CN111293431A - 一种高隔离度的缝隙超宽带mimo天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高隔离度的缝隙超宽带MIMO天线，包括基板和天线，所述的天线为槽天线，包括两个辐射单元，两个辐射单元形成对称结构，两个辐射单元之间设有三根相互平行的隔离结构。与现有技术相比，本发明具有高隔离度、小尺寸的优点，且具有WiMAX频段和C波段的阻带。
Description
技术领域
本发明涉及一种MIMO天线，尤其是涉及一种高隔离度的缝隙超宽带MIMO 天线。
背景技术
1901年古利莫马可尼在英吉利海峡两岸利用无线电波实现了电报通信，开启了移动通信的历史，至今已有100余年。在这100余年里面移动通信迅猛发展，在第二次世界大战中，开始大范围地使用了无线电台。上世纪七十年代到八十年代，贝尔实验室首次提出蜂窝的概念，有效地解决了频率复用问题，极大地提高了通信容量。这一阶段被人们称为1G时代。从20世纪80年代至今，人们依次进入到了2G、3G、4G、5G，未来还将进入6G时代。随着各种移动通信的不断发展，数据信息流越来越大，海量的图像、音频、视频、文字、导航需要借助各种移动终端设备传播，因此人们对系统的传输数率，信道容量，通信质量提出了越来越高的要求，但是无线通信系统的频谱资源却是有限的，人们日益增长的需求无疑造成了无线通信系统的频谱资源日益紧张，其中一种解决该问题的办法就是扩大系统的带宽，即提高频谱的可用量。由此引发了人们对超宽带(Ultra-wideband，UWB)技术的研究激情。
2002年2月，美国联邦通信委员会(FCC)制定了超宽带(UWB)技术的民用化规范，正式确定了3.1GHz-10.6GHz为超宽带的频带范围，并向民用的通信领域逐步开放。UWB技术具有大系统容量、强抗多径衰落能力、高通信速率、低截获率、强信号穿透能力、高通信质量、低耗电量、系统复杂度低和低成本等特点。使得UWB技术广泛用于成像、图像、雷达、通信等领域。
天线是作为射频前端重要组成部分，实现了导行波和自由空间波的转化，它的性能直接影响了通信质量。因此，在整个超宽带通信系统中，展开对超宽带天线的研究显得尤为必要。伴随着移动通信设备的小型化，必然导致天线的小型化，因此小型化技术是超宽带天线研究领域一个重要的研究方向。同时UWB天线频段因为涵盖了WLAN、C、X等波段的通信频段，为了避免对它们产生电磁干扰，所以需要对WLAN、C、X等波段过滤掉，这样需要设计具有带阻特性的天线，也称之为具有陷波功能天线。因此在保持超宽带特性的条件下，如何使得超宽带天线具有陷波特性也是一个重要的研究热点。
另一种应对频谱资源紧张的措施是提高频谱利用率。使用多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)技术能够在不增加频谱资源的情况下，极大地提高频谱利用率，改善通信质量。MIMO技术是指在系统中的收发端分别使用多组天线，使通信信号利用通信系统的发射端与接收端的多组天线发射和接收，从而提高通信质量，被视为目前移动通信的核心技术之一。随着移动通信设备的发展，移动通信设备日益往小型化、多功能化、智能化发展。如何在有限的空间范围内，保持天线的各种性能，是一个重要的研究课题，在MIMO天线系统中，需要克服因为天线单元间距过小，造成天线单元之间的互耦变强，影响天线的整体性能，因此，提高超宽带MIMO天线的隔离度，降低天线的互耦是一个重要的课题。
