CN113078465B - 一种可实现宽带化去耦的双端口超宽带mimo天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可实现宽带化去耦的双端口超宽带MIMO天线，属于天线技术领域。该天线包括矩形介质基板、设置于介质基板正面左右对称放置的两个单极子天线单元、设置于介质基板背面的地板；天线采用微带线馈电，通过2个形状相同的六边形单极子天线进行辐射，在天线地板上突出一个T形寄生枝节，用以实现天线单元之间的高隔离特性，另外在地板上蚀刻一个互补分裂谐振环(CSRR)，用来使天线在高频段(10.6GHz)产生一个谐振点，来提高天线单元的高频段隔离度，从而实现UWB‑MIMO天线宽带化去耦的目标。本发明能有效降低UWB‑MIMO天线在宽频段(3.4‑12GHz)的耦合度，并且还具有剖面低、尺寸小、成本低等优点。

Description

一种可实现宽带化去耦的双端口超宽带MIMO天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种可实现宽带化去耦的双端口超宽带MIMO天线。
背景技术
上世纪90年代，Bell实验室的Telatar和Foschini首次提出将多天线复用理论用于提升信道容量的设想，该设想促使了MIMO(multiple-input multiple-output)通信技术的诞生。MIMO通信技术即多输入多输出技术，是通过在发射端和接收端同时采用多个天线来发射和接收信号，从而抑制信道衰落，提高频谱的使用效率。从Shannon定理来看，传统的SISO系统由于在收发端都只采用一个天线，故在通信时信道容量会受到很大限制，而MIMO技术基于空间复用理论，利用多条不相关的信号路径来提高信号吞吐量。从本质上来说，MIMO系统信道容量的增加是通过增加系统收发端的天线数量来实现的，因此MIMO技术又称为多天线技术。运用先进的信号处理技术以及多径传播特性，MIMO技术建立了空间并行传输信道，可以在在不增加带宽与发射功率的情况下，成倍提高无线通信的质量与数据速率，并有效改善信道容量和频谱利用率。
为了更加充分利用空间中的频谱资源，联邦通信委员会(FCC)在2002年解除了UWB(Ultra-Wideband)技术的民用许可限制，同时为UWB分配了3.1-10.6GHz的超宽带宽，之后UWB技术得到了快速的普及和发展。超宽带通信具有工作带宽大、高数据传输速率、低传输功率、保密性强、抗干扰能力强等优点，有利于在当今频谱资源愈加匮乏的情况下进行数据传输。然而，超宽带技术在实际应用时也会存在缺陷：超宽带系统拥有数百条信道路径，会存在多径衰落问题，同时信号也会因为时间很短而产生码间串扰，影响数据传输。基于MIMO技术和UWB技术自身的优点，人们将MIMO技术和UWB技术结合起来形成UWB-MIMO技术，并应用到天线系统中，从而解决无线通信系统中多径衰落和传输容量的问题。
现代通信设备的集成度越来越高，对天线的尺寸要求也越来越严，结构紧凑的高隔离UWB-MIMO天线更适合现代通信的需求。而小型化的实现需要缩小天线单元之间的距离，这样势必会导致天线单元之间互耦增强，而耦合场的存在会影响天线的辐射性能，甚至导致天线无法正常工作。故如何在满足天线小尺寸的要求下设计出具有高隔离性能的UWB-MIMO天线是UWB-MIMO天线的研究热点。国内外学者对于去耦合的方法进行了大量的研究，并给出了一些可行方案，如添加寄生枝节、加载中和线、采用缺陷地结构、利用超材料等。
2016年，S.Zhang等人在文章“Mutual Coupling Reduction for UWB MIMOAntennas With a Wideband Neutralization Line”中提出一种金属圆盘中和线结构，该结构可通过抵消耦合场来实现MIMO天线去耦，实现了天线在3.1-5GHz频段隔离度的提高。
