CN111293413A - 基于交叉耦合结构的紧凑型宽带滤波天线及其mimo天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于交叉耦合结构的小型化宽带滤波天线及由其构成的紧凑型MIMO滤波天线，属于微波天线技术领域。本发明所述的滤波天线包括尺寸相同且紧密贴合的第一介质基板、金属地板、下层第二介质基板，所述第一介质基板上表面中心设置有一个矩形金属贴片和两个围绕在矩形金属贴片周围的U型寄生贴片，所述第二介质基板的上表面为带有两条缝隙的金属地板，介质基板下表面为带有两条横向枝节和短路钉的终端弯折开路微带馈电结构；将滤波天线作为单元组成了2×2的MIMO天线；本发明所述MIMO滤波天线结构紧凑，在带宽、尺寸、和滤波性能上都具有明显的优势。

Description

基于交叉耦合结构的紧凑型宽带滤波天线及其MIMO天线

技术领域

本发明属于微波天线技术领域，具体涉及一种基于交叉耦合结构的小型化宽带滤波天线及紧凑型MIMO滤波天线。

背景技术

滤波天线将滤波器和天线集成在一起，不仅同时具有辐射和滤波特性，而且结构紧凑。若将其应用于大规模MIMO系统，不仅可以提升系统的通信性能，还可以更好地实现系统的小型化。

近年来，国内外学者对滤波天线及其在MIMO系统中的应用进行了研究。2017年，X.Y.Zhang等人在IEEE Trans.Antennas Propag.(vol.65,no.1,pp.103-113,Jan.2017)上发表了题为“Low-Profile Dual-Band Filtering Patch Antenna and Its Applicationto LTE MIMO System”的文章，利用微带天线跟滤波电路串联，实现了具有滤波特性的双频天线，天线的增益为6.7dBi/7.3dBi，在两个频带的左右两侧各有一个辐射零点产生。由其构成的MIMO天线单元边缘间距为0.15λ_L(λ_L为低频带中心频率对应的波长)，同时由于单个滤波天线的尺寸较大，约为0.51λ_L×0.63λ_L/0.7λ_H×0.87λ_H(λ_H为高频带中心频率对应的波长)，因此在一定的空间内能够放置的天线数量受到了限制。

2018年，H.W.Deng等人在IEEE Antennas Wireless Propag.Lett.(vol.17,no.12,pp.2498-2502,Dec.2018)上发表了题为“Closely spaced broadband MIMOdifferential filtering slotline antenna With CM suppression”的文章，利用地板上的缝隙作为辐射单元，同时采用双模谐振器作为馈电结构，实现了具有较好带外抑制度的滤波天线，天线带宽25％，增益为3.3dBi，天线单元的边缘距离为0.05λ₀(λ₀为中心频率对应的波长)时隔离度为16dB，但是滤波天线单元的尺寸仍然较大，接近λ₀×λ₀。

2019年，J.F.Qian等人在IEEE Trans.Antennas Propag.(vol.67,no.1,pp.654-658,Jan.2019)上发表了题为“A wide stopband filtering patch antenna and itsapplication in MIMO system”的文章，利用平行耦合线作为馈电结构，设计了具有高次谐波抑制作用的滤波天线，增益为2.59dBi，滤波天线单元的尺寸约为0.4λ₀×0.4λ₀，当MIMO天线单元边缘间距为0.098λ₀时，隔离度为26.5dBi，但是该天线的工作带宽仅为3.2％。

随着大规模MIMO系统朝着紧凑型和小型化方向的发展，基于以上技术实现的滤波天线难以同时满足带宽和尺寸的要求。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种基于交叉耦合结构的小型化宽带滤波天线及由其组成的紧凑型MIMO滤波天线。本发明所述天线通过在天线中构造不同的耦合路径，在紧凑的结构下实现了宽带和滤波性能。

本发明所提出的技术问题是这样解决的：

一种基于交叉耦合结构的小型化宽带滤波天线，包括尺寸相同且自上至下紧密贴合的第一介质基板1、金属地板2和第二介质基板3；

第一介质基板1的上表面中心位置设置有矩形金属贴片4和两个U型寄生贴片5，共同作为天线的辐射结构；两个U型寄生贴片5开口相对，围绕矩形金属贴片4对称放置；矩形金属贴片4刻蚀有开口环缝隙6，开口环缝隙6的开口朝上；

金属地板2刻蚀有两条平行的缝隙，第一缝隙7平行于矩形金属贴片4的短边，其中心与矩形金属贴片4的中心重合；第二缝隙8位于第一缝隙7的上方，其中心与U型寄生贴片5的中心重合；第一缝隙7和第二缝隙8的长度不同；第一缝隙7和第二缝隙8之间的间距为四分之一波长(通带右侧第一个辐射零点频率对应的介质波长)；

