CN111478036A - 基于共面波导馈电的柔性单阻带uwb-mimo天线 - Google Patents

基于共面波导馈电的柔性单阻带uwb-mimo天线 Download PDF

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Abstract

本发明属于天线领域，具体涉及一种基于共面波导馈电的柔性单阻带UWB‑MIMO天线，具有这样的特征，包括：基板，为矩形；两个天线单元，位于基板的上表面，均具有圆形辐射贴片、渐变的梯形的微带线、第一接地板以及第二接地板，微带线连接在圆形辐射贴片上，并且两个微带线分别与基板的相邻的第一边线和第二边线垂直连接，第一接地板和第二接地板分别设置在微带线的两侧，且与基板的边线连接；以及隔离枝节，设置在两个天线单元之间，其中，圆形辐射贴片的远离微带线的一侧具有扇形切角，并且圆形辐射贴片上还设置有一个长度为1/4阻带频率波长的扇形槽，第一接地板的面积大于第二接地板，隔离枝节为倒F形。

Description

基于共面波导馈电的柔性单阻带UWB-MIMO天线
技术领域
本发明属于天线领域，具体涉及一种基于共面波导馈电的柔性单阻带UWB-MIMO天线。
背景技术
自2002年FCC正式将3.1-10.6GHz划归民用超宽带，超宽带便获得了极大地发展，超宽带天线也随之兴起。由于超宽带通讯具有传输速率快、穿透能力强、抗干扰能力强等特点，超宽带天线目前在短距离无线通讯、移动通讯和医学成像、探地雷达等方面已有众多应用。进行无线通信时，周围的环境相对是比较复杂的，因此电磁波传播时，会遇到障碍物而产生直射，折射或反射而导致多径衰落。多径衰落是影响通信的一种不利因素，之后发展起来的MIMO(Multiple-input Multiple-output)技术则可以改善这一缺点。尤其在当今海量的数据需要传输的时代，时下流行的5G的核心技术之一就是多通道MIMO技术。因此将超宽带技术与MIMO天线结合起来对于未来无线通信的发展来说是个不错的选择。然而伴随着天线单元数量的增加，天线单元之间会产生耦合效应，却是不可忽略的问题。如何保证天线小型化的同时又能降低天线单元的耦合，成为MIMO天线设计中的难点。
3.1GHz-10.6GHz是超宽带通信的应用频段，该频段范围同时也存在了多种其他的通信系统，例如无线局域网、工信部发布的中国5G频段、全球微波互联接入、卫星通信、弹载系统等。为了避免超宽带天线与这些已知的通信系统发生相互干扰，可以在通信系统前端额外设计滤波装置，但是这样会占据较大的空间，不利于集成并且经济性差。在天线本身结构上通过蚀刻不同的陷波单元使天线在相应的频段产生阻带特性是简单易行的办法。因此，具有阻带特性的UWB-MIMO天线就成为了现在研究人员的重点之一。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于共面波导馈电的柔性单阻带UWB-MIMO天线。
本发明提供了一种基于共面波导馈电的柔性单阻带UWB-MIMO天线，具有这样的特征，包括：基板，为矩形；两个天线单元，位于基板的上表面，均具有圆形辐射贴片、渐变的梯形的微带线、第一接地板以及第二接地板，微带线连接在圆形辐射贴片上，并且两个微带线分别与基板的相邻的第一边线和第二边线垂直连接，第一接地板和第二接地板分别设置在微带线的两侧，且与基板的边线连接；以及隔离枝节，设置在两个天线单元之间，其中，圆形辐射贴片的远离微带线的一侧具有扇形切角，并且圆形辐射贴片上还设置有一个长度为1/4阻带频率波长的扇形槽，第一接地板的面积大于第二接地板，隔离枝节为倒F形。
在本发明提供的基于共面波导馈电的柔性单阻带UWB-MIMO天线中，还可以具有这样的特征：其中，扇形切角的尺寸为：弧长为圆形辐射贴片的周长的3/10，弧度角为159°。
