CN110504541B - 一种用于降低mimo天线耦合度的电磁超材料结构 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于降低MIMO天线耦合度的电磁超材料结构，MIMO天线包括公共接地板、设置在公共接地板上方的介质基板、对称设置在介质基板上表面的第一矩形辐射贴片和第二矩形辐射贴片、第一同轴馈电端口和第二同轴馈电端口以及第一电磁超材料去耦单元基板和第二电磁超材料去耦单元基板，两块电磁超材料结构分别以2*4的排布方式平行印刷在第一电磁超材料去耦单元基板和第二电磁超材料去耦单元基板的同一侧，第一电磁超材料去耦单元基板靠近第二矩形辐射贴片垂直放置，第二电磁超材料去耦单元基板靠近第一矩形辐射贴片垂直放置。本发明的天线采用阵元间垂直加载2*4排布的电磁超材料结构的方法实现天线阵耦合降低，达到提高隔离度的目标。

Description

一种用于降低MIMO天线耦合度的电磁超材料结构

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体的说是涉及一种用于降低MIMO天线耦合度的电磁超材料结构。

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

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，本发明提出了一种新型的电磁超材料结构来提高MIMO天线的隔离度，电磁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。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明是一种用于降低MIMO天线耦合度的电磁超材料结构， MIMO天线包括公共接地板、设置在公共接地板上方的介质基板、对称设置在介质基板上表面的第一矩形辐射贴片和第二矩形辐射贴片、第一同轴馈电端口和第二同轴馈电端口以及第一电磁超材料去耦单元基板和第二电磁超材料去耦单元基板，两块电磁超材料结构分别以2*4的排布方式平行印刷在第一电磁超材料去耦单元基板和第二电磁超材料去耦单元基板的同一侧，第一电磁超材料去耦单元基板靠近第二矩形辐射贴片垂直放置，第二电磁超材料去耦单元基板靠近第一矩形辐射贴片垂直放置。

本发明的进一步改进在于：所述第一电磁超材料结构单元阵列和第二电磁超材料结构单元阵列分别由数个电磁超材料去耦单元构成，每个所述电磁超材料去耦单元由四层谐振环嵌套组成，每层谐振环的开口方向不同以及尺寸各不相同。

本发明的进一步改进在于：所述第一电磁超材料结构单元阵列和第二电磁超材料结构单元阵列的排布方式均为2*4且第一电磁超材料结构单元阵列和第二电磁超材料结构单元阵列中的相邻的两个电磁超材料单元上下间隔为0.4mm-0.6mm，左右间隔为0.05-0.3mm。

本发明的进一步改进在于：电磁超材料的谐振频率与MIMO天线的谐振频率保持一致。

本发明的进一步改进在于：天线阵单元间距只有λ/10 至λ/13。

本发明的有益效果是：本发明采用电磁超材料结构提高MIMO各天线之间的隔离度，以达到MIMO天线的去耦效果，且该电磁超材料的引入并未对天线阵列的良好阻抗匹配特性造成影响。值得一提的是，天线阵单元间距只有λ/10 至λ/13之间，这对于制作紧凑型弱耦合的天线阵具有很高的参考应用价值。

本发明的天线采用阵元间垂直加载2*4排布的电磁超材料结构的方法实现天线阵耦合降低，达到提高隔离度的目标，电磁超材料结构是一个嵌套谐振环结构，该结构能耦合大量的表面波电流，这解释了两个天线单元间具有较低耦合的原因是设计的超材料单元吸收了两单元间的互耦能量，从而降低MIMO天线耦合度。

附图说明

图1 是本发明MIMO天线的整体结构图。

图2 是本发明电磁超材料单元的天线的俯视图。

图3 是本发明电磁超材料单元的天线的侧视图。

图4 是本发明电磁超材料单元的天线的仰视图。

图5 是本发明电磁超材料的整体结构图。

图6 是本发明电磁超材料单元的等效磁导率、等效电导率以及等效折射率图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

