CN114243273A

CN114243273A - 一种紧凑型四单元超宽带mimo天线

Info

Publication number: CN114243273A
Application number: CN202111539064.5A
Authority: CN
Inventors: 吴爱婷; 赵明阳; 方志华; 陶应祥
Original assignee: Hangzhou Dianzi University
Current assignee: Hangzhou Dianzi University
Priority date: 2021-12-15
Filing date: 2021-12-15
Publication date: 2022-03-25
Anticipated expiration: 2041-12-15
Also published as: CN114243273B

Abstract

本发明公开一种紧凑型四单元超宽带MIMO天线，其特征在于包括：介质基板S、四个辐射贴片P、金属接地面G；所述金属接地面G包括四个金属地、“风车型”枝节；每个金属地包括金属缺陷地G1、L型地板枝节；“风车型”枝节与四个辐射贴片P相互耦合，将“风车型”枝节于中心位置相连，耦合所产生的电流大小相等，方向相反，实现相互抵消。当对天线进行馈电时，辐射贴片与金属地之间的边缘场产生辐射，同时四个辐射贴片之间产生耦合；金属缺陷地G1、L型地板枝节与“风车型”枝节作为反射板起到去耦合的作用；由中心延伸出的“风车型”枝节，对四个辐射贴片起到隔离的作用，并且“风车型”枝节与L型地板枝节共同构成解耦结构。

Description

一种紧凑型四单元超宽带MIMO天线

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种紧凑型四单元超宽带MIMO天线，可应用无线通信系统中。

背景技术

随着移动互联的发展，人们对终端设备的要求越来越高。超宽带UWB系统具有极宽的频谱范围，而且有相当高的数据传输率，并且可以抵抗外部干扰和噪声。自从美国和亚太地区对超宽带的民用频段3.1GHz-10.6GHz授权，欧洲地区对6.0GHz-8.5GHz以来，人们对超宽带无线领域展开了大量的研究。

由香农定理可知，提高带宽可以提升信息的传输速率，但是由于功率的限制，信息的传输速率也同样会受到限制。但是把MIMO(multiplt-input multiple-output)与超宽带技术相结合即可解决这一难题。MIMO技术在不需要增加额外天线功率和频谱资源的情况下可以大大提升系统的信道容量，进而提高了频谱利用率。将超宽带与MIMO技术结合可以很好的提高系统的链路可靠性，能够将多径效应降到较低，提升传输速度和质量。

MIMO天线的设计难点之一就是在尽可能小的基板上集成多个天线单元，其次便是各个单元之间的隔离度要尽可能的高。就目前为止采用较多的去耦方法有基板开缝技术、中和线技术、加载去耦枝节技术以及正交极化技术等等。而就目前为止绝大多数的四单元超宽带MIMO天线尺寸均偏大，带宽也不是很理想。

发明内容

本发明的目的是在于针对现有的技术，提供一种紧凑型四单元超宽带MIMO天线，具有带宽宽，尺寸小，隔离度高，成本低的优点。

为了实现上述目标，本发明采用如下的方案：

一种四单元的超宽带天线为单层结构，包括：介质基板S，四个辐射贴片P，金属接地面G，其中：

所述四个辐射贴片P位于介质基板S上表面，呈中心对称分布；

所述辐射贴片P，包括带有缺口的半圆形贴片P1、阶梯状微带线F；

所述带有缺口的半圆形贴片P1为半圆形贴片的一端开有矩形缺口和阶梯状缺口，使得辐射单元电流路径变长，使得天线在低频段产生谐振，从而拓宽天线在低频段的带宽。

作为优选，半圆形贴片P1圆心与阶梯状微带线F中心位于同一条直线上；

所述金属接地面G位于介质基板S下表面，包括四个互不接触的金属地、“风车型”枝节；所述四个金属地为中心对称结构，每个金属地包括金属缺陷地G1、L型地板枝节；所述L型地板枝节包括第一地板枝节B1、第二地板枝节B2；金属缺陷地G1为矩形贴片开有一个矩形缺口；金属缺陷地G1接第一地板枝节B1的一端；第一地板枝节B1的另一端接第二地板枝节B2的一端；

所述“风车型”枝节的中心与介质基板S的中心重叠；所述“风车型”枝节包括4个中心对称的L型金属枝节；

作为优选，所述L型金属枝节包括垂直设置的长枝节B3和短枝节B4；长枝节B3的一端与其他L型金属枝节的长枝节连接，另一端接短枝节B4的一端；

作为优选，短枝节B4部分或全部位于半圆形贴片P1的下方；

作为优选，所述金属缺陷地G1位于阶梯状微带线F的下方；

作为优选，所述金属缺陷地G1的矩形缺口位于阶梯状微带线F的较窄端下方。

本发明“风车型”枝节与四个辐射贴片P相互耦合，将“风车型”枝节于中心位置相连，耦合所产生的电流大小相等，方向相反，故而可以相互抵消，起到增加隔离度的作用。同时，将“风车型”枝节和金属地相连接，改善阻抗匹配，增加谐振点，拓展带宽。