第二介质基板3的下表面设置有微带馈电结构，微带馈电结构包括微带线9和两条横向开路枝节10、11；微带线9的终端开路且弯折；第一开路枝节10和第二开路枝节11平行，垂直加载在微带线9上；第一开路枝节10和第二开路枝节11的长度和宽度均不同；

第一开路枝节10的中心处有一个短路钉12，短路钉12与金属地板2连接。

通过调节微带馈电结构中微带线9的长度，可以调节通带左侧第一个辐射零点(距通带较近)的位置，当终端开路微带线较长时将其弯折以缩小天线整体尺寸。

通过调节开口环缝隙6的长度可以改变通带左侧第二个辐射零点(距通带较远)的位置。

通过调节第一缝隙7和第二缝隙8之间的距离，可以改变通带右侧第一个辐射零点(距通带较近)的位置。

通过调节矩形金属贴片4和U型寄生贴片5之间的距离，可以改变通带右侧第二个辐射零点(距通带较远)的位置。

一种基于交叉耦合结构的紧凑型宽带MIMO滤波天线，以上述基于交叉耦合结构的小型化宽带滤波天线作为单元天线，两两正交放置组成2×2阵列天线，相邻的单元天线紧密贴合；4个单元天线的信号输入端口分别位于阵列天线的四条边上。单元天线端口均采用微带馈电方式，端口的输入阻抗为50欧姆。

本发明的有益效果是：

(1)本发明利用金属地板上的两条平行缝隙和上层介质基板上表面的U型寄生贴片构造了两组交叉耦合结构，使得经过不同路径的信号相位改变在特定频点处刚好相差180°，从而使这两路信号抵消，对外的辐射能量很低，能够在高频段实现两个辐射零点，提高天线对右侧带外信号的抑制度。

(2)本发明所述的金属地板上第二条缝隙在其谐振时能够产生较强的后向辐射，使前向辐射的能量较少，从而在低频段形成辐射零点。

(3)本发明所述矩形金属贴片上的开口环缝隙，能改变矩形金属贴片表面的电流分布，使得在特定频点处表面电流呈反相分布，形成低频段辐射零点。

(4)本发明所述天线的微带馈电线采用复合左右手传输线结构，使得在简单紧凑的结构下能进一步提高对带外信号的抑制度。

(5)本发明所述滤波天线带宽宽、尺寸小，适用于大规模MIMO系统中，有助于大规模MIMO天线单元的密集型排布，使得在有限的空间内能够放置更多的天线，实现紧凑型高性能的大规模MIMO系统。

