CN116130946A - 一种双陷波高隔离度超宽带mimo天线 - Google Patents

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袁国轩
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Abstract

一种双陷波高隔离度超宽带MIMO天线，包括介质基板、位于介质基板上表面的金属层、位于介质基板下表面的金属接地板、以及由金属接地板延伸出的类F形隔离枝节；类F形隔离枝节包括两个成轴对称设置的F形单元；每个F形单元包括矩形条以及其上部延长出两段不同长度的第一阶枝节和第二阶枝节，矩形条中间刻蚀四条缝隙，宽度相同，其中一条缝隙的长度大于另三条缝隙相同的长度；金属层为两个轴对称放置的非轴对称的单元；每个单元包括辐射单元、阶梯形微带馈线、L形槽、Z形槽；类F形隔离枝节与金属接地层连接，且位于两个辐射单元中间位置。本发明提出的超宽带MIMO天线具有尺寸小、易加工、双陷波、高隔离等优点。

Description

一种双陷波高隔离度超宽带MIMO天线
技术领域
本发明属于超宽带技术领域，具体涉及一种双陷波高隔离度超宽带MIMO天线。
背景技术
天线在射频电路中，作为发射和接收无线电波的装置，是无线通信系统中重要的组成部分。
超宽带无线通信技术具有传输速率高，发射功率低，多径分辨率高等优点，目前广泛应用于
室内定位系统、雷达系统和成像等系统。超宽带的宽频带特性容易出现多径效应，进而通信质量降低。MIMO技术，在信号的收发端同时布置多个天线弥补了超宽带技术在实际应用方面的不足。通过多根天线进行信号的发射和接收，获得分集增益，从而改善通信质量。目前的超宽带频段3.3GHz-10.6GHz的覆盖范围内，还存在着许多其他频段的通信系统。如无线局域网(WLAN)频段(5.15GHz-5.825GHz)、卫星通信系统下行频段(7.25GHz-7.75GHz)等。为了避免这些频段的干扰，增加滤波电路势必会增大整个超宽带系统的体积以及成本，因此设计超宽带陷波MIMO天线十分重要。
发明内容
针对上述背景技术中存在的问题，提出一种双陷波高隔离度超宽带MIMO天线，在解决频段干扰问题的同时，控制系统的整体体积和成本。
一种双陷波高隔离度超宽带MIMO天线，包括介质基板、位于介质基板上表面的金属层、位于介质基板下表面的金属接地板、以及由金属接地板延伸出的类F形隔离枝节；
类F形隔离枝节包括两个成轴对称设置的F形单元；每个F形单元包括矩形条以及其上部延长出两段不同长度的第一阶枝节和第二阶枝节，矩形条中间刻蚀四条缝隙，宽度相同，其中一条缝隙的长度大于另三条缝隙相同的长度；
金属层为轴对称放置的两个单元，这两个单元互为镜像对称；每个单元包括辐射单元、阶梯形微带馈线、L形槽、Z形槽；
阶梯形微带馈线两端分别连接辐射单元和馈线端口；
L形槽、Z形槽位于辐射单元上，一端槽口贴合介质基板边缘，L形槽位于Z形槽的远离馈电端口一侧；
类F形隔离枝节与金属接地层连接，且位于两个辐射单元中间位置；
阶梯形微带馈线的下方的金属接地板处刻蚀有阶梯形槽，增加工作带宽。
进一步地，辐射单元为非对称结构的切角矩形，切角曲边为椭圆的1/4弧长。
进一步地，阶梯形微带馈线为一体成型的三个矩形部分，三个矩形以宽度大小顺序依次连接，其中宽度最小矩形的一端连接辐射单元，宽度最大矩形的一边作为馈电端口。
进一步地，L形槽的长度为对应陷波中心频率波长的1/4。
进一步地，Z形槽的长度为对应陷波中心频率波长的1/4。
进一步地，介质基板采用FR4板材，介电常数4.4、损耗正切角0.02，尺寸大小为。
进一步地，F形单元的矩形条中，由枝节一侧起的第二条缝隙的长度大于其他缝隙。
本发明达到的有益效果为：
(1)通过开槽的方式使天线呈现了双陷波特性；其中在辐射贴片蚀刻有用于实WLAN频段的陷波特性的L形槽，同时在L形槽的下方蚀刻Z形槽使得天线产生陷波波段，使得天线产生陷波波段，减少了设计的复杂性，该两槽形尺寸长度约为对应陷波中心频率波长的1/4；
(2)通过开槽方式使超宽带天线的工作带宽为3.1GHz-11GHz，在5.07GHz-5.88GHz、7.18GHz-7.92GHz两个频段产生了陷波特性，有效抑制了WLAN频段和X波段下行的窄带频段信号；
(3)该开槽方式在保证相关特性的同时尺寸更小，易于加工，降低物料和操作成本；
(4)在金属接地板上延伸出类F形枝节，提升了天线的隔离度。
综上，本发明提出的超宽带MIMO天线具有尺寸小、易加工、双陷波、高隔离等优点。
附图说明
图1是本发明实施例中天线结构示意图。
图2是本发明实施例中回波损耗S11和两端口间隔离度S21曲线图。
图3是本发明实施例中未加入陷波情况下，Port1被激励时4GHz、6GHz、10GHz有无类F形枝节天线辐射单元和金属地板表面的电流分布图。
图4是本发明实施例中在Port1被激励时陷波中心频率5.5GHz和7.5GHz天线辐射单元和金属地板表面的电流分布图。
图5是本发明实施例中在4GHz、6GHz、10GHz时的xoz面和yoz面的归一化辐射方向图。