2017年，A.Iqbal等人在IEEE Access上发表了一篇题为“Mutual CouplingReduction Using F-Shaped Stubs in UWB-MIMO Antenna”的文章，二单元天线通过在地板上加载F形寄生枝节达到了去耦目的。
2019年，L.Wang等人在文章“Compact UWB MIMO Antenna With High IsolationUsing Fence-Type Decoupling Structure”中引入了一种栅栏式缺陷地结构，提高了MIMO天线单元之间的隔离度。
在现有的一些UWB-MIMO天线设计中，去耦的频带一般较窄，且天线物理尺寸较大，少有对UWB-MIMO天线进行超宽频带的去耦研究。
发明内容
本发明提供了一种可实现宽带化去耦的双端口超宽带MIMO天线，该天线采用微带线馈电，通过2个形状相同的六边形单极子天线进行辐射，在天线地板上突出一个T形寄生枝节，用以实现天线单元之间的高隔离特性，另外在地板上蚀刻一个互补分裂谐振环(CSRR)，用来使天线在高频段(10.6GHz)产生一个谐振点，来提高天线单元的高频段隔离度，从而实现UWB-MIMO天线宽带化去耦的目标。本发明能有效降低UWB-MIMO天线在宽频段(3.4-12GHz)的耦合度，并且还具有剖面低、尺寸小、成本低等优点。
本发明通过下述技术方案实现：
一种可实现宽带化去耦的双端口超宽带MIMO天线，包括矩形介质基板、设置于介质基板正面左右对称放置的两个单极子天线单元、设置于介质基板背面的地板。
其特征在于，所述单极子天线单元包括六边形金属贴片、矩形微带馈线；所述矩形微带馈线的一端与介质基板的下边沿重合，另一端连接六边形金属贴片。
所述地板包括矩形地板、地板寄生枝节、以及互补分裂谐振环(CSRR)。
所述矩形地板的长度与介质基板的长度相同，且其中一条长边与介质基板的下边沿重合。
所述地板寄生枝节为设置于介质基板中部的T形枝节，其中纵向枝节与矩形地板相连接，横向枝节的上边与介质基板的上边沿重合。
所述互补分裂谐振环设置于矩形地板中部，由2个同心开口圆环组成，2个开口圆环的线槽宽度相等，且两开口圆环的开口大小相等，方向相反。
进一步地，所述2个开口圆环的开口位置的连线位于开口圆环中心点的上侧。
进一步地，所述矩形介质基板为FR4介质基板，相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.025，尺寸为26mm×38mm×1.6mm。
本发明利用在地板上添加T形地板寄生枝节和蚀刻互补分裂谐振环实现了天线在3.4-12GHz频带上天线单元互耦的减小。T形地板寄生枝节的去耦原理在于T形枝节相当于一个反射器，可以将流向其他端口的大部分地板表面电流阻挡掉，从而降低天线单元之间的耦合；同时，集中到T形地板枝节上的表面电流会产生辐射，从而也能改善阻抗匹配。互补分裂谐振环(CSRR)的去耦原理在于CSRR可以等效为一个LC谐振电路，且LC谐振电路的电容值C和电感值L与环的长度、开口的大小和位置有关。通过在地板上蚀刻一个CSRR，流向其他端口的地板电流将陷入到开口环中并产生谐振，电磁能量被存储起来，没有耦合电流，天线端口隔离度得到提高。并且通过对环开口位置的上移，天线地板电流在10.6GHz处的谐振更加强烈，天线的去耦效果更好。
另外，本发明还通过对正方形辐射贴片切角处理，得到六边形辐射体结构，引入了新的谐振模式，改善了阻抗匹配，拓宽了天线的阻抗带宽，实现了双端口UWB-MIMO天线的宽带宽、小尺寸、低剖面、宽频带去耦等特性。
本发明相对于现有技术，具有以下的优点：
1、对比现有的UWB-MIMO天线，本发明能实现小型化特性。本发明具有紧凑型的天线结构尺寸，适用于小型化设备中。
2、对比其他小型化UWB-MIMO天线，该天线在非常小的尺寸下，具有更高的隔离度，且在超宽频段内(3.4-12GHz)耦合度都较低，可以大大提升天线的工作性能。
附图说明
图1是本发明实施例天线结构示意图；
图2是本发明实施例天线正面结构示意图；
图3是本发明实施例天线背面结构示意图；
图4是本发明实施例天线回波损耗的仿真曲线图；