在本发明提供的基于共面波导馈电的柔性单阻带UWB-MIMO天线中，还可以具有这样的特征：其中，两个天线单元之间的间距为2.5mm。
在本发明提供的基于共面波导馈电的柔性单阻带UWB-MIMO天线中，还可以具有这样的特征：其中，扇形槽与圆形辐射贴片共圆心，并且朝向扇形切角，扇形槽的半径为圆形辐射贴片半径的7/10，弧度角为290°。
在本发明提供的基于共面波导馈电的柔性单阻带UWB-MIMO天线中，还可以具有这样的特征：其中，基于共面波导馈电的柔性单阻带UWB-MIMO天线用于隔离WiMAX-3.5GHz的超宽带频段。
在本发明提供的基于共面波导馈电的柔性单阻带UWB-MIMO天线中，还可以具有这样的特征：其中，隔离枝节与第一边线连接并且朝向第二边线，或者隔离枝节与第二边线连接并且朝向第一边线。
在本发明提供的基于共面波导馈电的柔性单阻带UWB-MIMO天线中，还可以具有这样的特征：其中，第一接地板和第二接地板均为矩形，第一接地板与微带线之间形成第一地板缝隙，第二接地板与微带线之间形成第二地板缝隙，第一地板缝隙和第二地板缝隙的尺寸相同。
在本发明提供的基于共面波导馈电的柔性单阻带UWB-MIMO天线中，还可以具有这样的特征：其中，基板为液晶聚合物，其厚度为0.1mm。
在本发明提供的基于共面波导馈电的柔性单阻带UWB-MIMO天线中，还可以具有这样的特征：其中，微带线采用共面波导馈电结构。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的基于共面波导馈电的柔性单阻带UWB-MIMO天线，因为包括两个天线单元，每个天线单元均具有圆形辐射贴片、渐变的梯形的微带线、第一接地板以及第二接地板，圆形辐射贴片的远离微带线的一侧具有扇形切角，使得天线在保证工作带宽的同时可以实现小型化；圆形辐射贴片上设置有一个长度为1/4阻带频率波长的扇形槽，使得天线可以隔离WiMAX-3.5GHz的频段；第一接地板的面积大于第二接地板，这样的不对称结构能够拓展天线的工作宽度；采用两个天线单元的MIMO结构，可以产生多条传输路径，从而极大地降低多径衰落的影响，并且在两个天线单元之间设置倒F形的隔离枝节为，可以有效减少两个天线单元之间的耦合电流。所以，本发明的UWB-MIMO天线既能保证小型化，又能降低天线单元之间的耦合，并且还能在满足超宽带的情况下有效隔离WiMAX-3.5GHz频段。
附图说明
图1是本发明的实施例中基于共面波导馈电的柔性单阻带UWB-MIMO天线的结构示意图；
图2是本发明的实施例中基于共面波导馈电的柔性单阻带UWB-MIMO天线的S11仿真结果图；
图3是本发明的实施例中基于共面波导馈电的柔性单阻带UWB-MIMO天线的隔离度仿真结果图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明基于共面波导馈电的柔性单阻带UWB-MIMO天线作具体阐述。
图1是本发明的实施例中基于共面波导馈电的柔性单阻带UWB-MIMO天线的结构示意图。
如图1所示，本实施例的基于共面波导馈电的柔性单阻带UWB-MIMO天线100包括基板10、第一天线单元20、第二天线单元30以及隔离枝节40。
基板10为矩形，具有相邻的第一边线11和第二边线12。基板10为液晶聚合物，其厚度为0.1mm。
第一天线单元20、第二天线单元30均位于基板的上表面上。在本实施例中，第一天线单元20、第二天线单元30放置在基板10的上表面上。
第一天线单元20包括圆形辐射贴片21、渐变的梯形的微带线22、第一接地板23以及第二接地板24。
圆形辐射贴片21和微带线22连接在一起，并且微带线22与第一边线11垂直连接。圆形辐射贴片21的远离微带线22的一侧具有扇形切角211。扇形切角的211尺寸为：弧长为圆形辐射贴片的周长的3/10，弧度角为159°。该扇形切角211的设计是为实现天线的小型化和超宽带，具体来说，通过分析辐射贴片上的电流分布，得到表面电流主要集中在靠近馈电点的底部边缘而上半部分的电流密度很小。由此为出发点，将圆形贴片上半部分切除，提出切角的圆形辐射贴片，从而实现小型化并且保证了工作带宽。
