CN112886240A - 一种新型超材料圆极化mimo天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型超材料圆极化MIMO天线,包括:介质基板、四个超材料天线单元,超材料天线单元包括天线本体、第一开口环、第一连接部、第二开口环、第三开口环和第二连接部,第二开口环尺寸大于第三开口环的尺寸,天线本体设于所述第二开口环内并与之保持间隙;介质基板包括介质板、金属地板,金属地板的每一侧边设有E字形缝隙,第一连接部连接馈电端,第二连接部和第三开口环分别与金属地板连接。采用上述技术方案,可构成新型超材料的互补开口谐振环结构,可以获得较宽的阻抗带宽和轴比带宽,通过E字形缝隙构成缺陷地结构,提高4个超材料天线单元之间的隔离度,提升超材料天线单元的辐射性能。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信相关技术领域,特别涉及一种新型超材料圆极化MIMO天线。
背景技术
5G通信系统MIMO天线中一个很重要指标是隔离度测试,从目前国内外研究现状来看,移动通信终端天线尺寸大、带宽窄和MIMO天线隔离度低等问题都有待进一步提高。由于圆极化MIMO工作原理分析和天线优化设计的复杂性,该天线发展较为迟缓。圆极化MIMO天线研究的难点主要表现在:在设计圆极化MIMO天线时,不仅要考虑天线单元的阻抗匹配性能、天线端口之间的隔离度性能,还要考虑实现每个天线的圆极化性能,并且要保证天线单元的圆极化带宽和阻抗带宽一致。通常天线某一个参数的变化可能实现了更宽的阻抗带宽,但是也可能使天线的轴比、隔离度等恶化,经常会导致天线的优化设计顾此失彼,效率低下。设计多带圆极化MIMO天线,需要考虑好天线结构形式、天线单元的阻抗带宽、圆极化带宽,以及有限空间多天线之间的隔离度,多个优化目标同时满足要求仍然是一个难题。
发明内容
为了克服现有的技术缺陷,本发明的目的在于提供一种新型超材料圆极化MIMO天线以解决上述技术问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下:
根据本发明的一个方面,设计出一种新型超材料圆极化MIMO天线,包括:介质基板、以及设于介质基板顶部边缘的四个超材料天线单元,所述超材料天线单元包括天线本体、第一开口环、第一连接部、第二开口环、第三开口环和第二连接部,所述天线本体、第一开口环、第一连接部连接为一体,所述第二开口环、第三开口环和第二连接部连接为一体,所述第二开口环尺寸大于第三开口环的尺寸,所述天线本体设于所述第二开口环内并与之保持间隙;
所述介质基板包括介质板和设于介质板底部的金属地板,所述金属地板的每一侧边至少设有一个E字形缝隙,且每一侧边上的E字形缝隙位于两个超材料天线单元之间,所述第一连接部连接馈电端,所述第二连接部和第三开口环的右侧分别与金属地板连接。
采用上述技术方案,通过将天线本体设于第二开口环内,构成新型超材料的互补开口谐振环结构,可以获得较宽的阻抗带宽和轴比带宽,第二开口环尺寸采用大于第三开口环尺寸的设计,具有多频谐振性质,可以使多频带可融合成一个宽频带,最终实现宽带圆极化,通过E字形缝隙构成缺陷地结构,可以大大降低超材料天线单元之间的耦合电流,提高4个超材料天线单元之间的隔离度,提升超材料天线单元的辐射性能,与现有的移动终端天线系统相比,解决了现有MIMO天线存在的轴比带宽窄及隔离度难的问题,另外,天线总体尺寸小,适合现代的小型化设计需求。
为了更好的解决上述技术缺陷,本发明还具有更佳的技术方案:
在一些实施方式中,所述金属地板上设有数量与所述超材料天线单元数量相同的地板槽,且所述地板槽与超材料天线单元上下一一对应设置。
地板槽是金属地板上的通框与介质板底面形成的槽,通过在金属地板上设置地板槽,形成底板缝隙,可以实现较好的阻抗匹配。