图5是本发明实施例天线端口间隔离度的仿真曲线图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，本实施例提出的一种可实现宽带化去耦的双端口超宽带MIMO天线，包括矩形介质基板(4)，设置于介质基板正面的2个单极子天线单元(1)，设置于介质基板背面的1个地板(2)。
如图2所示，所述2个单极子天线单元(1)均由正六边形辐射贴片(11)和矩形微带馈线(12)组成。矩形微带馈线的长Lf为9.0mm，宽Wn为2.0mm，微带馈线与介质基板短边的间距Wf为7.5mm。正六边形辐射贴片的边长Ls为7.0mm。所述矩形介质基板(4)的长L为26.0mm，宽W为38.0mm，采用相对介电常数为4.4，厚度为1.6mm的FR4介质材料。
如图3所示，所述地板(2)由矩形地板(21)和T形地板寄生枝节(22)组成，T形地板寄生枝节(22)由横向矩形金属贴片(221)和纵向矩形金属贴片(222)组成。矩形金属地板(21)的长Lg为7.0mm，宽W为38.0mm，横向矩形金属贴片(221)的长Ln为2.0mm，宽Wd为10.0mm，纵向矩形金属贴片(222)的长Ld为17.0mm，宽Wg为4.0mm。T形地板寄生枝节与矩形金属地板垂直相接。互补分裂谐振环(3)为在矩形金属地板上蚀刻的2个同心开口圆环，分别为外环(31)和内环(32)，外环的外半径R1为3.2mm，外环的内半径R2为2.8mm，内环的外半径R3为2.5mm，内环的内半径R4为2.1mm，外环开口的长s为0.4mm，宽(R1-R2)为0.4mm，内环开口的长s为0.4mm，宽(R3-R4)为0.4mm。外环开口位置为外环右侧，内环开口位置为内环左侧，且两环开口在同一高度，开口下边界与圆心等高。
在图1中，标记的Port1、Port2分别表示第1天线单元馈电端口、第2天线单元馈电端口。
参见图4，黑色曲线是S11的仿真曲线图。由于天线结构具有对称性，天线每个端口的回波损耗曲线理论上是相同的，即S11＝S22，只需得到S11即可。由仿真曲线可见，-10dB回波损耗带宽为3.1～12GHz，满足UWB频段(3.1～10.6GHz)的要求。
参见图5，红色曲线是S12的仿真曲线图。由于天线结构具有对称性，天线端口间的隔离度曲线理论上是相同的，即S12＝S21，只需得到S12即可。由仿真曲线可见，在所测的UWB频段，2个天线端口的隔离度均在-15dB以下，同时在3.4～12GHz的超宽频带内，2天线端口的隔离度均达到-19dB以下，天线具有很好的高隔离度特性。

Claims (3)

1.一种可实现宽带化去耦的双端口超宽带MIMO天线，包括矩形介质基板、设置于介质基板正面左右对称放置的两个单极子天线单元、设置于介质基板背面的地板；其特征在于，所述单极子天线单元包括六边形金属贴片、矩形微带馈线；所述矩形微带馈线的一端与介质基板的下边沿重合，另一端连接六边形金属贴片；
所述地板包括矩形地板、地板寄生枝节、以及互补分裂谐振环；
所述矩形地板的长度与介质基板的长度相同，且其中一条长边与介质基板的下边沿重合；
所述地板寄生枝节为设置于介质基板中部的T形枝节，其中纵向枝节与矩形地板相连接，横向枝节的上边与介质基板的上边沿重合；
所述互补分裂谐振环设置于矩形地板中部，由2个同心开口圆环组成，2个开口圆环的线槽宽度相同，且两开口圆环的开口大小相等、方向相反。
2.如权利要求1所述的一种可实现宽带化去耦的双端口超宽带MIMO天线，其特征在于，所述2个开口圆环的开口位置的连线位于开口圆环中心点的上侧。
3.如权利要求1所述的一种可实现宽带化去耦的双端口超宽带MIMO天线，其特征在于，所述矩形介质基板为FR4介质基板，相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.025，尺寸为26mm×38mm×1.6mm。
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