CN111541025B - 一种圆极化多输入多输出介质谐振器天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种圆极化多输入多输出介质谐振器天线，包括介质基板，所述介质基板的第一表面上设有金属接地面，所述金属接地面上安装有两个大小相同的辐射单元，所述辐射单元包括介质谐振器和两组金属带条，所述介质谐振器呈长方体，且底面与金属接地面连接，所述两组金属带条分别安装在所述介质谐振器的两个侧面上，四组金属带条所在的四个平面相互平行。本发明在介质谐振器上安装的金属带条，由金属带条改变寄生介质谐振器中由于耦合产生的电场的旋向，从而改变介质谐振器的极化属性，进而实现良好的去耦效果，结构简单，易于实现，可广泛应用于天线技术领域。

Description

一种圆极化多输入多输出介质谐振器天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种圆极化多输入多输出介质谐振器天线。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展，人们对无线通信的速率以及无线通信的质量也有了越来越高的需求。但是，频带资源不是无限的，因此，有限的频带资源就成为了限制无线通信技术的一个重要因素。为了能够充分地利用有限的频带资源，有学者提出了多输入多输出技术。这项技术利用了信号传输的多径效应，可以在极大增加信道容量的同时，不占用额外的频带资源且不增加额外的能量消耗，因此受到国内外学者的高度重视。
在实际的多输入多输出(MIMO)天线系统中，留给多输入多输出天线的空间总是有限的，于是多输入多输出天线之间的互耦就成为了影响多输入多输出天线系统性能的重要因素。正因如此，如何在一个有限的空间中实现多输入多输出天线之间的去耦，成为了多输入多输出天线技术研究的关键问题。当前，关于多输入多输出天线的去耦技术大致可以分为以下三类。第一类是在天线之间加入一些特殊结构，例如超材料(metamaterials)、电磁带隙(EBG)、缺陷地结构(DGS)和频率选择表面(FSS)等。这些结构可以抑制天线之间的电磁波或者电流，从而达到去耦的效果。第二类是在天线之间加入一些能够抵消、中和电磁场或者电流的单元结构，例如中和线(neutralization lines)或者去耦表面(decouplingsurfaces)。第三类是利用电磁波的正交性，将两个辐射场极化互相正交的天线放在一起，从而获得良好的去耦效果。
近年来，圆极化天线也受到越来越多的关注，在包括移动通信、卫星通信和雷达等领域中都有着广泛的应用。圆极化天线具有很多线极化天线所不具备的特点：首先，圆极化天线可以接收任意方向的线极化电磁波，圆极化电磁波也可以被任意方向的线极化天线接收。其次，左旋圆极化波(left-hand circularly polarized)和右旋圆极化波(right-handcircularly polarized)是互相正交的，也就是说左旋圆极化波无法被右旋圆极化天线接收，右旋圆极化波无法被左旋圆极化天线接收。
鉴于多输入多输出天线和圆极化天线的上述优点，圆极化多输入多输出天线的研究也具有非常重要的学术意义和实用价值。但是，目前提出的圆极化多输入多输出天线的去耦效果大多都不太理想，而且去耦结构也比较复杂。在文章“A compact circularlypolarized MIMO dielectric resonator antenna over electromagnetic band-gapsurface for 5G applications”中，通过在两个圆极化介质谐振器之间加入一个电磁带隙结构，阻挡了部分表面波，从而起到去耦的效果，但是该结构的去耦效果并不是很理想，而且加入的电磁带隙结构增加了系统的复杂度。在文章“Spatially decoupling of CPantennas based on FSS for 30-GHz MIMO systems”中，通过在一个2×2的圆极化天线系统上方覆盖一个双层的频率选择表面，从而获得平均6-12dB的隔离度的提升，但是同样该系统的结构复杂，而且加入的频率选择表面还增加了系统的剖面高度。