附图说明

图1为本发明实施例一所述小型化宽带滤波天线的结构示意图；

图2为图1中天线的侧视图；

图3为图2中上层第一介质基板上表面金属层的俯视图；

图4为图2中间金属层俯视图；

图5为图2中下层第二介质基板下表面金属层的俯视图；

图6为实施例一所述天线的S参数示意图；

图7为实施例一所述天线的增益示意图；

图8为实施例一所述天线中两组交叉耦合路径示意图，其中(a)实现辐射零点f_null1的路径；(b)实现辐射零点f_null2的路径；

图9为实施例一所述滤波天线馈电结构的复合左右手传输线等效电路图；

图10为实施例一所述滤波天线馈电结构的色散特性图；

图11为实施例一所述天线在4.8GHz频点的辐射方向图，其中(a)E面；(b)H面；

图12为实施例一所述天线在5.05GHz频点的辐射方向图，其中(a)E面；(b)H面；

图13为实施例一所述天线在5.3GHz频点的辐射方向图，其中(a)E面；(b)H面；

图14为实施例二所述2×2MIMO滤波天线结构图；

图15为实施例二所述2×2MIMO滤波天线S参数示意图；

图16为实施例二所述2×2MIMO滤波天线包络相关系数示意图。

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。

实施例一

本实施例提供一种基于交叉耦合结构的小型化宽带滤波天线，其整体结构示意图如图1所示，侧视图如图2所示，包括尺寸相同且自上至下紧密贴合的第一介质基板1、金属地板2和第二介质基板3。第一介质基板1的上表面金属层的俯视图如图3所示，上表面中心位置设置有矩形金属贴片4和两个U型寄生贴片5，共同作为天线的辐射结构；两个U型寄生贴片5开口相对，围绕矩形金属贴片4对称放置；矩形金属贴片4刻蚀有开口环缝隙6，开口环缝隙6的开口朝上。金属地板2的俯视图如图4所示，刻蚀有两条平行的缝隙，第一缝隙7平行于矩形金属贴片4的短边，其中心与矩形金属贴片4的中心重合；第二缝隙8位于第一缝隙7的上方，其中心与U型寄生贴片5的中心重合；第一缝隙7和第二缝隙8的长度不同；第一缝隙7和第二缝隙8之间的间距为四分之一波长(通带右侧第一个辐射零点频率对应的介质波长)。第二介质基板3的下表面金属层的俯视图如图5所示，下表面设置有微带馈电结构，微带馈电结构包括微带线9和两条横向开路枝节10、11；微带线9的终端开路且弯折；第一开路枝节10和第二开路枝节11平行，垂直加载在微带线9上；第一开路枝节10和第二开路枝节11的长度和宽度均不同。第一开路枝节10的中心处有一个短路钉12，短路钉12与金属地板2连接。

第一介质基板1和第二介质基板3的材料都为Rogers RO4003，相对介电常数3.55，损耗角正切值为0.0027；第一介质基板1的厚度为3.2mm，第二介质基板3的厚度为2.2mm；两介质基板的尺寸相同，均为25mm×25mm；矩形金属贴片4的尺寸为11.7mm×9mm，开口环缝隙6的长度为8.3mm，宽度为6mm，开口尺寸为0.8mm，缝隙宽度为0.5mm。U型寄生贴片5的长度为22mm，弯折两臂长度为8mm，宽度为4.1mm，两个U型寄生贴片之间的距离为1.2mm。金属地板2上的第一缝隙7长度为14.6mm，宽度为1mm，第二缝隙8长度为13.7mm，宽度为1mm。微带馈电结构中终端开路微带线9宽度为2mm，长度为24mm，弯折部分长度为2mm。第一开路枝节10的长度为14.4mm，宽度为1.5mm；第二开路枝节11的长度为8mm，宽度为1mm；两个横向开路枝节10、11的间距为4mm，短路钉12处于第一开路枝节10的中心处，半径为0.4mm。

本实施例所述天线的尺寸为0.42λ₀×0.42λ₀(λ₀为天线工作频带的中心频率对应的波长)，其S参数仿真结果如图6所示，其工作频带为：4.51-5.55GHz(相对带宽20.6％)。天线的带内平均增益为5.1dBi，天线的增益示意图如图7所示，在其通带左右两侧各有两个辐射零点产生f_null1～f_null4。

本实施例所述滤波天线包含两组交叉耦合路径，在上层辐射结构中，矩形金属贴片4和两个U型寄生贴片5二者之间的耦合以磁耦合为主，通过第一缝隙7传输到矩形金属贴片4的电磁波一方面经过矩形金属贴片4向自由空间辐射；另一方面，电磁波可以经过矩形金属贴片4耦合到两个U型寄生贴片5上，再由U型寄生贴片5向自由空间辐射，它们之间的耦合路径类似于交叉耦合滤波器中的CT(cascaded triplet)结构，如图8(a)所示，其中①单元代表矩形金属贴片4，②单元代表U型寄生贴片5，S表示自由空间。电磁波经过这两条不同的路径到达自由空间的相位变化相差180°，从而使得这两路信号抵消，对空间的辐射能量很小，形成了第一个辐射零点f_null1。

在滤波天线的馈电结构中，一部分电磁波通过第一缝隙7耦合到矩形贴片上，然后经过矩形金属贴片4向自由空间辐射，而还有一部分电磁波，通过金属地板2上的第二缝隙8耦合到U型寄生贴片5上，耦合路径如图8(b)所示。由于第一缝隙7和第二缝隙8距离为四分之一个波长，因此到达这两条缝隙的电磁波相位相差90°，经过两条缝隙分别耦合到矩形金属贴片4和U型寄生贴片5上的电磁波最终各自向自由空间辐射，形成了第二个辐射零点f_null2。辐射零点f_null1和f_null2有助于提高天线工作频带右侧的辐射抑制度。

本实施例所述滤波天线其馈电传输线终端开路，当第一缝隙7距传输线终端长度为半个波长时，第一缝隙7处电流幅值很小，耦合到矩形金属贴片4的能量较低，形成第三个辐射零点f_null3。而矩形金属贴片4上的开口环缝隙6可以使得在特定频点处贴片表面电流反相，对空间实现较低能量的电磁波辐射，形成第四个辐射零点f_null4。辐射零点f_null3和f_null4有助于提高天线工作频带左侧的辐射抑制度。