在一些实施方式中,所述介质基板呈矩形状,四个所述超材料天线单元设于所述介质基板顶部的四个角上,且相邻超材料天线单元之间正交设置。
通过将4个超材料天线单元正交设置,可降低个单元间的耦合,提升辐射性能。
在一些实施方式中,所述天线本体包括半圆形的第一分支部和两个L形的第二分支部,两个所述第二分支部对应与第一分支部的两端连接,第二分支部上端延伸有弧形结构的第三分支部,所述第一开口环连接有第四分支部,所述第四分支部另一端与第一分支部连接。
在一些实施方式中,所述第一分支部的内侧壁半径为1.6-1.8mm,外侧壁半径为2.6mm,所述第二开口环的内侧壁半径为3.2-3.4mm,外侧壁半径为4mm。
在一些实施方式中,所述第一分支部的内侧壁半径为1.7mm,所述第二开口环的内侧壁半径为3.3mm。
由此,可以使超材料天线具有最好的阻抗带宽。
在一些实施方式中,所述地板槽的长为23-25mm,宽为8mm。
在一些实施方式中,所述地板槽的长为24mm。
由此,可以实现最佳的阻抗匹配。
在一些实施方式中,所述金属地板为长方形,所述金属地板的每一侧长边上设有两个E字形缝隙,每一侧短边上设有一个E字形缝隙;所述E字形缝隙包括第一缝隙、以及与第一缝隙连通且垂直的第二缝隙和两个第三缝隙,且第二缝隙位于两个第三缝隙之间的中部,所述第一缝隙的长度为25-27mm,第二缝隙的长度为6-8mm,第二缝隙与第三缝隙之间的距离为6-7mm。
在一些实施方式中,所述第一缝隙的长度为26mm,第二缝隙的长度为7mm,第二缝隙与第三缝隙之间的距离为6.5mm。
由此,可以更佳的降低表面波,减小耦合,提升超材料天线单元的辐射性能。
附图说明
图1为本发明一种实施方式的一种新型超材料圆极化MIMO天线的俯视图;
图2为新型超材料圆极化MIMO天线的仰视图;
图3为新型超材料圆极化MIMO天线的分解结构示意图;
图4为图1中A位置的放大图;
图5为新型超材料圆极化MIMO天线的天线本体、第一开口环、第一连接部的结构示意图;
图6为新型超材料圆极化MIMO天线的第二开口环、第三开口环和第二连接部的结构示意图;
图7为图2中B位置的放大图;
图8为新型超材料圆极化MIMO天线的S参数仿真频率特性曲线图;
图9为新型超材料圆极化MIMO天线的隔离度S参数图;
图10为新型超材料圆极化MIMO天线的轴比曲线图;
图11为新型超材料圆极化MIMO天线的不同L5的天线反射系数图;
图12为新型超材料圆极化MIMO天线的不同R7的天线反射系数图;
图13为新型超材料圆极化MIMO天线的不同R3的天线反射系数图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确,以下参照附图对本发明进一步详细说明。
参考图1至图7所示,本发明提供的一种新型超材料圆极化MIMO天线,包括:介质基板1、以及设于介质基板1顶部边缘的四个超材料天线单元2,四个超材料天线单元2设于介质基板1顶部边缘的四个角上,且相邻超材料天线单元2之间正交设置。
超材料天线单元2包括天线本体211、第一开口环212、第一连接部213、第二开口环221、第三开口环222和第二连接部223,其中,天线本体211、第一开口环212、第一连接部213连接为一体,第二开口环221、第三开口环222和第二连接部223连接为一体,第二开口环221尺寸大于第三开口环222的尺寸,天线本体211设于所述第二开口环221内并与之保持间隙,第一连接部213的接电点213a连接馈电端,第二连接部223的接电点223a和第三开口环222右侧的接电点222a分别与介质基板1底部的金属地板12连接。
天线本体211包括半圆形的第一分支部2111和两个L形的第二分支部2112,两个第二分支部2112对应与第一分支部2111的两端连接,第二分支部2112上端延伸有弧形结构的第三分支部2113,第一开口环212连接有第四分支部2114,第四分支部2114另一端与第一分支部2111连接。
