CN113571891B - 一种双频宽带mimo天线及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双频宽带MIMO天线及其工作方法，基板的正面沿着基板中轴线左右对称印刷两个天线单元；基板的背面印刷矩形缺陷接地板和T型接地背板，T型接地背板的底部与矩形缺陷接地板连接；天线单元包括：馈线，馈线的底边与基板的底边重合；馈线的顶边与矩形环辐射贴片的底边连接；矩形环辐射贴片包括矩形内外环；矩形内环的顶边外侧与矩形外环的顶边内侧连接；矩形内环的底边内侧与T型辐射体的一端连接，T型辐射体的另外一端在矩形内环内侧空间内为自由端；基板的正面位于馈线的底端贯穿有馈电端口。天线单元通过T型辐射体和矩形环辐射贴片之间的相互耦合以及天线的空间分布，实现天线的双频带以及宽带特性。

Description

一种双频宽带MIMO天线及其工作方法
技术领域
本发明涉及MIMO天线技术领域，特别是涉及一种双频宽带MIMO天线及其工作方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提到了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
近年来，随着无线智能设备的普及与发展，人们对通信质量与速率的要求也日益增长。天线作为无线通信过程中有效发射与接收信号的关键设备，其性能的好坏将会直接影响到无线通信设备的通信能力。由于宽带天线和MIMO阵列天线能够大大改善天线通信的信道容量，提高信道传输速度，已经成为当下无线通信领域的研究热点。
目前提出了一些改进天线工作带宽的方法，包括超材料技术、分形技术、开槽及利用共面波导技术等。由于天线阵列组成的多个射频通道之间会产生耦合进而会对天线的回波损耗造成影响，因此，对于双频宽带MIMO天线，不仅需要宽带特性，还需要满足天线单元的隔离度的要求。在多频段MIMO天线设计过程中，需要着重考虑去耦结构设计使其在工作频段内达到相互隔离标准要求。近年来，一些MIMO天线之间的隔离技术如去耦网络、寄生枝节、缺陷接地结构(DGS)、电磁带隙(EBG)、中和线(NL)等方法相继被提出并应用于目前的天线结构中。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种双频宽带MIMO天线及其工作方法；
第一方面，本发明提供了一种双频宽带MIMO天线；
一种双频宽带MIMO天线，包括：
基板；所述基板的正面沿着基板中轴线左右对称印刷两个天线单元；所述基板的背面印刷矩形缺陷接地板和T型接地背板，所述T型接地背板的底部与矩形缺陷接地板连接；
所述天线单元，包括：馈线、T型辐射体和矩形环辐射贴片，所述馈线的底边与基板的底边重合；所述馈线的顶边与矩形环辐射贴片的底边连接；其中，矩形环辐射贴片，包括矩形内环和矩形外环；矩形内环嵌套在矩形外环的内部，矩形内环的顶边外侧与矩形外环的顶边内侧连接；
所述T型辐射体的底端与矩形内环的底边内侧连接；所述T型辐射体的顶端在矩形内环内侧空间内；
所述基板的正面位于所述馈线的底端贯穿有馈电端口。
第二方面，本发明提供了一种双频宽带MIMO天线的工作方法；
一种双频宽带MIMO天线的工作方法，包括：
天线单元的T型辐射体产生天线双频频段的低频段；
矩形环辐射贴片的矩形内环和矩形外环相互耦合产生天线双频频段的高频段；
天线单元通过T型辐射体和矩形环辐射贴片之间的相互耦合以及天线的空间分布，实现天线的双频带以及宽带特性；
