CN112928473B - 一种mimo阵列天线及其加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有高隔离度的双极化MIMO阵列天线及加工方法。其中，双极化MIMO阵列天线选用背腔式缝隙天线，包括双极化背腔式缝隙天线和多个介质块，将多个双极化背腔式缝隙天线按照彼此边靠边的方式排列，组合成为双极化MIMO阵列天线。该发明相较于现有的提高阵列天线隔离度的方法而言，具有更高的带宽，能够适应用于更多场景，拥有比单极化阵列更高的信道容量，结构简单且体积小。加工方法包括以下步骤：对背腔式缝隙天线进行预加工处理；将多个所述双极化背腔式缝隙天线排列组合成双极化MIMO阵列天线；在所述双极化MIMO阵列天线上方增加隔离介质包括多个天线和介质块。

Description

一种MIMO阵列天线及其加工方法
技术领域
本发明涉及天线工程技术领域，具体涉及一种MIMO阵列天线及其加工方法。
背景技术
MIMO系统表示为多输入多输出的通信系统，MIMO阵列天线即为多个天线按照一定方式排布形成的阵列，其作用是能够使用多空间通道传输和接收数据，在不增加通信系统带宽情况下，成倍提高通信系统容量与频谱利用率，在现代新型通信系统中有广泛地应用前景。
然而，MIMO阵列天线中，天线阵元之间通常存在较强互耦，导致各信道之间相关系数变高。针对该种情况，近年来，出现了各种MIMO阵元天线解耦方法，主要分为以下几种：第一种是利用去耦网络实现解耦，该方法通常需要较为复杂的网络设计；第二种是采用周期结构实现解耦，该方法会占用大量阵元间隔，不利于阵列小型化；第三种是利用超表面结构解耦，该方法结构造较复杂，成本较高；第四种是利用中和线解耦，该方法对隔离度的提升较为有限。
综上所述，传统的MIMO阵列天线存在较强的互耦，而现有的解耦方法又存在设计复杂、不利于小型化和隔离度提升有限的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：目前尚未提出能够提高宽带和双极化MIMO阵列隔离度的方法及相应的双极化MIMO阵列天线，目的在于提供一种具有高隔离度的双极化MIMO阵列天线的加工方法，以及具有高隔离度的双极化MIMO天线，解决现有技术无法同时满足既能提高宽带又能实现双极化MIMO天线高隔离度的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种MIMO阵列天线，包括多个边靠边排列的背腔式缝隙天线和隔离介质。其中，隔离介质覆盖在所述多个边靠边排列的背腔式缝隙天线的上方，用于隔离电磁波。
本发明提出的一种MIMO阵列天线与现有的MIMO阵列天线相比，其创新点在于：
采用了在MIMO阵列天线上方覆盖隔离介质的方法，使得从一个阵元天线中辐射出的空间波到达空气与隔离介质的分界面时，会有一部分反射到另一个阵元天线处与沿天线介质传播的表面波进行中和；因反射系数与空间波的频率无关，因此采用此方法能够在宽频带范围内提高MIMO阵列天线的隔离度。
选用了背腔式缝隙天线作为MIMO阵列天线的辐射单元，优势在于，背腔式缝隙天线具有结构紧凑、易于加工、易于嵌入等结构特征，从而使MIMO阵列天线的整体结构简单，易于实现；并且背腔式缝隙天线能够提高MIMO阵列天线的工作带宽。
多个背腔式缝隙天线采用边靠边的方式排列，使得MIMO阵列天线的内部结构更加紧凑，有利于MIMO阵列天线的小型化。
作为对本发明的进一步描述，在背腔式缝隙天线的谐振腔上方的金属壁上具有十字型槽缝。该十字型槽缝使背腔式缝隙天线具有了双极化特性，从而使得由多个具有十字型槽缝的背腔式缝隙天线组合得到的MIMO阵列天线能够辐射出双极化电磁波。