图6是本发明实施例中在工作频段内的增益曲线图。
图中，1-介质基板，2-金属接地板，3-辐射单元，4-L形槽，5-Z形槽，6-类F形枝节，7-阶梯形微带馈线，8-阶梯形槽，9-第一阶枝节，10-第二阶枝节。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
如图1所示，本实施例中的双陷波高隔离度超宽带MIMO天线，包括介质基板1、金属接地板2、金属层、类F形枝节6；介质基板的横截面为长方形。
其中：所述金属层包括轴对称设置的两个单元；每个单元包括辐射单元3、阶梯形微带馈线7、L形槽4和Z形槽5。
辐射单元3为非轴对称结构的切角矩形贴片，即由矩形贴片下端一个顶角处切割，切角曲线为1/4椭圆圆弧；辐射单元的下端连接有阶梯形微带馈线7。
所述阶梯形微带馈线7为一体成型结构，由三个矩形部分构成，三个矩形宽边大小顺序依次连接；所述阶梯形微带馈线中最小矩形的一端接所述切角矩形贴片的切角所在边的另一侧，最大矩形的一边作为馈电端口。
金属接地板2为矩形，金属接地板2分布在介质基板1下表面，且位于阶梯形微带馈线7的下方。金属接地板2的中间位置延伸出一个类F形枝节6，辐射单元3的背部对应的下方金属接地板蚀刻了阶梯形槽8，所述阶梯形槽8(其中第一段长2.0mm宽0.5mm，第二段长3.0mm宽1.0mm。)位于阶梯形微带馈线7最下矩形部分下方。
类F形枝节包括矩形延伸出第一阶枝节9、第二阶枝节10，以及四条矩形缝隙，其中三条长度相等，一条稍长。
图1中，port1和port2分别表示天线端口1和天线端口2。
所述的介质基板1采用FR4介质基板，介电常数4.4、损耗正切角为0.02，尺寸大小为26mm×28mm×0.8mm。
所述L形槽4的总长度为8.2mm，其中包括横竖的两部分。横部分长4.0mm宽0.2mm，距辐射单元3上边缘1.3mm；竖部分长4.2mm宽0.2mm。所述Z形槽5的总长度为6.7mm，包括横竖横三个部分。第一段横部分长1mm，宽0.2mm，距辐射单元上边缘4.0mm；竖部分紧连着第一段横部分同时连接第二段横部分长3.5mm，宽0.2mm；第二段横部分长2.2mm,宽0.2mm。L形槽4和Z形槽5的总长度均对应其陷波中心频率波长的1/4。
所述阶梯形微带传输线7总长度为10.4mm。第一段矩形长度为3.0mm，宽2.0mm；第二段矩形长度为4.0mm，宽1.4mm；第三段矩形长度为3.4mm，宽1.2mm的三段微带传输线组成。
所述类F形枝节6总长16.0mm(不包括左右延长部分)，第一阶延长的长度为3.0mm，宽1.0mm第二阶延长的长度为2.0mm,宽1.0mm，两延长部分之间有1.5mm距离。四条矩形缝隙宽度为0.5mm，其中三条长度为12.5mm，一条为15.0mm。
本实施例中，辐射单元3采用矩形辐射贴片按1/4椭圆圆弧只切割一侧形成最终的辐射贴片，并对天线进行阶梯形微带馈线7馈电，可增加电流流经路径，拓展工作带宽，有利于阻抗匹配。两个辐射单元3之间的类F型枝节6在改善天线低频段的阻抗匹配，同时抑制两个天线辐射单元3之间的耦合；金属接地板2正中间延伸出的类F形枝节6，能够对两个辐射体的方向图产生反射作用，并且刻蚀的狭缝(类F形枝节6中的缝隙)使天线单元之间的电长度逐渐增大，两端口之间的电流路径延长。辐射贴片3中蚀刻的L形槽4和Z形槽5，形成了WLAN(5.15GHz-5.825GHz)、X波段下行频段(7.25GHz-7.75GHz)双陷波。
参见图2，其中曲线是|S11|和|S21|参数仿真曲线，可以看出，本发明天线的-10dB回波损耗频带为3.1～11GHz，同时在5.07GHz-5.88GHz，7.18GHz-7.92GHz两个频段的|S11|>-5dB，实现WLAN和X波段下行两种窄带无线通信频段的陷波。天线在3.1GHz～3.3GHz工作频带处的隔离度均低于-15dB，在3.3GHz-11GHz工作频带处的隔离度均低于-20dB。
如附图3所示，当Port1被激励时，电流主要分布在Port1和其一侧的类F形枝节6上，主要通过吸收电流以实现天线间的低耦合。
参见图4中给出了天线分别在5.5GHz和7.5GHz处的单端口激励下天线表面电流分布图。L形槽4和Z形槽5处远场辐射能量相互抵消，从而实现阻带特性。
图5可以看出，port1激励时，天线在中低频段有近似于偶极子的辐射方向图。在高频段时，由于添加类F形枝节6使得辐射方向图产生变化，方向性随着频率的升高逐渐增强。
图6给出了天线工作频段内的增益图，可以看出天线增益趋于稳定，在UWB范围内增益变换范围1.8dBi到5dBi，在陷波频段处，增益均小于0dBi。
本天线在保证相关特性的同时尺寸更小，具有双陷波特性，且两个辐射单元间的隔离度较高。该天线由两个辐射单元构成，采用阶梯形微带线馈电，通过在辐射单元上开槽方式实现双陷波功能。同时，在金属接地板上延伸出类F形枝节，提升了天线的隔离度。本发明具有尺寸小、易加工、双陷波、高隔离等优点。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (7)