通过基板的背面的T型接地背板来改变矩形缺陷接地板的电流分布，阻碍天线单元之间的耦合，使得天线的隔离度提升。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出一种由两个相同结构的单极子天线所构成的双频宽带MIMO天线。设置U型缝隙来进一步提高天线高频段的阻抗匹配，在两天线之间增加T型接地背板提高阵列天线的隔离度。所设计宽带MIMO天线在3.2～4.8GHz和5.8～6.9GHz频段内实现了相对带宽为40％和17％的宽带特性，同时满足隔离度全部低于-20dB。该天线的仿真值与实测结果吻合度较好。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为所设计双频宽带MIMO天线正面图；
图2为所设计双频宽带MIMO天线背面图；
图3(a)和图3(b)为天线1的正面图和天线1的背面图；
图4(a)和图4(b)为天线2的正面图和天线2的背面图；
图5(a)为天线1和天线2的反射系数(S11)分布曲线；
图5(b)为天线1和天线2的隔离度(S21)分布曲线；
图6为所设计天线参数W5取不同值时的反射系数(S11)曲线；
图7为所设计天线参数W8取不同值时的隔离度(S21)分布曲线；
图8(a)为所设计天线背板缺陷地长度d1取不同值时的天线反射系数(S11)曲线；
图8(b)为所设计天线辐射体下方馈线L2取不同值时的天线反射系数(S11)曲线；
图9为所设计天线的驻波比(VSWR)分布图；
图10(a)为天线在3.4GHz处天线辐射方向图；
图10(b)为天线在3.8GHz处天线辐射方向图；
图11(a)和图11(b)为天线实物正面图和天线实物背面图；
图12(a)为天线反射系数(S11)仿真与实测图；
图12(b)为天线隔离度(S21)仿真与实测图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
实施例一
一种双频宽带MIMO天线，包括：
基板；所述基板的正面沿着基板中轴线左右对称印刷两个天线单元；所述基板的背面印刷矩形缺陷接地板和T型接地背板，所述T型接地背板的底部与矩形缺陷接地板连接；
所述天线单元，包括：馈线、T型辐射体和矩形环辐射贴片，所述馈线的底边与基板的底边重合；所述馈线的顶边与矩形环辐射贴片的底边连接；其中，矩形环辐射贴片，包括矩形内环和矩形外环；矩形内环嵌套在矩形外环的内部，矩形内环的顶边外侧与矩形外环的顶边内侧连接；
所述T型辐射体的底端与矩形内环的底边内侧连接；所述T型辐射体的顶端在矩形内环内侧空间内；
所述基板的正面位于所述馈线的底端贯穿有馈电端口。
进一步地，所述基板的厚度为1.6毫米，所述基板的相对介电常数为4.4，所述基板的损耗正切值为0.02，所述基板为FR4材质；所述基板的长度为88毫米，所述基板的宽度为45毫米。
应理解的，FR4是一种耐燃材料等级的代号，所代表的意思是四功能的环氧树脂加上填充剂以及玻璃纤维所做出的复合材料。
进一步地，所述天线单元，尺寸为45毫米*88.9毫米。
进一步地，所述矩形缺陷接地板和T型接地背板均为金属贴片。
进一步地，所述矩形缺陷接地板，包括：顶边、底边、左边和右边，所述矩形缺陷接地板的底边与基板的底边重合；所述矩形缺陷接地板的左边与基板的左边重合，所述矩形缺陷接地板的右边与基板的右边重合，所述矩形缺陷接地板的顶边沿着基板中轴线对称开设两个矩形槽；
所述矩形缺陷接地板的底边与基板的底边长度一致；所述矩形缺陷接地板的左边长度小于基板的左边长度，所述矩形缺陷接地板的右边长度小于基板的右边长度。
所述矩形缺陷接地板的左边和右边的长度均为9.3毫米。
所述矩形缺陷接地板的矩形槽的长度为3.1毫米。