作为对本发明的进一步描述，上述覆盖在MIMO阵列天线上方的隔离介质包括多个依次叠放的介质块，这些介质块具有不同的大小、不同的厚度和不同的介电常数。
采用上述结构的MIMO阵列天线的创新点在于：由于单介质层只能提高MIMO阵列天线的一种极化波的隔离度，而在MIMO阵列天线上方覆盖多个依次叠放的具有不同的大小、不同的厚度和不同的介电常数的介质块可实现在宽频带内同时提高两种极化隔离度。其原理是：当多个不同介电常数的介质块位于MIMO阵列天线上方时，天线1所辐射的极化1空间波通过空气与底层介质块的分界面反射回至天线处2抵消表面波；然而，天线1所辐射的极化2空间波在空气与底层介质块的分界面则进行少量反射，在随后的介质分界面进行多次反射，共同抵消表面波。
采用此种结构的MIMO阵列天线与传统MIMO阵列天线相比，其优势在于：结构简单，能有效实现宽带双极化解耦，且无需占用阵元间隔，有利于阵列小型化。
作为对本发明的进一步描述，在MIMO阵列天线的上方覆盖有3个介质块覆盖，分别为第一介质块、第二介质块和第三介质块。其中，第一介质块、第二介质块和第三介质块的大小依次减小；第一介质块、第二介质块和第三介质块的厚度依次增大；第一介质块、第二介质块和第三介质块的介电常数依次减小。并且具有上述结构关系的3个介质块按照第一介质块为底层介质块，第二介质块为中间层，第三介质块为顶层介质块的顺序叠放。
该结构的创新点在于：第一，3个介质块与2个介质块相比具有更高的隔离度，而与4个及以上数量的介质块相比，在隔离效果差别不大的情况下结构更简单且成本更低；第二，为了使两种极化空间波的相位与其对应表面波的相位反相，3个介质块采用了不同的厚度；第三，为进一步提高隔离度，3个介质块采用了不同的大小；第四，采用了第一介质块为底层介质块，第二介质块为中间层，第三介质块为顶层介质块的叠放顺序，使MIMO阵列天线的隔离度达到最优。
作为对本发明的进一步改进，覆盖在MIMO阵列天线上方的隔离介质为一个介电常数为4.4且厚度为四分之一波长的单一介质块，所述单一介质块包括第一通孔区和第二通孔区；所述第一通孔区位于第二通孔区的下方；所述第一通孔区包括多个形状和大小相同的小通孔，且每个小通孔之间的间距相同；所述第二通孔区包括多个形状和大小相同的大通孔，且每个大通孔之间的间距相同；所述第一通孔区的通孔个数大于所述第二通孔区的通孔个数。
一种MIMO阵列天线的加工方法，包括以下步骤：
步骤1：将多个背腔式缝隙天线边靠边排列，组合成为MIMO阵列天线；
步骤2：在MIMO阵列天线的上方覆盖隔离介质，得到具有高隔离度的MIMO阵列天线。
作为对本发明的进一步改进，在步骤1之前，对背腔式缝隙天线进行预处理，使背腔式缝隙天线具有双极化特性。
作为对本发明的进一步描述，对背腔式缝隙天线进行预处理的方法为：在背腔式缝隙天线的谐振腔上方的金属壁上蚀刻十字型槽缝。
作为对本发明的进一步描述，在MIMO阵列天线的上方覆盖隔离介质的方法为：将多个介质块依次叠放并覆盖在MIMO阵列天线上方。多个介质块具有不同的大小、不同的厚度和不同的介电常数。
作为对本发明的进一步描述，将多个介质块依次叠放并覆盖在所述MIMO阵列天线上方的方法具体为：将第一介质块、第二介质块和第三介质块按照底层为第一介质块，中间层为第二介质块，顶层为第三介质块的顺序依次叠放并覆盖在所述MIMO阵列天线的上方。其中，第一介质块、第二介质块和第三介质块的大小依次减小；第一介质块、第二介质块和第三介质块的厚度依次增大；第一介质块、第二介质块和第三介质块的介电常数依次减小。