移动无线通信技术在本世纪革命性的发展，改变了人类的生活方式，人们对通信质量与速率的要求随之提高，对移动设备的轻巧便携度的要求也越来越高。通讯系统能否正常工作一定程度上取决于天线性能的优劣，天线技术的研究意义不言而喻。提高通信质量与速率的两个关键技术包括多输入多输出(Multiple Input Multiple Output；MIMO)技术和超宽带(Ultra Wideband；UWB)技术，将MIMO 技术和UWB技术结合起来，实现了二者的优缺互补。超宽带(Ultra-wideband， UWB)无线通信技术以其高速率、低误码率等优异特性在高速无线通信、雷达跟踪、测距、精确定位制导等领域得到了迅猛的发展，已经成为下一代短距离、高速率商用无线通信系统的研究热点。而天线作为无线通信系统的射频前端，其性能将直接影响通信的品质。因此，对于UWB无线通信系统而言，UWB天线的研究具有极其重要的现实意义和应用价值。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高隔离度的缝隙超宽带MIMO天线。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种高隔离度的缝隙超宽带MIMO天线，包括基板和天线，所述的天线为槽天线，包括两个辐射单元，两个辐射单元形成对称结构，两个辐射单元之间设有三根相互平行的隔离结构。
所述的三根隔离结构还连有五根枝节，所述的五根枝节与隔离结构垂直相交。
所述的基板为正方形，所述的隔离结构位于基板的对角线位置，所述的辐射单元分设在隔离结构两侧的对角位置。
所述的辐射单元内的缝隙形状为拱形和矩形的组合，所述矩形与拱形的直边垂直连接。
所述的缝隙内设有拱形贴片和矩形贴片，所述拱形贴片和矩形贴片的外轮廓与所述的缝隙形状相同，矩形贴片的外边缘紧贴所述缝隙的内边缘。
所述的矩形贴片上设有半开环形槽。
所述的基板背面也设有半开环形槽，且位置与矩形贴片上的半开环形槽相对应。
所述的基板材料为FR4。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)MIMO结构的高隔离度
对于MIMO天线，如果在接收端和发射端的天线相关性过高，就会对MIMO 系统的性能造成恶化，因此，足够高的隔离度是天线单元之间应该具有的必要条件。随着MIMO技术的广泛应用，许多能够改善隔离度的方法被大量研究，比如中和线技术、地板枝节、寄生单元、缺陷地结构以及超材料技术。
首先本发明在单元天线之间加入了三根一字型的横枝节作为隔离结构，一方面，该地板枝节可以改变地板表面电流的分布从而改善端口的阻抗匹配；另外一方面，可以将其看作反射板来减小天线之间的近场耦合；然后在三个横枝节的中间，加入了五根与之垂直的竖枝节使其中间形成缝隙，可以使得一部分地板表面电流分布在其周围，从而减小从激励端口流向非激励端口的地板表面电流。仿真结果显示，所有所需的工作频段的隔离度都降到-20dB以下。
(2)天线尺寸小型化
此UWB-MIMO槽天线通过开槽的方式，使天线的尺寸达到最小，和普通天线相比在尺寸上具有明显优势，结构简单、体积小，可应用在UWB终端设备中。由圆形贴片和矩形贴片组成，贴片周围使用缝隙结构。通过使用圆形贴片以增宽天线带宽。矩形贴片以及周围缝隙结构使天线结构紧凑，减小天线尺寸。
(3)双阻带性能
本天线经过仿真测试，获得了WiMAX频段和C波段的阻带，两个频段在实际应用过程中非常广泛，而本天线对于这两个频段都有着足够的带宽，完全满足工作需要。
附图说明
图1为本实施例天线的正面结构示意图；
图2为本实施例天线的背面结构示意图；
图3为本实施例天线的S11仿真结果；
图4为本实施例天线的隔离度仿真结果；
附图标记：
1为基板；2为辐射单元；3为隔离结构；4为拱形贴片；5为矩形贴片；6为半开环形槽。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，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。
