CN116130948A - 一种基于极化分集的三陷波mimo超宽带天线 - Google Patents

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CN116130948A CN202310056239.XA CN202310056239A CN116130948A CN 116130948 A CN116130948 A CN 116130948A CN 202310056239 A CN202310056239 A CN 202310056239A CN 116130948 A CN116130948 A CN 116130948A
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薛朝阳
冯甲帝
王欣伟
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Abstract

本发明属于一种三陷波MIMO超宽带天线，为解决现有超宽带天线在解决窄带信号的干扰时，存在抑制干扰的频段过少、缺少陷波功能的技术问题，提供一种基于极化分集的三陷波MIMO超宽带天线，介质基板的正面上设置有四个单元天线，背面上设置有四个矩形接地板，单元天线包括微带馈线和连接于微带馈线一端的辐射单元，辐射单元采用圆形的贴片，微带馈线上刻蚀有U型槽，四个单元天线正交放置，四个矩形接地板分别位于介质基板的四个边角处，矩形接地板的一个长边和一个短边分别与介质基板相临两个边重合，微带馈线的另一端位于矩形接地板与介质基板边沿重合的长边范围内。

Description

一种基于极化分集的三陷波MIMO超宽带天线
技术领域
本发明属于一种三陷波MIMO超宽带天线，具体涉及一种基于极化分集的三陷波MIMO超宽带天线。
背景技术
随着无线通信技术的发展，提供了语音、音频、视频和数据等新服务，超宽带通信技术因其具有低功耗、高精度和低复杂度等优点，在无线通信领域受到了大量关注。
超宽带系统工作时，由于传输信号的反射会引起多径衰落，影响系统正常工作，然而，多输入多输出(MIMO)技术可以有效解决超宽带系统中的多径衰落问题。同时，引入MIMO技术，能够提高超宽带系统的数据传输速率、传输质量及系统的信道容量，因此，MIMO技术和超宽带技术的结合具有重要意义。应用于系统中的超宽带天线的另一个关键问题，是在超宽带频段内窄带信号的干扰。为了解决窄带信号的干扰，传统的解决方法是在超宽带天线中引入滤波系统，这种方法增加了系统的复杂度和成本，同时，也不利于系统设备的小型化发展。为了解决这种干扰，还会在超宽带天线中设计陷波功能，实现陷波的主要方法包括刻蚀不同形状的几何缝隙、放置寄生单元和添加谐振枝节等。
在Wu W、Yuan B、Wu A等人2018年在“International journal of Antennas andPropagation”上发表的《A quad-element UWB-MIMO antenna with band-notch andreduced mutual coupling based on EBG structures》中，提出了一款圆形嵌套的四端口超宽带天线，通过在介质基板背面放置正方形寄生单元，降低天线单元间的耦合度，在介质基板正面中心处引入电磁带隙结构(EBG)，使天线产生4.0-5.2GHz的陷波特性，该天线尺寸为60mm×60mm较大，且仅能抑制一个频段的干扰。公开号为104157987A的中国专利“一种小型化MIMO超宽带天线”中，提出了一种小型化MIMO超宽带天线，该天线由两个镜像对称的超宽带天线单元构成，通过折叠微带线来实现小型化，该天线具有较小的尺寸和较好的隔离度，仅有两个天线单元，没有陷波功能，无法屏蔽窄带系统的干扰。
发明内容
本发明为解决现有超宽带天线在解决窄带信号的干扰时，存在抑制干扰的频段过少、缺少陷波功能的技术问题，提供一种基于极化分集的三陷波MIMO超宽带天线。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种基于极化分集的三陷波MIMO超宽带天线，包括介质基板；其特殊之处在于：