第一开口环212的内侧壁半径R1为2.9mm,外侧壁半径R2为3.66mm。
第二开口环221的内侧壁半径R3为3.2-3.4mm,外侧壁半径R4为4.0mm,优选第二开口环221的内侧壁半径R3为3.3mm。
第三开口环222的内侧壁半径R5为2.68mm,外侧壁半径R6为3.35mm。
第一分支部2111的内侧壁半径R7为1.6-1.8mm,外侧壁半径R8为2.6mm,优选第一分支部2111的内侧壁半径R7为1.7mm。
第一连接部213的宽度L1为0.6mm,第二连接部223的宽度L2为1.0mm。
第三分支部2113与第一分支部2111之间的距离L3为0.5mm。
第三分支部2113内侧壁半径和外侧壁半径与第一分支部2111的一致。
第二分支部2112的宽度L4为0.6mm。
介质基板1为矩形的PCB板、FR-4基板中的一种,介质基板1尺寸为150mmx75mmx0.8mm,介质基板1包括介质板11和设于介质板11底部的金属地板12。
金属地板12为长方形,金属地板12的每一侧边至少设有一个E字形缝隙13,且每一侧边上的E字形缝隙13位于两个超材料天线单元2之间。进一步,金属地板12的每一侧长边上设有两个E字形缝隙13,每一侧短边上设有一个E字形缝隙13。
E字形缝隙13包括第一缝隙131、以及与第一缝隙131连通且垂直的第二缝隙132和两个第三缝隙133,且第二缝隙132位于两个第三缝隙133之间的中部。
第一缝隙131的长度W1为25-27mm,第二缝隙132的长度W2为6-8mm,第二缝隙132与第三缝隙133之间的距离W3为6-7mm,优选第一缝隙131的长度W1为26mm,第二缝隙132的长度W2为7mm,第二缝隙132与第三缝隙133之间的距离W3为6.5mm。
金属地板12上设有数量与超材料天线单元2数量相同的地板槽14,且地板槽14与超材料天线单元2上下一一对应设置。其中,地板槽14的长L5为23-25mm,宽L6为8mm,本实施例优选地板槽14的长L5为24mm。
参考图8所示,新型超材料圆极化MIMO天线的S参数仿真频率特性曲线,4个超材料天线单元的相关参数,反射系数S11的频带在4.66GHz到5.88GHz,带宽长为1.22GHz,该频段内天线反射系数S11小于-10dB,驻波比VSWR小于2。4个超材料单元天线按照顺时针方向依次编号为D1单元、D2单元、D3单元和D4单元,天线单元间的隔离度,比如D1和D2单元隔离度用S21表示,D1和D3单元隔离度用S31表示,D1和D4单元隔离度用S41表示。天线单元之间的隔离度S21,S31,S41均小于-20dB。四单元新型超材料圆极化MIMO天线可工作在5G通信低频段(3.3-3.6GHz),并且超材料天线单元间的正交极化分布能有效的提高超材料天线单元间的隔离度。
参考图9所示,新型超材料圆极化MIMO天线的隔离度S参数。4单元新型超材料圆极化MIMO天线可工作在5G通信低频段(3.3-3.6GHz),超材料天线单元间的正交极化能有效的提高天线单元间的隔离度,超材料天线单元之间的隔离度S21,S31,S41均小于-20dB。
参考图10所示,新型超材料圆极化MIMO天线的轴比曲线。新型超材料圆极化天线3dB轴比带宽为1.09GHz(4.77-5.86GHz)。超材料天线相对带宽为20.18%。4单元新型超材料圆极化MIMO天线可工作在5G通信低频段(3.3-3.6GHz)。
参考图11所示,通过参数化扫描优化分析发现,改变地板槽的长度L5,随着L5长度从23mm到25mm,天线的反射系数S11变化较大,当L5为24mm时,可以实现较好的阻抗匹配。
参考图12所示,通过参数化扫描优化分析发现,R7在1.6mm到1.8mm之间变化时,整体频带往低频段移动,当R7为1.7mm时,超材料天线具有最好的阻抗带宽。