所述矩形缺陷接地板的矩形槽的宽度为1毫米。
进一步地，所述T型接地背板，为T型结构；所述T型接地背板设置在基板背面中间位置。
所述T型接地背板，包括彼此连接的第一长方形和第二长方形，所述第一长方形位于第二长方形的上部，所述第一长方形的长度为31.6毫米，所述第一长方形的宽度为11.8毫米，所述第二长方形的长度为23.7毫米，所述第二长方形的宽度为20毫米。
进一步地，所述天线单元为金属材质。所述馈线的长度为11.4毫米，所述馈线的宽度为3.1毫米。
进一步地，如图1和图2所示，所述矩形环辐射贴片的矩形内环与矩形外环之间的区域为U型槽，所述U型槽距离上下左右的边界为0.5毫米，所述U型槽的槽宽为1毫米。
所述矩形外环的长度为19.3毫米，所述矩形外环的宽度为17.1毫米。
进一步地，所述辐射体为T型辐射体，所述T型辐射体的底端与矩形内环的底边内侧连接；所述T型辐射体的顶端在矩形内环内侧空间内。
所述T型辐射体，包括：彼此连接的第一辐射部和第二辐射部，所述第一辐射部设置在第二辐射部的上方，所述第一辐射部为正方形，所述第一辐射部的边长为6毫米；所述第二辐射部为长方形，所述第二辐射部的长为5.6毫米，所述第二辐射部的宽为2毫米。
本发明首先对天线单元进行缺陷地结构设计以实现低频段的阻抗匹配，然后在每个天线单元上蚀刻一个U型槽进一步提高高频段的辐射特性，最后在两个天线单元中间加载T型接地背板来降低端口间的耦合提升阵列天线的隔离度。所设计天线具有较大的带宽和较好的辐射特性，所得的仿真数据和实测结果吻合度较好，可作为实际工程的参考。
本次设计双频宽带MIMO天线结构，如图1所示，天线单元由矩形环天线辐射贴片、T型辐射体、馈线、矩形缺陷接地板和T型接地背板构成。所设计的天线尺寸为45mm*88.9mm，采用厚度(h)为1.6mm、相对介电常数为4.4、损耗正切值为0.02的FR4基板，并使用馈线进行馈电。如图1所示，两个相同的天线单元平行放置，矩形缺陷接地板刻蚀在接地背板，U型槽刻蚀在天线单元矩形环内，T型接地背板放置在天线单元正中间。
天线1：通过平行放置两相同结构的天线单元，产生如图3(a)和图3(b)所示的天线阵列。
天线2：进一步加载T型隔离枝节结构以提高阵列天线之间的隔离度，如图4(a)和图4(b)所示。
天线3、4所对应的反射系数如图5(a)所示。天线1和天线2的工作频段基本一致，天线2的工作频段整体略强于天线1。天线2中T型接地背板的加入对于天线单元的电流分布和天线的耦合效应都有影响，最终使得天线2的回波损耗S11和插入损耗S21值发生明显的变化。
图5(b)为天线1和天线2的隔离度(S21)曲线图，天线1在工作频段内的隔离度在-12dB左右，而在加载了T型接地背板的天线2后，天线在工作频段的隔离度在-20dB附近，满足最低隔离度要求。加载的T型单元改变了电流的分布，从而减小了天线单元之间的耦合。
图6为背部接地板缺陷地宽度W5取不同值时的天线S11分布曲线，不难看出W5＝1.1mm时，带宽较小，说明天线在低频段的工作性能较差。随着W5增大到3.1mm时天线的阻抗匹配得到了提高，进而提高了天线的带宽。当W5增大到5.1mm时，天线高频带的阻抗匹配得到了明显的提升，但是天线无法在低频段工作。为了满足双频阵列天线良好的天线性能，选择W5＝3.1mm。
图7为W8取不同值时天线隔离度曲线图，在W8＝2mm时，天线在3.2-4.8GHz工作频段的隔离度较差，未全部达到-20dB以下，随着W8的增大，天线的隔离度逐渐提高。而当W8增大到12mm时，天线在4.5～4.7GHz频段S21大于-20dB。所以，W8并不是越大越好，故本次设计选择W8＝5.8mm。