所述介质基板的正面上设置有四个单元天线，背面上设置有四个矩形接地板；
所述单元天线包括微带馈线和连接于微带馈线一端的辐射单元，辐射单元采用圆形的贴片，所述微带馈线上刻蚀有U型槽，U型槽的开口朝向辐射单元；
所述介质基板为矩形状，四个所述微带馈线的另一端分别设置在介质基板的四个边上，介质基板相对边上的两个微带馈线相互平行，且任一个边上的微带馈线和相对边上的微带馈线在该边上的投影分别位于该边的两端，以任一微带馈线为起点，沿顺时针方向各微带馈线依次沿顺时针旋转90°；
四个所述矩形接地板分别位于介质基板的四个边角处，矩形接地板的一个长边和一个短边分别与介质基板相临两个边重合，所述微带馈线的另一端位于介质基板与矩形接地板长边重合的边沿范围内，且微带馈线与矩形接地板相连接。
进一步地，所述辐射单元上由内向外开设有开口谐振内环槽和开口谐振外环槽；所述开口谐振内环槽和所述开口谐振外环槽圆心重合，且开口均朝向微带馈线；所述开口谐振内环槽的圆心偏离辐射单元的圆心，且靠近微带馈线。
进一步地，所述介质基板的背面中心处设置有十字形枝节。
进一步地，所述矩形接地板位于介质基板内的长边上开设有矩形缝隙，且矩形缝隙位于该长边的中心处。
进一步地，所述辐射单元的半径a由下式确定：
Figure BDA0004060589120000031
Figure BDA0004060589120000032
式中，εr表示介质基板的相对介电常数，h表示介质基板的厚度，k表示过渡因子，f表示最低截止频率。
进一步地，所述U形槽长度Lnotch由下式确定：
Figure BDA0004060589120000033
式中，c表示自由空间中的光速，fnotch表示陷波中心频率。
进一步地，所述介质基板的材料为介电常数4.4的FR4环氧树脂，介质基板的尺寸为长40mm×宽40mm×厚度1.6mm，介质基板的损耗正切角为0.02。
进一步地，所述矩形缝隙的底部距离介质基板边沿4mm。
进一步地，所述开口谐振外环槽的长度大于开口谐振内环槽的长度，所述开口谐振外环槽缺口长度大于开口谐振内环槽的缺口长度。
进一步地，所述开口谐振外环槽的长度比开口谐振内环槽的长度大5mm-6mm，所述开口谐振外环槽缺口长度比开口谐振内环槽缺口长度大1mm-2mm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明提出了一种基于极化分集的三陷波MIMO超宽带天线，包含介质基板，介质基板正面设置单元天线，背面设置矩形接地板，单元天线又包含微带馈线和辐射单元，且辐射单元采用圆形的贴片结构，本发明采用单极子天线结构作为单元天线，实现了天线的超宽带阻抗特性，能够滤除一些窄带信号的干扰，使得超宽带系统能够与其他窄带通信系统互相兼容通信，采用矩形接地板，能够扩展天线的工作带宽，通过在矩形接地板上刻蚀矩形缝隙来改善高频时的阻抗特性。另外，四个单元天线正交放置，实现了极化分集特性，使得天线具有较高的隔离度。通过在微带馈线上刻蚀的U形槽，抑制了天线在7.41-8.7GHz频段受到的干扰，从而达到三陷波的目的，能够有效避免窄带通信系统对超宽带通信系统的干扰，使得天线具有抗干扰能力强，辐射特性好的优点，具有四个单元天线还可以有效解决超宽带通信系统中多径衰落问题，使本发明的天线能够广泛应用在超宽带系统中。
2.本发明通过在四个辐射单元上分别刻蚀开口谐振外环槽、开口谐振内环槽，结合在微带馈线上刻蚀U形槽，在没有额外增加天线尺寸的情况下实现了4.0-5.7GHz、6.43-6.77GHz和7.41-8.7GHz频段的三陷波特性，能有效避免这三个频段下的窄带信号干扰。
3.本发明在介质基板的背面引入十字形枝节，能够进一步提高天线的隔离度。
4.本发明在矩形接地板上刻蚀矩形缝隙，能够改善天线高频时的阻抗特性。
5.本发明的介质基板尺寸为40mm×40mm×1.6mm，将天线的尺寸控制在较小数值内，采用FR4环氧树脂材料作为介质基板，降低了成本。本发明的天线在小型化便携式设备中具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明一种基于极化分集的三陷波MIMO超宽带天线实施例中介质基板正面的结构示意图；