实施例
本实施例设计了一种以FR4材料为基板的双阻带MIMO天线。通过分析发现槽天线更利于小型化，于是以槽天线为原型设计天线，利用共面波导馈电方式。天线由两个辐射单元组成，两个天线辐射单元结构相同且呈45°方向对称。缝隙结构为一扇形圆与一矩形的组合状，矩形贴片处于缝隙的内部，且贴片的外边缘紧贴缝隙的内边缘，这种结构可以激励更多的电流围绕缝隙分布，获得宽带匹配。并使用开槽法分别在天线背面和贴片上加载了两个半开环形槽，形成了UWB天线在 WiMAX(5.11-5.96GHZ)和C波段(6.82-7.86GHz)的禁带。
在两个单元天线之间加入了三根一字型隔离结构，经过分析发现，此隔离结构比一根一字型隔离结构在高频部分达到的隔离效果更好，但低频部分达不到要求，于是在三根竖枝节的上半部分引入了五根与之相垂直的横枝节，通过此相互交错的去耦隔离结构，引入了电感，通过交错结构中间的缝隙结构提高其Q值，防止能量向两旁的天线辐射，实现解耦作用，来减小两个单元之间耦合。
如图1、2所示，本实施例一种高隔离度的缝隙超宽带MIMO天线，包括基板 1和天线，天线为槽天线，包括两个辐射单元2，两个辐射单元2形成对称结构，两个辐射单元2之间设有三根相互平行的隔离结构3。
三根隔离结构3还连有五根枝节，五根枝节与隔离结构3垂直相交。
基板1为正方形，隔离结构3位于基板1的对角线位置，辐射单元2分设在隔离结构3两侧的对角位置。
辐射单元2内的缝隙形状为拱形和矩形的组合，矩形与拱形的直边垂直连接。
缝隙内设有拱形贴片4和矩形贴片5，拱形贴片4和矩形贴片5的外轮廓与缝隙形状相同，矩形贴片4的外边缘紧贴缝隙的内边缘。
矩形贴片4上设有半开环形槽6。
基板背面也设有半开环形槽6，且半径大小略大于矩形贴片上的半开环形槽6。
如图3、4所示，S11曲线表明该天线带宽覆盖3.1-10.6GHz，完全覆盖超宽带频率范围，且在5.11-5.96GHz与6.8-7.86GHz频段内分别形成了阻带，分别对应 WiMAX频段和C频段。并且从S12曲线图中可以看到在频率范围内天线的隔离度在20dB以下，隔离度较高，天线单元之间不易受到影响，故更易加工制作并广泛应用在现实生活中。
Claims (8)
1.一种高隔离度的缝隙超宽带MIMO天线，包括基板和天线，其特征在于，所述的天线为槽天线，包括两个辐射单元，两个辐射单元形成对称结构，两个辐射单元之间设有三根相互平行的隔离结构。
2.根据权利要求1所述的一种高隔离度的缝隙超宽带MIMO天线，其特征在于，所述的三根隔离结构还连有五根枝节，所述的五根枝节与隔离结构垂直相交。
3.根据权利要求1所述的一种高隔离度的缝隙超宽带MIMO天线，其特征在于，所述的基板为正方形，所述的隔离结构位于基板的对角线位置，所述的辐射单元分设在隔离结构两侧的对角位置。
4.根据权利要求3所述的一种高隔离度的缝隙超宽带MIMO天线，其特征在于，所述的辐射单元内的缝隙形状为拱形和矩形的组合，所述矩形与拱形的直边垂直连接。
5.根据权利要求4所述的一种高隔离度的缝隙超宽带MIMO天线，其特征在于，所述的缝隙内设有拱形贴片和矩形贴片，所述拱形贴片和矩形贴片的外轮廓与所述的缝隙形状相同，矩形贴片的外边缘紧贴所述缝隙的内边缘。
6.根据权利要求5所述的一种高隔离度的缝隙超宽带MIMO天线，其特征在于，所述的矩形贴片上设有半开环形槽。
7.根据权利要求6所述的一种高隔离度的缝隙超宽带MIMO天线，其特征在于，所述的基板背面也设有半开环形槽，且位置与矩形贴片上的半开环形槽相对应。
8.根据权利要求1所述的一种高隔离度的缝隙超宽带MIMO天线，其特征在于，所述的基板材料为FR4。
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