图8(a)为背板缺陷地长度d1取不同值时的天线反射系数分布曲线，随着d1的增大，高频段蓝移。由图8(b)可知，随着L2的增大，天线的低频工作频段红移。本次设计中，我们选择d1＝1mm，L2＝4.6mm。因此，可以通过调整d1来调整高频段谐振点位置，调整L2来获得天线低频段谐振点位置。
图9为所设计MIMO天线的驻波比(VSWR)分布图，在工作频段内，谐振点频段位置的驻波比接近1。通过对各参数进行仿真优化，最终确定的天线的尺寸参数如表1所示。
表1天线的优化参数
图10(a)和图10(b)为天线在3.4GHz和3.8GHz处天线辐射方向图，不难看出所提出的双频宽带阵列天线具有较强的指向性，并且从侧面印证了天线的高隔离度。
最终天线的加工实物图如图11所示，天线的尺寸为45mm*88.9mm*1.6mm。天线反射系数和隔离度仿真与实测数据曲线如图12(a)和图12(b)所示。该天线在3.2～4.8GHz和5.8～6.9GHz两个频段的实测的反射系数S11值均达到了-10dB以上，隔离度S21值均低于-20dB。与仿真结果相比，天线的工作频带和隔离度吻合度较好，所产生的差异是由天线基板相对介电常数和厚度的误差以及加工精度的限制所导致的。
提出了一款双频宽带MIMO天线结构，整体尺寸为45mm*88.9mm*1.6mm。所设计双频天线的工作频段为3.2～4.8GHz和5.8～6.9GHz，并且在工作频段内隔离度全部低于-20dB，所对应的频段相对带宽达到40％和17％的宽带特性。在此基础上进一步通过调节相关结构参数可实现其工作频带的可调谐特性。该天线在宽带无线通信领域中有较好的应用价值。
实施例二
一种双频宽带MIMO天线的工作方法，包括：
天线单元的T型辐射体产生天线双频频段的低频段；
矩形环辐射贴片的矩形内环和矩形外环相互耦合产生天线双频频段的高频段；
天线单元通过T型辐射体和矩形环辐射贴片之间的相互耦合以及天线的空间分布，实现天线的双频带以及宽带特性；
通过基板的背面的T型接地背板来改变矩形缺陷接地板的电流分布，阻碍天线单元之间的耦合，使得天线的隔离度提升。
MIMO天线表示天线具有多输入多输出功能，在发射端，多根天线发射出多路电磁波信号，经接收端接收后通过空时处理算法完成多路信号的分离及数据的恢复。
对于传统的SISO通信系统来说，其信道容量满足香农公式的极限值。随着现代通信技术的发展，对传输速率和工作带宽的要求也越来越高。因此，可通过设计MIMO天线来提高信噪比进而提高天线的传输速率。本发明提出了一款双频宽带MIMO天线结构，将天线单元的间隔设置为大于半个波长，利用空间分集技术解决多径衰落问题，在收发两端完成并行通信。
所发明的天线在介质基板的一面敷以金属层作为辐射片、一面敷以金属层作为接地板，设计基板的正面沿着基板中轴线左右对称印刷两个天线单元，采用微带线馈电。同时，通过调节天线的结构参数使得天线谐振点发生偏移，实现天线的可调谐特性。
伴随着天线数量增加，天线单元之间产生耦合效应。一般来说，主要有两种耦合存在于天线单元间。第一种是因为所激励天线在其它天线单元上产生的电磁感应而引起的空间耦合；第二种是因为激励电流产生的地板表面波经过公共地板耦合到其它端口。耦合效应的存在会严重影响通信系统的性能参数。所设计天线采用背板T型单元来改变地板电流的分布，加载T型单元之后，从左端口馈电的天线在右端口表面电流密度更加稀疏，电流主要集中在左端口周围，成功阻碍了天线单元间的耦合，使得天线达到了高隔离度的要求。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种双频宽带MIMO天线，其特征是，包括：