作为对本发明的进一步改进，在MIMO阵列天线的上方覆盖隔离介质的另一种方法为：选择介电常数为4.4且厚度为四分之一波长的单一介质块作为隔离介质，将该单一介质块分为第一通孔区和第二通孔区，所述第一通孔区位于第二通孔区的下方；在所述第一通孔区对所述厚介质块进行横向打孔，得到多个形状和大小相同的小通孔，且每个小通孔之间的间距相同；在所述第二通孔区对所述厚介质块进行横向打孔，得到多个形状和大小相同的大通孔，且每个大通孔之间的间距相同；所述第一通孔区的通孔个数大于所述第二通孔区的通孔个数。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1.本发明相较于现有的提高阵列天线隔离度的方法而言，具有更高的带宽；
2.本发明拥有双极化特性，拥有比单极化阵列更高的信道容量；
3.本发明涉及的MIMO阵列天线中的阵元间隔小，从而使MIMO阵列天线体积减小；
4.本发明结构简单，方便实现。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明实施例1的一种MIMO阵列天线的结构俯视图。
图2为本发明实施例1的背腔式缝隙天线的结构示意图。
图3为本发明实施例1的隔离介质的剖视图。
图4为传统MIMO阵列天线在CST仿真下的S参数曲线与隔离度曲线图。
图5为本发明实施例1的MIMO阵列天线在CST仿真下的S参数曲线与隔离度曲线图。
图6为本发明实施例1的具有通孔结构的隔离介质的结构示意图。
图7为本发明实施例1的具有通孔结构隔离介质的MIMO阵列天线在CST仿真下的S参数曲线与隔离度曲线图。
图8为本发明实施例2的MIMO阵列天线加工方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
图1为本发明实施例1的一种MIMO阵列天线的结构俯视图。如图所述，该MIMO阵列天线包括两个边靠边排列的背腔式缝隙天线1，由于这两个背腔式缝隙天线1均具有结构紧凑、易于加工、易于嵌入等结构特征，并且彼此之间的间隔仅为1毫米(相当于0.031λg)，因此这种边靠边的排列方式很大程度上减小了阵元之间的间隔，使双极化MIMO阵列天线的整体体积变小。
如图2所示，在每个背腔式缝隙天线的谐振腔上方的金属壁上都具有十字型槽缝3，该十字型槽缝3使所述背腔式缝隙天线1具有双极化特性。
隔离介质2覆盖在两个边靠边排列的背腔式缝隙天线的上方，用于隔离电磁波。从图3种可以看出，隔离介质2包括第一介质块21、第二介质块22和第三介质块23。它们按照底层为第一介质块21、中间层为第二介质块22和顶层为第三介质块23的顺序依次叠放，该结构能够有效提高隔离度。
需注意的是，这三个介质块的大小、厚度和介电常数均不相同，第一介质块21、第二介质块22和第三介质块23的大小依次减小；第一介质块21、第二介质块22，第三介质块23的厚度依次增大。具体为：第一介质块21的长和宽分别为40毫米，厚度为2.8毫米，介电常数为3.8；第二介质块22的长和宽分别为37毫米，厚度3.8毫米，介电常数为3.1；第三个介质块23的长和宽分别为34毫米，厚度4.8毫米，介电常数为2.4。
具有上述结构的MIMO阵列天线于传统的MIMO阵列天线相比，优势在于结构简单、体积小，具有更高的隔离度。
图4为传统MIMO阵列天线的S参数曲线与隔离度曲线图，图5为本实施例提出的MIMO阵列天线的S参数曲线与隔离度曲线图。其中，S11/S22表示阻抗带宽，S12表示单天线的两种极化的隔离度，S31/S42表示双天线的两种极化的隔离度。对比图4和图5可以看出，图5中的阻抗带宽S11/S22在处于-10dB以下的范围，与图4中的阻抗带宽S11/S22在处于-10dB以下的范围相比范围更大。并且，图5示出的双天线的两种极化隔离度S31/S42在处于-20dB以下的范围，与图4示出的双天线的两种极化隔离度S31/S42在处于-20dB以下的范围相比范围更低。由此可知，本发明提出的一种MIMO阵列天线与传统的MIMO阵列相比，双极化隔离度更高。