在文章“Isolationenhancement of closely packed dual circularly polarized MIMO antenna usinghybrid technique”中，利用了左旋圆极化波和右旋圆极化波的正交性，将一个左旋圆极化天线和一个右旋圆极化天线摆放在一起组成多输入多输出天线系统，获得了很好的去耦效果，而且结构简单。但是，一个左旋圆极化天线和一个右旋圆极化天线放在一起时，它们不能同时工作，因为当它们同时工作时，它们的辐射总场会变成线极化波。
发明内容
为了解决上述技术问题之一，本发明的目的是提供一种圆极化多输入多输出介质谐振器天线，该天线结构简单，且具有良好的去耦效果。
本发明所采用的技术方案是：
一种圆极化多输入多输出介质谐振器天线，包括介质基板，所述介质基板的第一表面上设有金属接地面，所述金属接地面上安装有两个大小相同的辐射单元，所述辐射单元包括介质谐振器和两组金属带条，所述介质谐振器呈长方体，且底面与金属接地面连接，所述两组金属带条分别安装在所述介质谐振器的两个侧面上，四组金属带条所在的四个平面相互平行。
进一步，各组金属带条包括两个长方形的金属带条，所述两个金属带条对称地安装在介质谐振器的侧面上。
进一步，所述介质谐振器呈正方体，所述金属带条的一条长边与介质谐振器的侧面的边重合，所述金属带条的一条短边与金属接地面连接。
进一步，所述金属带条的长边为31mm，所述金属带条的短边为2.2mm。
进一步，两个介质谐振器存有四个没有安装金属带条的侧面，所述四个侧面处于两个平面上。
进一步，所述介质基板的第二表面上设有两个馈电单元，各所述馈电单元包括金属微带线以及与金属微带线连接的横向枝节，所述横向枝节用于改变金属微带线的输入阻抗，所述第一表面和第二表面相对。
进一步，所述两个馈电单元的中心间距约为0.4λ0，所述λ0为工作频率的波长值。
进一步，所述馈电单元的位置在所述介质谐振器的底面的下方。
进一步，所述金属接地面上设有X型槽，所述X型槽由两条相互垂直的长方形槽交叉组合而成，所述两条长方形槽的宽度相同，且长度不同。
进一步，所述X型槽的位置在所述介质谐振器的底面的下方。
本发明的有益效果是：本发明在介质谐振器上安装的金属带条，由金属带条改变寄生介质谐振器中由于耦合产生的电场的旋向，从而改变介质谐振器的极化属性，进而实现良好的去耦效果，结构简单，易于实现。
附图说明
图1是本发明实施例中圆极化多输入多输出介质谐振器天线的结构图；
图2是图1的圆极化多输入多输出介质谐振器天线的俯视图；
图3是本发明实施例中未加金属带条的介质谐振器在0°相位的内部电场仿真分布图；
图4是本发明实施例中未加金属带条的介质谐振器在90°相位的内部电场仿真分布图；
图5是本发明实施例中未加金属带条的介质谐振器在180°相位的内部电场仿真分布图；
图6是本发明实施例中未加金属带条的介质谐振器在270°相位的内部电场仿真分布图；
图7是本发明实施例中未加金属带条时E面耦合的线极化多输入多输出介质谐振器天线的结构图；
图8是本发明实施例中未加金属带条时H面耦合的线极化多输入多输出介质谐振器天线的结构图；
图9是本发明实施例中未加金属带条时E面耦合的线极化多输入多输出介质谐振器天线电场仿真分布图；
图10是本发明实施例中未加金属带条时H面耦合的线极化多输入多输出介质谐振器天线电场仿真分布图；
图11是本发明实施例中加金属带条时E面耦合的线极化多输入多输出介质谐振器天线的结构图；
图12是本发明实施例中加金属带条时H面耦合的线极化多输入多输出介质谐振器天线的结构图；
图13是本发明实施例中加金属带条时E面耦合的线极化多输入多输出介质谐振器天线电场仿真分布图；
图14是本发明实施例中加金属带条时H面耦合的线极化多输入多输出介质谐振器天线电场仿真分布图；
图15是本发明实施例中圆极化多输入多输出介质谐振器天线的反射系数以及传输系数的仿真及测试数据图；
图16是本发明实施例中圆极化多输入多输出介质谐振器天线的轴比的仿真及测试数据图；