图2是本发明一种基于极化分集的三陷波MIMO超宽带天线实施例中介质基板背面的结构示意图；
图3是本发明图1中单元天线的结构示意图；
图4是本发明图3中辐射单元结构图；
图5是本发明实施例在2-12GHz频段内各端口电压驻波比仿真曲线图；
图6是本发明实施例在2-12GHz频段内第一端口和其他各端口的隔离度仿真曲线图；
图7是本发明实施例在2-12GHz频段内第二端口和其他各端口的隔离度仿真曲线图；
图8是本发明实施例在3GHz频点的辐射方向图；
图9是本发明实施例在5GHz频点的辐射方向图；
图10是本发明实施例在7GHz频点的辐射方向图；
图11是本发明实施例在9GHz频点的辐射方向图；
图12是本发明实施例的增益仿真曲线图。
其中：1-微带馈线、2-U型槽、3-开口谐振外环槽、4-开口谐振内环槽、5-介质基板、6-单元天线、7-辐射单元、8-矩形接地板、9-十字形枝节、10-矩形缝隙。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
如图1和图2所示，本发明提供了一种基于极化分集的三陷波MIMO超宽带天线，包括介质基板5，在本实施例中，介质基板5的材料采用介电常数4.4的FR4环氧树脂，成本低廉，介质基板5的尺寸为40mm×40mm×1.6mm，介质基板5的损耗正切角为0.02，使得天线整体尺寸小，能够应用于小型化便携式设备中。介质基板5的正面上设置有四个单元天线6，单元天线6是通过在介质基板5的正面敷铜获得的。背面上设置有四个矩形接地板8，介质基板5背面中心处设置有十字形枝节9，矩形接地板8和十字形枝节9是通过在介质基板5的背面敷铜获得的，引入十字形枝节9能够进一步提升天线的隔离度，通过采用矩形接地板8能够拓展天线的带宽。单元天线6包括微带馈线1和连接于微带馈线1一端的辐射单元7，辐射单元7采用圆形的贴片，采用微带馈线进行馈电，加工生产简便。介质基板5为矩形状，四个微带馈线1的另一端分别设置在介质基板5的四个边上，介质基板5相对边上的两个微带馈线1相互平行，且任一个边上的微带馈线1和相对边上的微带馈线1在该边上的投影分别位于该边的两端，使介质基板5相邻边上的单元天线6位置不干扰，以任一微带馈线1为起点，沿顺时针方向各微带馈线1依次沿顺时针旋转90°。四个矩形接地板8分别位于介质基板5的四个边角处，矩形接地板8的一个长边和一个短边分别与介质基板5相临两个边重合，微带馈线1的另一端位于矩形接地板8与介质基板5边沿重合的长边范围内，由于微带馈线1的另一端、矩形接地板8的一个边均与介质基板5的边沿重合，使四个单元天线6的微带馈线1分别与四个矩形接地板8在介质基板5的边沿处连接，分别构成第一端口11、第二端口12、第三端口13和第四端口14。四个单元天线6和四个矩形接地板8两两相互正交，采用四个单元天线6并将其正交放置，能够使得分集特性进一步提高。
作为一种优选方案，矩形接地板8位于介质基板5内的长边上开设有矩形缝隙10，且矩形缝隙10位于该长边的中心处，在矩形接地板8上刻蚀矩形缝隙10，能够改善高频时的阻抗特性。
如图3和图4，单元天线6的辐射单元7采用圆形的贴片，辐射单元7上由内向外开设有开口谐振内环槽4和开口谐振外环槽3，开口谐振内环槽4和开口谐振外环槽3圆心重合，开口谐振内环槽4的圆心偏离辐射单元7的圆心，且靠近微带馈线1。其中，圆形的贴片半径a由下式确定：
Figure BDA0004060589120000071
Figure BDA0004060589120000072
式中，εr表示介质基板5的相对介电常数，h表示介质基板5的厚度，k表示过渡因子，fr表示最低截止频率。
四个微带馈线1均与作为辐射单元7的贴片相连接，开口谐振内环槽4和开口谐振外环槽3均为圆形开口谐振环槽，开口谐振内环槽4和开口谐振外环槽3由贴片的中心向微带馈线1方向偏离1-2mm处，由内向外依次设置，开口谐振外环槽3的长度大于开口谐振内环槽4的长度5mm-6mm，开口谐振外环槽3的缺口长度大于开口谐振内环槽4的缺口长度1mm-2mm，此处的缺口是指，由于开口谐振内环槽4和开口谐振外环槽3均不是完整的圆形，圆形中未断开的部分即为环槽的缺口。利用开口谐振外环槽3能够实现4.0-5.7GHz频段的陷波功能，利用开口谐振内环槽4能够实现6.43-6.77GHz频段的陷波功能。另外，微带馈线1上刻蚀有U型槽2，U型槽2的开口朝向辐射单元7，通过在微带馈线1上刻蚀U形槽2，能够抑制7.41-8.7GHz频段的干扰，从而达到三陷波的目的，产生陷波的U形槽2长度Lnotch由下式得出：