此外，本实施例还提供了另一种具有通孔结构的隔离介质2如图6所示。该具有通孔结构的隔离介质的边长为40毫米，包括第一通孔区24和第二通孔区25。其中，第一通孔区24位于第二通孔区25的下方，厚度分别为：第一通孔区厚5.5毫米，第二通孔区厚5.5毫米；第一通孔区24包括多个形状和大小相同的小通孔，该多个小通孔的直径为2毫米，且每个小通孔之间的间距相同为3.5毫米；第二通孔区25包括多个形状和大小相同的大通孔，该多个大通孔的直径为3.2毫米，且每个大通孔之间的间距相同为7.5毫米；第一通孔区24的通孔个数大于所述第二通孔区25的通孔个数。
实施例2：
图7为本发明实施例2的一种MIMO阵列天线的方法流程图。如图所示，该MIMO阵列天线的加工方法步骤如下：
首先，选择两个背腔式缝隙天线作为MIMO阵列天线的辐射单元。选用背腔式缝隙天线作为MIMO阵列天线的辐射单元，其目的在于，背腔式缝隙天线具有结构紧凑、易于加工、易于嵌入等结构特征，从而使MIMO阵列天线的整体结构简单，易于实现；并且背腔式缝隙天线能够提高MIMO阵列天线的工作带宽。
然后，在两个背腔式缝隙天线的谐振腔上方的金属壁上蚀刻十字型槽缝。蚀刻十字型槽缝的目的在于使背腔式缝隙天线具有双极化的特性。
随后，将两个背腔式缝隙天线边靠边排列，组合成为MIMO阵列天线。需注意的是，将两个背腔式缝隙天线进行边靠边排列时还保证了两个双极化背腔式缝隙天线之间的间隔为1毫米(相当于0.031λg)。这种排列方式很大程度上减小了阵元之间的间隔，使双极化MIMO阵列天线的内部结构更加紧凑，整体体积变小，有利于MIMO阵列天线的小型化。
接下来，选择三个具有不同大小、不同厚度和不同介电常数的介质块，分别为第一介质块，长和宽分别为40毫米，厚度为2.8毫米，介电常数为3.8；第二介质块长和宽分别为37毫米，厚度3.8毫米，介电常数为3.1；第三介质块，长和宽分别为34毫米，厚度4.8毫米，介电常数为2.4。
最后，将这三个介质块按照底层为第一介质块，中间层为第二介质块，顶层为第三介质块的顺序依次叠放并覆盖在所述MIMO阵列天线上方。当第一介质块、第二介质块和第三介质块按照上述方式覆盖在MIMO阵列天线上方时，其中一个背腔式缝隙天线所辐射的极化1空间波通过空气与第一介质块的分界面反射回至另一个背腔式缝隙天线处进行抵消；辐射的极化2空间波在空气与第一介质块的分界面则进行少量反射，在随后的第一介质块与第二介质块的分界面，和第二介质块与第三介质块的分界面进行多次反射，共同抵消表面波。
此外，本实施例还采用对隔离介质进行横向打孔来改变隔离介质的介电常数的方式，得到第一通孔区和第二通孔区；第一通孔区24位于第二通孔区25的下方，厚度分别为：第一通孔区的厚度为5.5毫米，第二通孔区的厚度为5.5毫米；第一通孔区24包括多个形状和大小相同的小通孔，该多个小通孔的直径为2毫米，且每个小通孔之间的间距相同为3.5毫米；第二通孔区25包括多个形状和大小相同的大通孔，该多个大通孔的直径为3.2毫米，且每个大通孔之间的间距相同为7.5毫米；第一通孔区24的通孔个数大于所述第二通孔区25的通孔个数。将该具有通孔结构的隔离介质2覆盖于MIMO阵列天线的上方，得到具有高隔离度的MIMO阵列天线。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种MIMO阵列天线，其特征在于，包括多个边靠边排列的背腔式缝隙天线（1）和隔离介质（2），所述隔离介质（2）覆盖在所述多个边靠边排列的背腔式缝隙天线（1）的上方，用于隔离电磁波；所述隔离介质（2）包括依次叠放的，并且具有不同大小、不同厚度和不同介电常数的多个介质块；所述多个介质块分别为第一介质块（21）、第二介质块（22）和第三介质块（23），所述第一介质块（21）、第二介质块（22）和第三介质块（23）的大小依次减小，所述第一介质块（21）、第二介质块（22）和第三介质块（23）的厚度依次增大，所述第一介质块（21）、第二介质块（22）和第三介质块（23）的介电常数依次减小。