图17是本发明实施例中圆极化多输入多输出介质谐振器天线在2.43GHz的辐射方向图的仿真及测试数据图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
如图1所述，本实施例提供了一种圆极化多输入多输出介质谐振器天线，包括介质基板，所述介质基板的第一表面上设有金属接地面，所述金属接地面上安装有两个大小相同的辐射单元，所述辐射单元包括介质谐振器和两组金属带条，所述介质谐振器呈长方体，且底面与金属接地面连接，所述两组金属带条分别安装在所述介质谐振器的两个侧面上，四组金属带条所在的四个平面相互平行。
所述两个介质谐振器在工作过程中，两个介质谐振器内激励产生的都是左旋圆极化波，由于激励场与耦合场极化相同，天线之间互耦就会很大，天线的性能自然就会受到较大的影响。因此，在本实施例中，通过在介质谐振器上安装金属带条，金属带条作用是改变寄生介质谐振器天线单元中由于耦合产生的电场的旋向，从而改变其极化属性，比如将左旋圆极化变为右旋圆极化，或者将右旋圆极化变为左旋圆极化。如此，由于左旋圆极化波和右旋圆极化波是互相正交的，利用极化的正交性就可以实现良好的去耦。另外，只需在介质谐振器上增加金属带条，结构简单，易于实现，而且不增加天线的体积。
其中，介质谐振器的底面与金属接地面连接，与底面相对的是顶面，其余的四个面为侧面，金属带条安装在介质谐振器上对称的两个侧面上，另两个侧面不安装金属带条。两个介质谐振器上有四个侧面上安装有金属带条，该四个侧面所在的平面相互平行，且两个介质谐振器的中心连接线所在的直线穿过这四个平面。所述两个介质谐振器的中心间距约为0.4λ0。
参照图1，进一步作为可选的实施方式，各组金属带条包括两个长方形的金属带条，所述两个金属带条对称地安装在介质谐振器的侧面上。
各组金属带条可为一条金属带条，比如该金属带条的形状为“凵”型；也可为形状相同的两条长方形的金属带条，对称地安装在侧面上。
参照图1，进一步作为可选的实施方式，所述介质谐振器呈正方体，所述金属带条的一条长边与介质谐振器的侧面的边重合，所述金属带条的一条短边与金属接地面连接。所述金属带重合地贴在介质谐振器的侧面的边上，能够获得最好的去耦效果。
进一步作为可选的实施方式，所述金属带条的长边为31mm，所述金属带条的短边为2.2mm。
进一步作为可选的实施方式，两个介质谐振器存有四个没有安装金属带条的侧面，所述四个侧面处于两个平面上。将两个左/右旋圆极化介质谐振器天线平行放在一起，再通过金属带条改变寄生介质谐振器由于耦合产生的电场的旋向，如此，使两个电场充分正交，提高去耦效果。
进一步作为可选的实施方式，所述介质基板的第二表面上设有两个馈电单元，各所述馈电单元包括金属微带线以及与金属微带线连接的横向枝节，所述横向枝节用于改变金属微带线的输入阻抗，所述第一表面和第二表面相对。
进一步作为可选的实施方式，所述两个馈电单元的中心间距约为0.4λ0，λ0为工作频率对应的微带线中的波长。
进一步作为可选的实施方式，所述馈电单元的位置在所述介质谐振器的底面的下方。
进一步作为可选的实施方式，所述金属接地面上设有X型槽，所述X型槽由两条相互垂直的长方形槽交叉组合而成，所述两条长方形槽的宽度相同，且长度不同。
所述X型槽，其作用是能够在辐射单元中激励两个幅值相同、相位相差90o的电场分量，从而实现圆极化辐射。所述的两个X型槽的中心间距约为0.4λ0。
进一步作为可选的实施方式，所述X型槽的位置在所述介质谐振器的底面的下方。
以下结合图1-图14对上述圆极化多输入多输出介质谐振器天线的结构及性能进行详细的解释。
参照图1和图2，本实施例提供的一种圆极化多输入多输出介质谐振器天线，包括介质基板1，两个馈电单元51、52，金属接地面2，两个辐射单元31、32，以及八条金属带条41、42、43、44、45、46、47、48。所述介质基板1的相对介电常数为3.38，高度为0.8mm,尺寸大小为126mm×76mm。所述馈电单元51、52分别由两条尺寸均为49mm×1.8mm的微带线组成，微带线的中心间距为50mm；另外，在距离馈电端口l＝29.2mm处有一个尺寸为6mm×1.8mm的横向枝节。所述金属接地面2的尺寸与介质基板1相同，其上有两个相同大小的X型槽61、62；X型槽61、62由两条尺寸分别为33mm×2mm、14.5mm×2mm的长方形槽交叉组合而成，另外，X型槽61、62的中心间距为50mm；辐射单元31、32由两个相对介电常数为9.5的正方体介质谐振器组成，尺寸均为31mm×31mm×31mm，中心间距为50mm；金属带条41、42、43、44、45、46、47、48在辐射单元31、32的侧面上，它们的尺寸一样，都是31mm×2.2mm。