Figure BDA0004060589120000081
式中，c表示自由空间中的光速，fnotch表示陷波中心频率。
为了进一步说明本发明一种基于极化分集的三陷波MIMO超宽带天线良好的性能，利用电磁仿真软件HFSS15.0对本发明的天线进行了射频特性建模仿真。如图5所示，示出了本发明实施例在2-12GHz频段内的端口电压驻波比仿真曲线图，四个单元天线6的微带馈线1与矩形接地板8的连接处分别构成第一端口11、第二端口12、第三端口13和第四端口14，VSWR(1)表示第一端口11的电压驻波比仿真曲线，VSWR(2)表示第二端口12的电压驻波比仿真曲线，VSWR(3)表示第三端口13的电压驻波比仿真曲线，VSWR(4)表示第四端口14的电压驻波比仿真曲线，在3.1-10.6GHz的频带范围内，天线的电压驻波比仿真曲线在4.0-5.7GHz、6.43-6.77GHz、7.41-8.7GHz大于2，其余均小于2，表明天线在超宽带频段内能够正常工作，可有效滤除4.0-5.7GHz、6.43-6.77GHz和7.41-8.7GHz频段的信号对超宽带天线的干扰。
如图6和图7所示，示出了本发明实施例在2-12GHz频带内的端口隔离度仿真曲线图，S12表示第一端口11和第二端口12的隔离度参数仿真曲线，S13表示第一端口11和第三端口13的隔离度参数仿真曲线，S14表示第一端口11和第四端口14的隔离度参数仿真曲线，S23表示第二端口12和第三端口3的隔离度参数仿真曲线，S24表示第二端口12和第四端口14的隔离度参数仿真曲线，S34表示第三端口13和第四端口14的隔离度参数仿真曲线，从天线的S12、S13、S14、S23、S24和S34可知，在2-12GHz内，四个单元天线6之间的隔离度参数均小于-15dB，在整个超宽带工作频段内具有良好的隔离度，天线的分集特性优良。
如图8所示，示出了本发明实施例在3GHz频点的辐射方向图，由图8可知，天线的E面方向图呈现形状为“8”字的定向辐射，天线的H面方向图近似圆形，呈现全向的辐射特性。如图9，为本发明实施例在5GHz的辐射方向图，由图9可知，天线的E面方向图呈现形状近似为“8”字的定向辐射，天线的H面方向图的辐射特性出现衰减，但仍然具有全向的辐射特性。如图10，为本发明实施例在7GHz的辐射方向图，由图10可知，天线的E面方向图呈现形状为“8”字的定向辐射，天线的H面方向图近似圆形，呈现全向的辐射特性。如图11，是本发明实施例在9GHz的辐射方向图，由图11可知，天线的E面方向图呈现形状为“8”字的定向辐射，天线的H面方向图的辐射特性出现衰减，但仍然具有全向的辐射特性，该天线在整个通带内均具有良好的全向辐射特性。
如图12，示出了本发明实施例在2-12GHz频段内的最大增益图，由图12可知，天线在陷波频段内无法正常工作，导致4.0-5.7GHz、6.43-6.77GHz和7.41-8.7GHz频段内的增益减小，在超宽带通信频段内有着良好的增益。
上述实施例提出的一种基于极化分集的三陷波MIMO超宽带天线，结构简单、成本低、辐射特性好、抗干扰能力强、性能稳定，采用平面圆形单极子天线作为单元天线6，实现了超宽带天线的阻抗特性，通过在作为辐射单元7的贴片上刻蚀开口谐振内环槽4和开口谐振外环槽3，以及在微带馈线1上刻蚀U形槽2，使本发明的天线产生了阻抗特性，滤除了三个窄带信号频段的干扰，实现了超宽带系统与其他窄带通信系统的相互兼容协同通信。
本发明采用刻蚀槽的方法产生陷波特性，能够有效滤除不同窄带通信的干扰，实现了超宽带系统与其他窄带通信系统的相互兼容协同通信，结构简单，代替了滤波器设计，在不额外增加天线尺寸的情况下实现了陷波功能，降低了设计成本和复杂度，加工方便，便于生产，采用平面结构，尺寸相对小，结构紧凑，便于与射频前端电路和小型化移动终端的集成，具有较高的实用价值，可以应用于多种超宽带通信系统。