当对天线进行馈电时，上表面辐射贴片与金属地之间的边缘场产生辐射，与此同时，四个辐射贴片之间产生耦合，从而影响目标天线的带宽与隔离度。但是金属缺陷地G1、L型地板枝节与“风车型”枝节作为反射板起到去耦合的作用，其中由金属缺陷地G1延伸出的L型地板枝节可以有效的改善阻抗匹配，并且抑制相邻两辐射单元之间的耦合情况；由中心延伸出的“风车型”枝节，可以对位于对角的辐射贴片起到隔离的作用，并且“风车型”枝节与L型地板枝节共同构成解耦结构，大幅度降低了天线的耦合度，减小了天线体积，同时引入了更多的谐振模式，拓展了天线的阻抗匹配带宽。在金属缺陷地G1上开有矩形凹槽，改变电流路径，增加带宽。在每个辐射贴片两侧开不同形状缺口，延长电流路径，与阶梯型馈电线共同组成了辐射系统，使天线的低频带宽更好。综上所述，各天线单元之间虽然处于一个较为紧凑的状态，但是在目标工作频段下仍然可以保持一个良好的带宽与隔离度。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

第一：本发明的天线尺寸为45mm×45mm×1.7mm，尺寸小，易于集成；

第二：本发明具有较宽的带宽，3.09GHz-13.67GHz；

第三：相比于常见的二单元MIMO天线，本发明具有四个单元，具有更强的分集特性；

第四：本发明采用正交布局，降耦结构相比于EBG之类的结构更加简单，有着良好的隔离度；

第五：本发明为规整的平面结构，易于集成；

第六：本发明采用厚度为1.7mm的FR4为基板，价格低廉，成本低，易于广泛普及。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的上表面结构示意图；

图3是本发明的下表面结构示意图；

图4是本发明的结构几何参数示意图；

图5是本发明S11、S22、S33、S44参数曲线的仿真图；

图6是本发明的S21、S31、S41、S32、S42、S43参数曲线仿真图；

图7是本发明在不同频率下的方向图；

图8是本发明的增益效果图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的分析。

由图1可知，该超宽带天线包括45mm×45mm×1.7mm的FR4介质基板S以及覆盖在介质基板上下表面的四个金属辐射贴片P和金属接地面G。

由图2可知，四个金属辐射贴片P为中心对称结构，分布在基板四角位置，即呈正交分布，相邻单元相互垂直，对角单元反向平行。每个辐射贴片P包括带有缺口的半圆形贴片P1、阶梯状微带线F；所述阶梯状微带线F朝外设置，其采用两阶结构，其顶部刻蚀一矩形缺口；所述带有缺口的半圆形贴片P1朝内设置，其为半径为7.26mm的半圆形贴片的一端经过异面对切法刻蚀矩形缺口和二阶梯状缺口；阶梯状微带线F刻蚀的矩形缺口与二阶梯状缺口连通，构成三阶梯结构；

所述阶梯状微带线F的第一阶F1尺寸为4mm×2.4mm，第二阶F2尺寸为7.31mm×1.28mm；

所述带有缺口的半圆形贴片P1中矩形缺口尺寸为5mm×4.5mm，矩形缺口距离半圆直边1.5mm，目的时改变电流路径，从而达到目标带宽；

所述带有缺口的半圆形贴片P1中二阶梯状缺口的第一阶长度为13mm，第二阶长度为14.52mm；第二阶延伸至阶梯状微带线F，第二阶与阶梯状微带线F的矩形缺口长度为16mm，构成三阶渐变微带馈电线。

如图3所述金属接地面G位于介质基板S下表面，包括四个互不接触的金属地、“风车型”枝节；所述四个金属地为中心对称结构，每个金属地包括尺寸为19.18mm×10.3mm金属缺陷地G1、L型地板枝节；所述L型地板枝节包括22.16mm×2.78mm第一地板枝节B1、2.81mm×2.78mm第二地板枝节B2；金属缺陷地G1位于阶梯状微带线F的下方，其为矩形贴片；金属缺陷地G1的两相邻边分别位于介质基板S的两边沿，另外两相邻边的其中一边开有一个2mm×2mm矩形缺口，该矩形缺口对应位于阶梯状微带线F的下方，另一边与第一地板枝节B1相接；第一地板枝节B1的一端位于介质基板S的边沿，另一端接第二地板枝节B2的一端；第二地板枝节B2的朝外设置。

所述L型金属枝节包括垂直设置的14.41mm×0.08mm长枝节B3和3.5mm×0.08mm短枝节B4；；长枝节B3的一端与其他L型金属枝节的长枝节连接，另一端接短枝节B4的一端；短枝节B4的另一端朝向所连接的金属缺陷地G1；短枝节B4部分或全部位于半圆形贴片P1的下方；长枝节B3位于第二地板枝节B2的朝向金属缺陷地G1侧。

下面将对本发明天线各单元结构几何参数做优化，如图4(a-b)具体如下：

表1本发明天线的各单元结构几何参数(单位：mm)