如图1-6所示，本发明是一种用于降低MIMO天线耦合度的电磁超材料结构，MIMO天线包括公共接地板101、设置在所述公共接地板101上方的介质基板201、对称设置在所述介质基板201上表面的第一矩形辐射贴片301和第二矩形辐射贴片302、第一同轴馈电端口102和第二同轴馈电端口103以及第一电磁超材料去耦单元基板202和第二电磁超材料去耦单元基板203，两块所述电磁超材料结构分别以2*4的排布方式平行印刷在第一电磁超材料去耦单元基板202和第二电磁超材料去耦单元基板203的同一侧，所述电磁超材料结构具体为第一电磁超材料结构单元阵列401和第二电磁超材料结构单元阵列402，也就是说第一电磁超材料结构单元阵列401和第二电磁超材料结构单元阵列402印刷在第一电磁超材料去耦单元基板202和第二电磁超材料去耦单元基板203的同一侧，所述第一电磁超材料去耦单元基板202靠近所述第二矩形辐射贴片302垂直放置，所述第二电磁超材料去耦单元基板203靠近第一矩形辐射贴片301垂直放置。

介质基板201、第一电磁超材料去耦单元基板202和第二电磁超材料去耦单元基板203是介电常数为4.4的FR4介质，介质基板201宽为W1，长为L1厚度为h2，第一电磁超材料去耦单元基板202 和第二电磁超材料去耦单元基板203长为W1，厚度为h1高为h3，第一电磁超材料去耦单元基板202 和第二电磁超材料去耦单元基板203之间的距离为d1，介质基板的厚度为h1高度为h3，其中第一电磁超材料去耦单元基板202与第二矩形辐射贴片302以及第二电磁超材料去耦单元基板203与第一矩形辐射贴片301之间的距离范围可以在0.05mm-0.3mm之间，介质基板201上的第一矩形辐射贴片301和第二矩形辐射贴片302，介质基板下表面的公共接地板101以及第一电磁超材料结构单元阵列401和第二电磁超材料结构单元阵列402均采用铜材料是覆铜结构，第一同轴馈电端口102和第二同轴馈电端口103通过SMA直接给第一矩形辐射贴片301和第二矩形辐射贴片302馈电，SMA的内导体直接和第一矩形辐射贴片301和第二矩形辐射贴片302相连，SMA的外导体与介质基板下表面的公共接地板101相连。

所述第一电磁超材料结构单元阵列401和第二电磁超材料结构单元阵列402的排布方式均为2*4且第一电磁超材料结构单元阵列401和第二电磁超材料结构单元阵列402中的相邻的两个电磁超材料单元上下间隔为0.4mm-0.6mm，左右间隔为0.05-0.3mm，优选的，左右的距离为0.05mm-0.2mm之间，所述第一电磁超材料结构单元阵列401和第二电磁超材料结构单元阵列402分别由数个电磁超材料去耦单元构成，每个所述电磁超材料去耦单元由四层谐振环嵌套组成，每层谐振环的开口方向不同以及尺寸各不相同，谐振环的组合结构能够吸收了辐射单元间的互耦能量，从而降低MIMO天线耦合度，单个电磁超材料单元的结构如图5所示，电磁超材料去耦单元是由4层谐振环嵌套组成，开口方向不同每层谐振环宽度为c，最外层谐振环宽度为a，长度为b，开口方向朝右并且开口大小为f，次外层谐振环A2与A1之间距离为e，A2的开口方向朝上，开口大小为d，谐振环A3与A2之间距离为m，谐振环的开口方向朝下，开口大小为n，最内层谐振环A4与A3之间距离为g，A4的开口方向朝上，开口大小为k，该结构能耦合大量的表面波电流，这解释了两个天线单元间具有较低耦合的原因是设计的超材料单元吸收了两单元间的互耦能量，从而降低MIMO天线耦合度。

MIMO阵列天线的工作频率由其第一矩形辐射贴片301和第二矩形辐射贴片302本身的大小W2和L2所决定，调整辐射贴片长度L2，可以直接调节天线的工作频率，辐射贴片的长度L2越长，可实现天线的工作频率则越低。因此，天线的工作频率确定后，MIMO阵列天线的尺寸大小也随之确定。