基板；所述基板的正面沿着基板中轴线左右对称印刷两个天线单元；所述基板的背面印刷矩形缺陷地板和T型接地背板，所述T型接地背板的底部与矩形缺陷地板连接；
所述天线单元，包括：馈线、T型辐射体和矩形环辐射贴片，所述馈线的底边与基板的底边重合；所述馈线的顶边与矩形环辐射贴片的底边连接；所述矩形环辐射贴片，包括矩形内环和矩形外环；矩形内环嵌套在矩形外环的内部，矩形内环的顶边外侧与矩形外环的顶边内侧连接；所述矩形环辐射贴片的矩形内环与矩形外环之间的区域为U型槽；
所述T型辐射体的底端与矩形内环的底边内侧连接；所述T型辐射体的顶端在矩形内环内侧空间内；
彼此连接的第一辐射部和第二辐射部，所述第一辐射部设置在第二辐射部的上方，所述第一辐射部为正方形；所述第二辐射部为长方形；
所述基板的正面位于所述馈线的底端贯穿有馈电端口。
2.如权利要求1所述的一种双频宽带MIMO天线，其特征是，所述基板的厚度为1.6毫米，所述基板的相对介电常数为4.4，所述基板的损耗正切值为0.02，所述基板为FR4材质；所述基板的长度为88毫米，所述基板的宽度为45毫米；所述天线单元，尺寸为45毫米*88.9毫米；所述矩形缺陷地板和T型接地背板均为金属贴片。
3.如权利要求1所述的一种双频宽带MIMO天线，其特征是，所述矩形缺陷地板，包括：顶边、底边、左边和右边，所述矩形缺陷地板的底边与基板的底边重合；所述矩形缺陷地板的左边与基板的左边重合，所述矩形缺陷地板的右边与基板的右边重合，所述矩形缺陷地板的顶边沿着基板中轴线对称开设两个矩形槽；
所述矩形缺陷地板的底边与基板的底边长度一致；所述矩形缺陷地板的左边长度小于基板的左边长度，所述矩形缺陷地板的右边长度小于基板的右边长度。
4.如权利要求1所述的一种双频宽带MIMO天线，其特征是，所述矩形缺陷地板的左边和右边的长度均为9.3毫米；所述矩形缺陷地板的矩形槽的长度为3.1毫米；所述矩形缺陷地板的矩形槽的宽度为1毫米。
5.如权利要求1所述的一种双频宽带MIMO天线，其特征是，所述T型接地背板，为T型结构；所述T型接地背板设置在基板背面中间位置；
所述T型接地背板，包括彼此连接的第一长方形和第二长方形，所述第一长方形位于第二长方形的上部，所述第一长方形的长度为31.6毫米，所述第一长方形的宽度为11.8毫米，所述第二长方形的长度为23.7毫米，所述第二长方形的宽度为20毫米。
6.如权利要求1所述的一种双频宽带MIMO天线，其特征是，所述天线单元为金属材质；所述馈线的长度为11.4毫米，所述馈线的宽度为3.1毫米。
7.如权利要求1所述的一种双频宽带MIMO天线，其特征是，所述U型槽距离上下左右的边界为0.5毫米，所述U型槽的槽宽1毫米；所述矩形外环的长度为19.3毫米，所述矩形外环的宽度为17.1毫米。
8.如权利要求1所述的一种双频宽带MIMO天线，其特征是，所述T型辐射体，包括：所述第一辐射部的边长为6毫米；所述第二辐射部的长为5.6毫米，所述第二辐射部的宽为2毫米。
9.一种双频宽带MIMO天线的工作方法，基于如权利要求1-8任一项权利要求所述的双频宽带MIMO天线，其特征是，包括：
天线单元的T型辐射体产生天线工作频段的低频段；
矩形环辐射贴片的矩形内环和矩形外环相互耦合产生天线工作频段的高频段；
天线单元通过T型辐射体和矩形环辐射贴片之间的相互耦合以及天线的空间分布，实现天线的双频带以及宽带特性；
通过基板的背面的T型接地背板来改变矩形缺陷地板的电流分布，阻碍天线单元之间的耦合，使得天线的隔离度提升。
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