参考图13所示,通过参数化扫描优化分析发现,R3变化对天线的阻抗带宽的影响,随着R3从3.2mm到3.4mm之间变化,整体频带往低频段移动,当R3为3.3mm时,超材料天线具有最好的阻抗带宽。
在一些实施例中,第一分支部的内侧壁半径为1.6mm、或为1.8mm,第二开口环221的内侧壁半径为3.2mm、或为3.4mm。
在一些实施例中,第一缝隙的长度为25mm、或为27mm,第二缝隙的长度为6mm、或为8mm,第二缝隙与第三缝隙133之间的距离为6mm、或为7mm。
在一些实施例中,地板槽的长为23mm、或为25mm。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明创造构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种新型超材料圆极化MIMO天线,其特征在于,包括:介质基板、以及设于介质基板顶部边缘的四个超材料天线单元,所述超材料天线单元包括天线本体、第一开口环、第一连接部、第二开口环、第三开口环和第二连接部,所述天线本体、第一开口环、第一连接部连接为一体,所述第二开口环、第三开口环和第二连接部连接为一体,所述第二开口环尺寸大于第三开口环的尺寸,所述天线本体设于所述第二开口环内并与之保持间隙;
所述介质基板包括介质板和设于介质板底部的金属地板,所述金属地板的每一侧边至少设有一个E字形缝隙,且每一侧边上的E字形缝隙位于两个超材料天线单元之间,所述第一连接部连接馈电端,所述第二连接部和第三开口环的右侧分别与金属地板连接。
2.根据权利要求1所述的一种新型超材料圆极化MIMO天线,其特征在于,所述金属地板上设有数量与所述超材料天线单元数量相同的地板槽,且所述地板槽与超材料天线单元上下一一对应设置。
3.根据权利要求1所述的一种新型超材料圆极化MIMO天线,其特征在于,所述介质基板呈矩形状,四个所述超材料天线单元设于所述介质基板顶部的四个角上,且相邻超材料天线单元之间正交设置。
4.根据权利要求1所述的一种新型超材料圆极化MIMO天线,其特征在于,所述天线本体包括半圆形的第一分支部和两个L形的第二分支部,两个所述第二分支部对应与第一分支部的两端连接,第二分支部上端延伸有弧形结构的第三分支部,所述第一开口环连接有第四分支部,所述第四分支部另一端与第一分支部连接。
5.根据权利要求4所述的一种新型超材料圆极化MIMO天线,其特征在于,所述第一分支部的内侧壁半径为1.6-1.8mm,外侧壁半径为2.6mm,所述第二开口环的内侧壁半径为3.2-3.4mm,外侧壁半径为4mm。
6.根据权利要求5所述的一种新型超材料圆极化MIMO天线,其特征在于,所述第一分支部的内侧壁半径为1.7mm,所述第二开口环的内侧壁半径为3.3mm。
7.根据权利要求2所述的一种新型超材料圆极化MIMO天线,其特征在于,所述地板槽的长为23-25mm,宽为8mm。
8.根据权利要求7所述的一种新型超材料圆极化MIMO天线,其特征在于,所述地板槽的长为24mm。
9.根据权利要求1所述的一种新型超材料圆极化MIMO天线,其特征在于,所述金属地板为长方形,所述金属地板的每一侧长边上设有两个E字形缝隙,每一侧短边上设有一个E字形缝隙;所述E字形缝隙包括第一缝隙、以及与第一缝隙连通且垂直的第二缝隙和两个第三缝隙,且第二缝隙位于两个第三缝隙之间的中部,所述第一缝隙的长度为25-27mm,第二缝隙的长度为6-8mm,第二缝隙与第三缝隙之间的距离为6-7mm。
10.根据权利要求9所述的一种新型超材料圆极化MIMO天线,其特征在于,所述第一缝隙的长度为26mm,第二缝隙的长度为7mm,第二缝隙与第三缝隙之间的距离为6.5mm。
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GR01 | Patent grant | ||
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