以上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 (10)

1.一种基于极化分集的三陷波MIMO超宽带天线，包括介质基板(5)；其特征在于：
所述介质基板(5)的正面上设置有四个单元天线(6)，背面上设置有四个矩形接地板(8)；
所述单元天线(6)包括微带馈线(1)和连接于微带馈线(1)一端的辐射单元(7)，辐射单元(7)采用圆形的贴片，所述微带馈线(1)上刻蚀有U型槽(2)，U型槽(2)的开口朝向辐射单元(7)；
所述介质基板(5)为矩形状，四个所述微带馈线(1)的另一端分别设置在介质基板(5)的四个边上，介质基板(5)相对边上的两个微带馈线(1)相互平行，且任一个边上的微带馈线(1)和相对边上的微带馈线(1)在该边上的投影分别位于该边的两端，以任一微带馈线(1)为起点，沿顺时针方向各微带馈线(1)依次沿顺时针旋转90°；
四个所述矩形接地板(8)分别位于介质基板(5)的四个边角处，矩形接地板(8)的一个长边和一个短边分别与介质基板(5)相临两个边重合，所述微带馈线(1)的另一端位于介质基板(5)与矩形接地板(8)长边重合的边沿范围内，且微带馈线(1)与矩形接地板(8)相连接。
2.根据权利要求1所述一种基于极化分集的三陷波MIMO超宽带天线，其特征在于：所述辐射单元(7)上由内向外开设有开口谐振内环槽(4)和开口谐振外环槽(3)；所述开口谐振内环槽(4)和所述开口谐振外环槽(3)圆心重合，且开口均朝向微带馈线(1)；所述开口谐振内环槽(4)的圆心偏离辐射单元(7)的圆心，且靠近微带馈线(1)。
3.根据权利要求2所述一种基于极化分集的三陷波MIMO超宽带天线，其特征在于：所述开口谐振外环槽(3)的长度大于开口谐振内环槽(4)的长度，所述开口谐振外环槽(3)缺口长度大于开口谐振内环槽(4)的缺口长度。
4.根据权利要求3所述一种基于极化分集的三陷波MIMO超宽带天线，其特征在于：所述开口谐振外环槽(3)的长度比开口谐振内环槽(4)的长度大5mm-6mm，所述开口谐振外环槽(3)缺口长度比开口谐振内环槽(4)缺口长度大1mm-2mm。
5.根据权利要求1至4任一所述一种基于极化分集的三陷波MIMO超宽带天线，其特征在于：所述介质基板(5)的背面中心处设置有十字形枝节(9)。
6.根据权利要求5所述一种基于极化分集的三陷波MIMO超宽带天线，其特征在于：所述矩形接地板(8)位于介质基板(5)内的长边上开设有矩形缝隙(10)，且矩形缝隙(10)位于该长边的中心处。
7.根据权利要求4所述一种基于极化分集的三陷波MIMO超宽带天线，其特征在于：所述矩形缝隙(10)的底部距离介质基板(5)边沿4mm。
8.根据权利要求7所述一种基于极化分集的三陷波MIMO超宽带天线，其特征在于：所述辐射单元(7)的半径a由下式确定：
Figure FDA0004060589110000021
Figure FDA0004060589110000022
式中，εr表示介质基板(5)的相对介电常数，h表示介质基板(5)的厚度，k表示过渡因子，fr表示最低截止频率。
9.根据权利要求8所述一种基于极化分集的三陷波MIMO超宽带天线，其特征在于：所述U形槽(2)长度Lnotch由下式确定：
Figure FDA0004060589110000031
式中，c表示自由空间中的光速，fnotch表示陷波中心频率。
10.根据权利要求9所述一种基于极化分集的三陷波MIMO超宽带天线，其特征在于：所述介质基板(5)的材料为介电常数4.4的FR4环氧树脂，介质基板(5)的尺寸为长40mm×宽40mm×厚度1.6mm，介质基板(5)的损耗正切角为0.02。
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CN117117505A (zh) * 2023-10-17 2023-11-24 广东工业大学 一种五单元超宽带mimo缝隙天线
CN117117505B (zh) * 2023-10-17 2023-12-26 广东工业大学 一种五单元超宽带mimo缝隙天线

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