1.一种双陷波高隔离度超宽带MIMO天线，其特征在于：
所述天线包括介质基板、位于介质基板上表面的金属层、位于介质基板下表面的金属接地板、以及由金属接地板延伸出的类F形隔离枝节；
所述类F形隔离枝节包括两个成轴对称设置的F形单元；每个F形单元包括矩形条以及其上部延长出两段不同长度的第一阶枝节和第二阶枝节，矩形条中间刻蚀四条缝隙，宽度相同，其中一条缝隙的长度大于另三条缝隙相同的长度；
所述金属层为轴对称放置的两个单元，这两个单元互为镜像对称；每个单元包括辐射单元、阶梯形微带馈线、L形槽、Z形槽；
所述阶梯形微带馈线两端分别连接辐射单元和馈线端口；
所述L形槽、Z形槽位于辐射单元上，一端槽口贴合介质基板边缘，L形槽位于Z形槽的远离馈电端口一侧；所述L形槽和Z形槽的长度为对应陷波中心频率波长的1/4；
所述类F形隔离枝节与金属接地层连接，且位于两个辐射单元中间位置；
阶梯形微带馈线的下方的金属接地板处刻蚀有阶梯形槽，增加工作带宽。
2.根据权利要求1所述的一种双陷波高隔离度超宽带MIMO天线，其特征在于：所述辐射单元为非对称结构的切角矩形，切角曲边为椭圆的1/4弧长。
3.根据权利要求1所述的一种双陷波高隔离度超宽带MIMO天线，其特征在于：所述阶梯形微带馈线为一体成型的三个矩形部分，三个矩形以宽度大小顺序依次连接，其中宽度最小矩形的一端连接辐射单元，宽度最大矩形的一边作为馈电端口。
4.根据权利要求1所述的一种双陷波高隔离度超宽带MIMO天线，其特征在于：所述L形槽的总长度为8.2mm，其中包括横竖的两部分；横部分长4.0mm宽0.2mm，距辐射单元上边缘1.3mm；竖部分长4.2mm宽0.2mm。
5.根据权利要求1所述的一种双陷波高隔离度超宽带MIMO天线，其特征在于：所述Z形槽5的总长度为6.7mm，包括横竖横三个部分；第一段横部分长1mm，宽0.2mm，距辐射单元上边缘4.0mm；竖部分同时连接第一段横部分和第二段横部分，其长3.5mm，宽0.2mm；第二段横部分长2.2mm,宽0.2mm。
6.根据权利要求1所述的一种双陷波高隔离度超宽带MIMO天线，其特征在于：所述介质基板采用FR4板材，介电常数4.4、损耗正切角0.02，尺寸大小为26mm×28mm×0.8mm。
7.根据权利要求1所述的一种双陷波高隔离度超宽带MIMO天线，其特征在于：所述F形单元的矩形条中，由枝节一侧起的第二条缝隙的长度大于其他缝隙。
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CN116487885A (zh) * 2023-06-21 2023-07-25 西南科技大学 一种复合结构的双陷波双极化基站天线

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