2.根据权利要求1所述的一种MIMO阵列天线，其特征在于，所述背腔式缝隙天线（1）具有十字型槽缝（3），所述十字型槽缝（3）使所述背腔式缝隙天线（1）具有双极化特性。
3.根据权利要求1所述的一种MIMO阵列天线，其特征在于，所述第一介质块（21）为底层介质块，所述第二介质块（22）为中间层，所述第三介质块（23）为顶层介质块。
4.一种MIMO阵列天线，其特征在于，包括多个边靠边排列的背腔式缝隙天线（1）和隔离介质（2），所述隔离介质（2）覆盖在所述多个边靠边排列的背腔式缝隙天线（1）的上方，用于隔离电磁波；所述隔离介质（2）为介电常数为4-5且厚度为四分之一波长的单一介质块，所述单一介质块包括第一通孔区（24）和第二通孔区（25）；所述第一通孔区（24）位于第二通孔区（25）的下方；所述第一通孔区（24）包括多个形状和大小相同的小通孔，且每个小通孔之间的间距相同；所述第二通孔区（25）包括多个形状和大小相同的大通孔，且每个大通孔之间的间距相同；所述第一通孔区（24）的多个小通孔横向设置，所述第二通孔区（25）的多个大通孔横向设置；所述第一通孔区（24）的通孔个数大于所述第二通孔区（25）的通孔个数。
5.一种MIMO阵列天线的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将多个背腔式缝隙天线边靠边排列，组合成为MIMO阵列天线；
步骤2：在所述MIMO阵列天线的上方覆盖隔离介质，得到具有高隔离度的MIMO阵列天线；
所述在所述MIMO阵列天线的上方覆盖隔离介质的方法为：将第一介质块、第二介质块和第三介质块按照底层为第一介质块，中间层为第二介质块，顶层为第三介质块的顺序依次叠放并覆盖在所述MIMO阵列天线的上方；所述第一介质块、第二介质块和第三介质块的大小依次减小，所述第一介质块、第二介质块和第三介质块的厚度依次增大，所述第一介质块、第二介质块和第三介质块的介电常数依次减小。
6.根据权利要求5所述的一种MIMO阵列天线的加工方法，其特征在于，在所述步骤1之前，在背腔式缝隙天线的谐振腔上方的金属壁上蚀刻十字型槽缝，使背腔式缝隙天线具有双极化特性。
7.一种MIMO阵列天线的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将多个背腔式缝隙天线边靠边排列，组合成为MIMO阵列天线；
步骤2：在所述MIMO阵列天线的上方覆盖隔离介质，得到具有高隔离度的MIMO阵列天线；
所述在所述MIMO阵列天线的上方覆盖隔离介质的方法为：选择介电常数为4.4且厚度为四分之一波长的单一介质块作为隔离介质，将所述单一介质块分为第一通孔区和第二通孔区，所述第一通孔区位于第二通孔区的下方；在所述第一通孔区对所述单一介质块进行横向打孔，得到多个形状和大小相同的小通孔，且每个小通孔之间的间距相同；在所述第二通孔区对所述单一介质块进行横向打孔，得到多个形状和大小相同的大通孔，且每个大通孔之间的间距相同；所述第一通孔区的通孔个数大于所述第二通孔区的通孔个数。
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