通孔与辐射金属贴片7相连从而实现馈电。
如图1-4所示，本实施例所述的超材料宽带高隔离MIMO天线，其中所用的介质基板均为材料FR4，相对介电常数4.4，损耗角0.02。所述的所有金属贴片均为铜箔, 金属厚度为铜箔厚度（约0.035mm）。
如图5所示，本实施例所述的频率特性包括回波损耗参数。其中横坐标代表频率变量，单位为GHz，纵坐标代表回波损耗变量，单位dB。本发明的超材料宽带高隔离MIMO天线实测回波损耗小于-10 dB的频率带宽范围是3.0 GHz~4.04 GHz，不加超材料时的MIMO天线实测回波损耗小于-10 dB的频率带宽范围是2.98 GHz~4.06 GHz。
如图6所示，本实施例所述的频率特性包括耦合度参数。其中横坐标代表频率变量，单位为GHz，纵坐标代表轴比变量，单位dB。本发明的超材料宽带高隔离MIMO天线实测耦合度小于-20dB的频率范围是3.18 GHz~4.1 GHz，不加超材料时的MIMO天线实测耦合度基本都在-15dB以上。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例，如本发明的圆极化偶极子天线为左旋圆极化天线，改变偶极子天线的排列顺序可以获得右旋圆极化特性的天线，凡是根据本发明的技术方案作出的技术变形，均落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种超材料宽带高隔离MIMO天线，其特征在于，包括：两个PIFA天线单元（1、2），两个超材料表面（3、4），接地金属板（5），两个PIFA天线单元（1、2）和两个超材料表面（3、4）设置于接地金属板（5）上；所述的超材料表面由两侧的周期性单元槽和介质组成，置于两个PIFA天线单元之间，用于减小天线之间的耦合度。
2.根据权利要求1所述的超材料宽带高隔离MIMO天线，其特征在于，所述两个天线单元（1）和天线单元（2）结构相同，为水平全向线极化天线；两个天线单元分别刻蚀在介质的一侧表面，两个介质另一侧没有金属板。
3.根据权利要求2所述的超材料宽带高隔离MIMO天线，其特征在于，所述两个天线单元（1、2）均包括：短路金属贴片（6），辐射金属贴片（7）；在接地金属板（5）靠近短路金属贴片（6）处开有方形通孔，短路金属贴片（6）伸出的部分插入接地板的介质基板与地相连；在接地金属板（5）靠近辐射金属贴片（7）处开有圆形通孔，SMA内导体穿过该圆形通孔与辐射金属贴片（7）相连。
4.根据权利要求3所述的超材料宽带高隔离MIMO天线，其特征在于，所述两个超材料表面（3、4）均由周期性单元槽和介质板组成，其中周期性单元槽由4个分形结构组成，在大小为22mm×20mm的金属贴片上开四个“王”字形状的槽，然后在四个“王”字形状的末端再分别开一个小的“王”字形状的槽，从而构成分形结构的超表面；选取的周期性单元的尺寸约为十分之一个工作波长，在全波仿真软件HFSS15.0中进行仿真优化，从而精确地选取周期性单元的尺寸，使得两个超材料表面（3、4）在两个天线单元（1、2）的工作频段实现高的隔离度。
5.根据权利要求4所述的超材料宽带高隔离MIMO天线，其特征在于，所述两个天线单元（1、2）之间的距离为0.15~0.2个工作波长。
6.根据权利要求5所述的超材料宽带高隔离MIMO天线，其特征在于，所述短路金属贴片（6）、辐射金属贴片（7）均为铜箔。
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