参数		参数		参数		参数		参数
										H	1.7	W	45	L	45	Wg	19.18	Wg3	2.81
W1	9.59	W2	1.5	W3	4.5	Lg	10.3	Lg2	22.16
										R	7.26	Lf1	4	Lf	11.31	Wg1	2	Wg4	14.41
Wf1	2.4	Wf2	1.28	a1	1.04	Lg1	2	Lg4	3.5
										b1	9.8	a2	1.55	b2	6.6	Wg2	2.78	c	0.08

其中H为介质基板的厚度，W为介质基板的宽度，L为介质基板的长度，W1为阶梯状微带线F中心以及半圆形贴片P1圆心距离介质基板的长边距离，R为半圆形贴片P1的半径，W2为半圆形贴片P1矩形缺口与圆心所在直线的距离，W3为半圆形贴片P1矩形缺口的宽度，Lf1为阶梯状微带线F与半圆形贴片P1连接的阶梯部分的长度，Wf1为阶梯状微带线F的输入端阶梯部分宽度，Lf为阶梯状微带线F的总长度，Wf2为阶梯状微带线F与半圆形贴片P1连接的阶梯部分的宽度，a1为阶梯状微带线F矩形缺口的宽度，b1为贴片右侧第一切口的长度(即阶梯状微带线F矩形缺口和半圆形贴片P1二阶梯状缺口的总长度)，a2为半圆形贴片P1二阶梯状缺口的宽度，b2为半圆形贴片P1二阶梯状缺口中第一切口的长度，Wg为金属缺陷地G1的宽度，Lg为金属缺陷地G1的长度，Wg1为金属缺陷地G1的矩形缺口宽度，Lg1为金属缺陷地G1的矩形缺口长度，Wg2为第一地板枝节B1的宽度，Lg2为第一地板枝节B1的长度，Wg3为第二地板枝节B2的宽度，Lg3为第二地板枝节B2的长度，其中Lg3与Wg2的长度相同，Wg4为“风车型”枝节的长枝节B3的长度，Lg4为“风车型”枝节的短枝节B4的长度，c为“风车型”枝节的线宽。

图5和图6是该天线的的仿真结果。由图5可知，该天线的S11、S22、S33、S44参数在-10dB以下的频率范围均满足超宽带的频段，整体可达到3.09GHz-13.67GHz的带宽范围。由图6可知，该天线的S21、S31、S41、S32、S42、S43的参数在工作频段时均在-15dB以下，天线单元之间有着良好的隔离度。图7则是该天线分别在4GHz，6.5GHz和12GHz时归一化之后的方向图。

图8为该天线的最大增益图，由图可知，本天线有着良好的增益。

Claims

1.一种紧凑型四单元超宽带MIMO天线，其特征在于包括：介质基板S、四个辐射贴片P、金属接地面G；其中：

所述四个辐射贴片P位于介质基板S上表面，呈中心对称分布；其中辐射贴片P包括带有缺口的半圆形贴片P1、阶梯状微带线F；

所述“风车型”枝节的中心与介质基板S的中心重叠；所述“风车型”枝节包括4个中心对称的L型金属枝节；“风车型”枝节与金属地连接。

2.如权利要求1所述的一种紧凑型四单元超宽带MIMO天线，其特征在于半圆形贴片P1圆心与阶梯状微带线F中心位于同一条直线上。

3.如权利要求1所述的一种紧凑型四单元超宽带MIMO天线，其特征在于所述半圆形贴片P1中缺口为矩形缺口和阶梯状缺口。

4.如权利要求1所述的一种紧凑型四单元超宽带MIMO天线，其特征在于所述L型金属枝节包括垂直设置的长枝节B3和短枝节B4；长枝节B3的一端与其他L型金属枝节的长枝节连接，另一端接短枝节B4的一端。

5.如权利要求4所述的一种紧凑型四单元超宽带MIMO天线，其特征在于短枝节B4部分或全部位于半圆形贴片P1的下方。

6.如权利要求1所述的一种紧凑型四单元超宽带MIMO天线，其特征在于所述金属缺陷地G1位于阶梯状微带线F的下方。

7.如权利要求1所述的一种紧凑型四单元超宽带MIMO天线，其特征在于所述金属缺陷地G1的矩形缺口位于阶梯状微带线F的较窄端下方。

8.如权利要求1所述的一种紧凑型四单元超宽带MIMO天线，其特征在于“风车型”枝节与四个辐射贴片P相互耦合，将“风车型”枝节于中心位置相连，耦合所产生的电流大小相等，方向相反，实现相互抵消。

9.如权利要求1所述的一种紧凑型四单元超宽带MIMO天线，其特征在于当对天线进行馈电时，辐射贴片与金属地之间的边缘场产生辐射，同时四个辐射贴片之间产生耦合；金属缺陷地G1、L型地板枝节与“风车型”枝节作为反射板起到去耦合的作用，其中由金属缺陷地G1延伸出的L型地板枝节改善阻抗匹配，并且抑制相邻两辐射单元之间的耦合；由中心延伸出的“风车型”枝节，对四个辐射贴片起到隔离的作用，并且“风车型”枝节与L型地板枝节共同构成解耦结构。