本实施例所述滤波天线的馈电微带线加载两条横向开路枝节10、11和短路钉12，该结构为复合左右手传输线单元，其等效电路如图9所示。短路钉12等效为左手电感L_L，横向枝节和传输线上的电流等效为右手电感L_R，枝节与地之间的电容等效为右手电容C_R，两条枝节之间的缝隙等效为左手电容C_L。对该馈电结构进行色散特性分析，如图10所示，所述馈电结构与传统直线型馈电结构相比，在低于4GHz和7.5GHz-8.5GHz范围内具有带隙特性，对这两个频段范围内的电磁波产生抑制作用，因此能够在不增加尺寸的基础上，进一步提升天线滤波性能。

天线在4.8GHz、5.05GHz、5.3GHz的辐射方向图分别如图11、图12、图13所示，从图中可以看出，E面和H面的交叉极化比均大于25dB。

本实施例所述滤波天线，和现有同类型平单极化滤波天线相比，能同时满足大规模MIMO系统中对天线的带宽、尺寸和滤波性能的要求，利于实现小型化高性能的大规模MIMO系统。

实施例二

一种基于交叉耦合结构的紧凑型宽带MIMO滤波天线，以实施例一所述单元作为单元天线，两两正交放置组成2×2MIMO天线，其结构如图14所示，相邻微带馈电结构的边缘间距为1.7mm(0.028λ₀)。

对该MIMO滤波天线进行仿真分析，其仿真结果如图15所示，天线单元之间的隔离度在工作频段内(|S₁₁|<-10dB)大于15.5dB。MIMO滤波天线的包络相关系数如图16所示，在工作频带范围内低于0.06。

Claims (7)

1.一种基于交叉耦合结构的小型化宽带滤波天线，其特征在于，包括尺寸相同且自上至下紧密贴合的第一介质基板(1)、金属地板(2)和第二介质基板(3)；

第一介质基板(1)的上表面中心位置设置有矩形金属贴片(4)和两个U型寄生贴片(5)；两个U型寄生贴片(5)开口相对，围绕矩形金属贴片(4)对称放置；矩形金属贴片(4)刻蚀有开口环缝隙(6)，开口环缝隙(6)的开口朝上；

金属地板(2)刻蚀有两条平行的缝隙；第一缝隙(7)平行于矩形金属贴片(4)的短边，其中心与矩形金属贴片(4)的中心重合；第二缝隙(8)位于第一缝隙(7)的上方，其中心与U型寄生贴片(5)的中心重合；第一缝隙(7)和第二缝隙(8)的长度不同；第一缝隙(7)和第二缝隙(8)之间的间距为四分之一波长；

第二介质基板(3)的下表面设置有微带馈电结构，微带馈电结构包括微带线(9)和两条横向开路枝节(10、11)；微带线(9)的终端开路且弯折；第一开路枝节(10)和第二开路枝节(11)平行，垂直加载在微带线(9)上；第一开路枝节(10)和第二开路枝节(11)的长度和宽度均不同；

第一开路枝节(10)的中心处有一个短路钉(12)，短路钉(12)与金属地板(2)连接。

2.根据权利要求1所述的基于交叉耦合结构的小型化宽带滤波天线，其特征在于，通过调节微带馈电结构中微带线(9)的长度，可以调节通带左侧第一个辐射零点的位置，当终端开路微带线较长时将其弯折以缩小天线整体尺寸。

3.根据权利要求1所述的基于交叉耦合结构的小型化宽带滤波天线，其特征在于，通过调节开口环缝隙(6)的长度可以改变通带左侧第二个辐射零点的位置。

4.根据权利要求1所述的基于交叉耦合结构的小型化宽带滤波天线，其特征在于，通过调节第一缝隙(7)和第二缝隙(8)之间的距离，可以改变通带右侧第一个辐射零点的位置。

5.根据权利要求1所述的基于交叉耦合结构的小型化宽带滤波天线，其特征在于，通过调节矩形金属贴片(4)和U型寄生贴片(5)之间的距离，可以改变通带右侧第二个辐射零点的位置。

6.一种基于交叉耦合结构的紧凑型宽带MIMO滤波天线，其特征在于，以权利要求1所述基于交叉耦合结构的小型化宽带滤波天线作为单元天线，两两正交放置组成2×2阵列天线，相邻的单元天线紧密贴合；4个单元天线的信号输入端口分别位于阵列天线的四条边上。

7.根据权利要求6所述的基于交叉耦合结构的紧凑型宽带MIMO滤波天线，其特征在于，天线端口均采用微带馈电方式，端口的输入阻抗为50欧姆。

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