圆形辐射贴片21上还设置有一个长度为1/4阻带频率波长的扇形槽212，扇形槽212与圆形辐射贴片21共圆心，并且朝向扇形切角211，扇形槽212的半径为圆形辐射贴片21半径的7/10，弧度角为290°。扇形槽212为利用开槽技术在圆形辐射贴片21上开设而成。
微带线22采用共面波导馈电结构，并且在微带线的设计上采用了渐变结构，从而进一步拓展了天线的工作带宽。
第一接地板23和第二接地板24分别设置在微带线22的两侧，且与第一边线11连接。第一接地板23和第二接地板24均为矩形，并且第一接地板23的面积大于第二接地板24。第一接地板23与微带线22之间形成第一地板缝隙，第二接地板23与微带线22之间形成第二地板缝隙。第一地板缝隙和第二地板缝隙的尺寸相同。即，在第一边线11的延伸方向上，第一接地板23的长度大于第二接地板24的长度，在第二边线12的延伸方向上，第一接地板23的长度等于第二接地板24的长度。
第二天线单元30的结构与第一天线单元20的结构相似，同样包括圆形辐射贴片、渐变的梯形的微带线、第一接地板以及第二接地板。其不同之处在于：第二天线单元30的微带线与第二边线12垂直连接；第二天线单元30的第一接地板以及第二接地板与第二边线12连接。其余结构两者完全相同。
第一天线单元20与第二天线单元30垂直放置构成二元的超宽带MIMO天线。此时，第一天线单元20与第二天线单元30之间耦合严重，需要进一步的采取措施来降低天线之间的耦合。本实施例通过调节两个天线单元之间的相对位置并且在两个天线单元间加入一个倒F形的隔离枝节40，从而减小了两个天线单元之间的耦合的电流，使天线的隔离度达到了-20dB以下。本实施例中，第一天线单元20与第二天线单元30的相对垂直，间距为2.5mm，并将第二天线单元30向上调整2.5mm。
隔离枝节40，为倒F形，设置在第一天线单元20与第二天线单元30之间。隔离枝节40包括第一枝节41、第二枝节42以及第三枝节43。第一枝节41与第一边线33垂直连接。第二枝节42以及第三枝节43均垂直连接在第一枝节41上，并且均位于第一枝节41的靠近第二天线单元30的一侧，其中，第二枝节42与第一边线33连接。即，隔离枝节40朝向第二边线12。第一枝节41的长度为12mm，第二枝节42的长度小于第三枝节43。在本实施例中，第二枝节42和第三枝节43的长度分别为3mm和4mm。第一枝节41、第二枝节42和第三枝节43的宽度均为1mm。
图2是本发明的实施例中基于共面波导馈电的柔性单阻带UWB-MIMO天线的S11仿真结果图；图3是本发明的实施例中基于共面波导馈电的柔性单阻带UWB-MIMO天线的隔离度仿真结果图。
将本实施例的基于共面波导馈电的柔性单阻带UWB-MIMO天线100进行了S11仿真实验和隔离度仿真实验，其结果分别如图2、3所示。从图2可以看出本实施例的UWB-MIMO天线100在满足超宽带的要求下可以很好的阻断WiMAX-3.5GHz和WLAN(5.725-5.825GHz)的频段干扰。从图3可以看出本实施例的UWB-MIMO天线100在工作频段的隔离度基本都低于-20dB，满足对于隔离度的要求。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及的基于共面波导馈电的柔性单阻带UWB-MIMO天线，因为包括两个天线单元，每个天线单元均具有圆形辐射贴片、渐变的梯形的微带线、第一接地板以及第二接地板，圆形辐射贴片的远离微带线的一侧具有扇形切角，使得天线在保证工作带宽的同时可以实现小型化；圆形辐射贴片上设置有一个长度为1/4阻带频率波长的扇形槽，使得天线可以隔离WiMAX-3.5GHz的频段；第一接地板的面积大于第二接地板，这样的不对称结构能够拓展天线的工作宽度；采用两个垂直的天线单元构成二元的超宽带MIMO结构，可以产生多条传输路径，从而极大地降低多径衰落的影响，并且在两个天线单元之间设置倒F形的隔离枝节为，可以有效减少两个天线单元之间的耦合电流。所以，本发明的UWB-MIMO天线既能保证小型化，又能降低天线单元之间的耦合，并且还能在满足超宽带的情况下有效隔离WiMAX-3.5GHz频段。