本发明应用的电磁超材料单元是一种具有谐振环状的金属结构，在电磁波激励下可发生谐振，由于谐振时其等效磁导率为负，从而成为人工电磁超材料的基本组成单元。使电磁超材料的谐振频率与MIMO天线的谐振频率保持一致，可以实现对入射电磁波的吸收，从而提高MIMO天线单元之间的隔离度，能有效抑制天线阵单元之间的耦合效应。

由图6可知，开口谐振环在谐振频率为5.2GHz-6.2GHz范围内，其等效相对磁导率为负值，保持与MIMO天线的工作频率一致能有效的改变馈电端口耦合到贴片的激励电流，降低或者消除流经公共接地板的电流，有效地降低了天线副瓣电平，同时吸收来自两个天线单元间的耦合能量，达到低耦合和高隔离度的效果，同时不会影响两天线单元的工作带宽和辐射特性，因此在该频率范围下，该开口谐振环具有电磁超材料的特性。

本例的MIMO天线在加载电磁超材料单元天线的频点漂移范围在0-0.06GHz，说明电磁超材料的引入并未对天线阵列的良好阻抗匹配特性造成影响。

在工作频率附近，通过加载电磁超材料单元，天线阵单元间耦合系数S21下降了约5至7dB， 去耦效果显著，值得一提的是，天线阵单元间距只有λ/10 至λ/13，适用于紧凑型弱耦合的天线阵，这对于制作紧凑型弱耦合的天线阵具有很高的参考应用价值。另外，该电磁超材料单元也适用于2*2MIMO等其他多辐射单元阵列天线，在2*2MIMO阵列天线的四个辐射贴片中间位置分别垂直放置印刷了该中电磁超材料单元的介质基板，同样能有效吸收来自天线单元间的耦合能量，达到低耦合和高隔离度的效果，同时不会影响两天线单元的工作带宽和辐射特性。

综上，本发明以工作频段为5.4-5.7GHZ二元阵列天线为例，该MIMO天线组成包括组成包括FR4介质基板，金属地，天线辐射单元，同轴馈电端口。通过在二元天线阵列单元之间加载电磁超材料单元来抑制天线阵单元之间的耦合效应，从而达到缩小阵元间距、提高天线阵性能的目的。

对于本领域的普通技术人员而言，具体实施例只是对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于降低MIMO天线耦合度的电磁超材料结构， MIMO天线包括公共接地板（101）、设置在所述公共接地板（101）上方的介质基板（201）、对称设置在所述介质基板（201）上表面的第一矩形辐射贴片（301）和第二矩形辐射贴片（302）、第一同轴馈电端口（102）和第二同轴馈电端口（103）以及第一电磁超材料去耦单元基板（202）和第二电磁超材料去耦单元基板（203），其特征在于：所述第一电磁超材料去耦单元基板（202）靠近所述第二矩形辐射贴片（302）垂直放置，所述第二电磁超材料去耦单元基板（203）靠近第一矩形辐射贴片（301）垂直放置，第一电磁超材料结构单元阵列（401）和第二电磁超材料结构单元阵列（402）分别由8个电磁超材料去耦单元构成且以2*4的排布方式平行印刷在第一电磁超材料去耦单元基板（202）和第二电磁超材料去耦单元基板（203）的同一侧，每个所述电磁超材料去耦单元由四层谐振环嵌套组成，每层谐振环的开口方向不同以及尺寸各不相同，其开口方向为最外层向右，依次向里的方向为向上、向下和向上，并且最里层的开口没有弯折结构，直接向上开口，电磁超材料的谐振频率与MIMO天线的谐振频率保持一致。

2.根据权利要求1所述一种用于降低MIMO天线耦合度的电磁超材料结构，其特征在于：所述第一电磁超材料结构单元阵列（401）和第二电磁超材料结构单元阵列（402）中的相邻的两个电磁超材料单元上下间隔为0.4mm-0.6mm，左右间隔为0.05-0.3mm。

3.根据权利要求1所述一种用于降低MIMO天线耦合度的电磁超材料结构，其特征在于：天线阵单元间距只有λ/10 至λ/13。

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