图3-图6为介质谐振器31、32在2.43GHz的内部电场仿真分布图，此时介质谐振器31、32的侧面没有加金属带条，对馈电单元51进行馈电，而馈电单元52接50Ω的匹配负载。。图3为在0o相位时的电场分布图，图4为在90o相位时的电场分布图，图5为在180o相位时的电场分布图，图6为在270°相位时的电场分布图。从图3-图6中可以看出，介质谐振器31内激励起的电场是顺时针旋转的，而介质谐振器32内耦合产生的电场是逆时针旋转的。对于发射天线来说，电磁波的传播方向是沿着z轴的，而对于接收天线来说，电磁波的传播方向是沿着-z轴的。因此根据圆极化波的特性可以得出，介质谐振器31内激励产生的是左旋圆极化波，而介质谐振器32内耦合产生的也是左旋圆极化波。由于激励场与耦合场极化相同，天线之间互耦就会很大，天线的性能自然就会受到较大的影响。
如果介质谐振器32内耦合产生的电场是顺时针旋转的(即右旋圆极化波)，由于左旋圆极化波和右旋圆极化波是互相正交的，那么利用极化的正交性就可以实现良好的去耦。由圆极化波的特性可知，圆极化波是由互相垂直的幅值相同且相位相差±π/2的一对电场合成。其中，左旋圆极化波x轴方向的电场相位落后y轴方向的电场π/2，而右旋圆极化波x轴方向的电场相位领先y轴方向的电场π/2。所以，如果可以使介质谐振器32内耦合产生的一个方向的电场分量反相，而另一个方向的电场分量相位保持不变，就可以把耦合产生的左旋圆极化波变为右旋圆极化波。而通过增加金属带条可实现将左旋圆极化波变为右旋圆极化波，为了方便对其进行解释，以下结合图7-图14，在线极化的情况下进行分析解释，具体如下。
图7为将X型槽61、62改为平行于x轴的长方形槽后，未加金属带条的介质谐振器天线结构图；图8为将X型槽61、62改为平行于y轴的长方形槽后，未加金属带条的介质谐振器天线结构图。图9为在图7的结构下，E面耦合的线极化多输入多输出介质谐振器天线电场仿真分布图；图10为在图8的结构下，H面耦合的线极化多输入多输出介质谐振器天线电场仿真分布图。其中，图9为长方形槽平行于y轴(E面耦合，此时激励起的是平行于x轴的线极化波)时的电场分布图，图10为长方形槽平行于x轴(H面耦合，此时激励起的是平行于y轴的线极化波)时的电场分布图。从图9可以看出，E面耦合时，介质谐振器32中耦合产生的电场与介质谐振器31中激励产生的电场是同相的。而从图10可以看出，H面耦合时，介质谐振器32中耦合产生的电场与介质谐振器31中激励产生的电场是反相的。
为改变E面耦合时，耦合电场的相位，在介质谐振器31和32的两个侧面各引入两条金属带条。图11为加金属带条后E面耦合的线极化多输入多输出介质谐振器天线的结构图，图12为加金属带条后H面耦合的线极化多输入多输出介质谐振器天线的结构图。其中，图11与图7对应，只是增加了金属带条；图12与图8对应，只是增加了金属带条。图13为加金属带条时E面耦合的线极化多输入多输出介质谐振器天线电场仿真分布图，图14为加金属带条时H面耦合的线极化多输入多输出介质谐振器天线电场仿真分布图。从图13可以看出，E面耦合时，介质谐振器32中耦合产生的电场与介质谐振器31中激励产生的电场变成了反相的。从图14可以看出，H面耦合时，介质谐振器32中耦合产生的电场与介质谐振器31中激励产生的电场仍保持反相。由图7-图14可知，通过在介质谐振器上增加金属带条，可改变寄生介质谐振器天线单元中由于耦合产生的电场的旋向；同样的道理，在图1的结构中，通过在介质谐振器31、32的侧面加上金属带条，可以使介质谐振器32内耦合产生的左旋圆极化波变为右旋圆极化波，从而达到了提高隔离度的效果。