进一步地，基板为液晶聚合物(LCP)，其厚度为0.1mm，这种80年代初期发展起来的新型高性能特种工程塑料具有优良的热稳定性、耐热性及耐化学药品性、电绝缘性能和热膨胀系数低、成本低廉、损耗较小、超薄等优点，可以使UWB-MIMO天线的性能更加稳定。除此之外，LCP材料还具有极好的柔韧性，可以覆盖在人体表面，满足可穿戴天线的要求。
进一步地，微带线采用共面波导馈电结构，共面波导馈电具有低损耗、低成本、低色散、易于与各种微波元器件相连接等优点，并且由于其独特的平面结构，可以使得UWB-MIMO天线具有宽频带、易加工、仅需要单一金属层等优点。
进一步地，本实施例的UWB-MIMO天线经过仿真测试，可以在满足超宽带的同时隔离WiMAX-3.5GHz的频段，性能满足要求，并且有很大的研究和应用前景。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于共面波导馈电的柔性单阻带UWB-MIMO天线，其特征在于，包括：
基板，为矩形；
两个天线单元，位于所述基板的上表面，均具有圆形辐射贴片、渐变的梯形的微带线、第一接地板以及第二接地板，
所述微带线连接在所述圆形辐射贴片上，并且两个所述微带线分别与所述基板的相邻的第一边线和第二边线垂直连接，
所述第一接地板和所述第二接地板分别设置在所述微带线的两侧，且与所述基板的边线连接；以及
隔离枝节，设置在两个所述天线单元之间，
其中，所述圆形辐射贴片的远离所述微带线的一侧具有扇形切角，并且所述圆形辐射贴片上还设置有一个长度为1/4阻带频率波长的扇形槽，
所述第一接地板的面积大于所述第二接地板，
所述隔离枝节为倒F形。
2.根据权利要求1所述的基于共面波导馈电的柔性单阻带UWB-MIMO天线，其特征在于：
其中，所述扇形切角的尺寸为：弧长为所述圆形辐射贴片的周长的3/10，弧度角为159°。
3.根据权利要求1所述的基于共面波导馈电的柔性单阻带UWB-MIMO天线，其特征在于：
其中，两个所述天线单元之间的间距为2.5mm。
4.根据权利要求1所述的基于共面波导馈电的柔性单阻带UWB-MIMO天线，其特征在于：
其中，所述扇形槽与所述圆形辐射贴片共圆心，并且朝向所述扇形切角，所述扇形槽的半径为所述圆形辐射贴片半径的7/10，弧度角为290°。
5.根据权利要求4所述的基于共面波导馈电的柔性单阻带UWB-MIMO天线，其特征在于：
其中，所述基于共面波导馈电的柔性单阻带UWB-MIMO天线用于隔离WiMAX-3.5GHz的超宽带频段。
6.根据权利要求1所述的基于共面波导馈电的柔性单阻带UWB-MIMO天线，其特征在于：
其中，所述隔离枝节与所述第一边线连接并且朝向所述第二边线，或者所述隔离枝节与所述第二边线连接并且朝向所述第一边线。
7.根据权利要求1所述的基于共面波导馈电的柔性单阻带UWB-MIMO天线，其特征在于：
其中，所述第一接地板和所述第二接地板均为矩形，所述第一接地板与所述微带线之间形成第一地板缝隙，所述第二接地板与所述微带线之间形成第二地板缝隙，所述第一地板缝隙和所述第二地板缝隙的尺寸相同。
8.根据权利要求1所述的基于共面波导馈电的柔性单阻带UWB-MIMO天线，其特征在于：
其中，所述基板为液晶聚合物，其厚度为0.1mm。
9.根据权利要求1所述的基于共面波导馈电的柔性单阻带UWB-MIMO天线，其特征在于：
其中，所述微带线采用共面波导馈电结构。
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