图15为本实施例所述的圆极化多输入多输出介质谐振器天线的反射系数，以及传输系数的仿真及测试数据图。圆极化多输入多输出介质谐振器天线的工作频带(即反射系数-10dB带宽与传输系数-20dB带宽的重合带宽)为2.395GHz-2.5GHz，绝对带宽为0.105GHz，相对带宽为4.29％。从仿真数据上看出，在工作频带(2.395GHz-2.5GHz)内去耦效果良好，特别在2.43GHz时传输系数达到-45dB。对比仿真数据和测试数据可以发现，两者吻合较好。
图16为本实施例所述的圆极化多输入多输出介质谐振器天线的轴比仿真及测试数据图。从仿真数据可以看出3dB轴比带宽为2.38GHz-2.52GHz，绝对带宽为0.14GHz，相对带宽为5.7％，与传统圆极化介质谐振器天线的轴比带宽可以相比拟。同样，仿真数据和测试数据吻合较好。
图17为本实施例所述的圆极化多输入多输出介质谐振器天线在2.43GHz的辐射方向仿真及实验测试图。从仿真数据可以看出，在径向方向上，天线的左旋圆极化(主极化)场分量比对应的右旋圆极化(交叉极化)场分量高25dB，因此可以证明所提出的天线是一个很好的左旋圆极化天线。从测试的结果看，辐射方向图稍微有些偏斜(特别是φ＝0°时的右旋圆极化分量)，这可能是因为实际加工的介质基板不够平整，但整体测试结果仍与仿真结果相似，误差在可接受范围。
综上所述，本实施例所述的圆极化多输入多输出介质谐振器天线相对于现有的天线，至少具有如下有益效果：
(1)通过在介质谐振器天线的侧面加上金属带条结构实现去耦，结构简单，不需要在天线之间或者天线上方添加额外的去耦结构，不会增加天线的体积。
(2)去耦效果良好，所述天线系统的隔离度达到了45dB以上，而且所述天线的其他性能，如反射系数、轴比、辐射方向图等仍保持良好的表现。
(3)利用左旋圆极化波和右旋圆极化波的正交性实现天线的去耦，相较于之前其他人的工作，所述天线系统可以两个天线同时工作，可真正实现增大信道容量。
可以理解的是，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (9)

1.一种圆极化多输入多输出介质谐振器天线，其特征在于，包括介质基板，所述介质基板的第一表面上设有金属接地面，所述金属接地面上安装有两个大小相同的辐射单元，所述辐射单元包括介质谐振器和两组金属带条，所述介质谐振器呈长方体，且底面与金属接地面连接，所述两组金属带条分别安装在所述介质谐振器的两个侧面上，四组金属带条所在的四个平面相互平行；各组金属带条包括两个长方形的金属带条，所述两个金属带条对称地安装在介质谐振器的侧面上。
2.根据权利要求1所述的一种圆极化多输入多输出介质谐振器天线，其特征在于，所述介质谐振器呈正方体，所述金属带条的一条长边与介质谐振器的侧面的边重合，所述金属带条的一条短边与金属接地面连接。
3.根据权利要求2所述的一种圆极化多输入多输出介质谐振器天线，其特征在于，所述金属带条的长边为31mm，所述金属带条的短边为2.2mm。
4.根据权利要求1所述的一种圆极化多输入多输出介质谐振器天线，其特征在于，两个介质谐振器存有四个没有安装金属带条的侧面，所述四个侧面处于两个平面上。
5.根据权利要求1所述的一种圆极化多输入多输出介质谐振器天线，其特征在于，所述介质基板的第二表面上设有两个馈电单元，各所述馈电单元包括金属微带线以及与金属微带线连接的横向枝节，所述横向枝节用于改变金属微带线的输入阻抗，所述第一表面和第二表面相对。
6.根据权利要求5所述的一种圆极化多输入多输出介质谐振器天线，其特征在于，所述两个馈电单元的中心间距为0.4λ0，所述λ0为工作频率的波长值。
7.根据权利要求5所述的一种圆极化多输入多输出介质谐振器天线，其特征在于，所述馈电单元的位置在所述介质谐振器的底面的下方。
8.根据权利要求1所述的一种圆极化多输入多输出介质谐振器天线，其特征在于，所述金属接地面上设有X型槽，所述X型槽由两条相互垂直的长方形槽交叉组合而成，所述两条长方形槽的宽度相同，且长度不同。
9.根据权利要求8所述的一种圆极化多输入多输出介质谐振器天线，其特征在于，所述X型槽的位置在所述介质谐振器的底面的下方。
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