CN116454613A - 一种具有陷波结构的四单元超宽带mimo天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有陷波结构的四单元超宽带MIMO天线，属于天线技术领域。该天线包括介质基板，位于介质基板下方的地面和介质基板上方的四个天线辐射单元。天线单元为圆形单极子天线，通过其上面挖倒“凵”形槽实现5‑6GHz的陷波。四个天线单元互相垂直放置，通过微带线馈电，微带线由两个连接在一起的不同大小的矩形组成，并在微带线正下方挖矩形槽实现阻抗匹配，天线单元正下方是矩形地面，通过连接对角线位置的矩形接地面并在中间挖细缝对整个超宽频带实现去耦，最终实现一个具有陷波结构的四单元超宽带MIMO天线，尺寸较小，耦合度较低。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种具有陷波结构的四单元超宽带MIMO天线。
背景技术
1901年，马可尼开辟了第一个电报传输系统，自此之后，无线通信技术日益发展，这也使得原来的频谱资源已经逐渐不能满足人们日益增长的需求。人们逐渐开始探索如何提高频谱利用率。随着Telatar和Foschini提出多天线技术，MIMO技术也随之产生。MIMO天线技术通过多输入多输出信道，解决了单天线技术的缺陷，极大地展宽了天线的带宽，扩展了天线的容量，提高了频谱利用率，也解决了多径效应，得到了广大学者的关注和认可。
天线作为移动通信的重要组成部分，主要用来收发电磁波。移动通信的发展离不开对天线技术的研究，天线性能的好坏对通信性能有着直接的影响，因此MIMO天线技术成为研究的热点。MIMO天线由多个天线单元组成，相比于传统的单天线，MIMO天线的尺寸更大，而随着智能设备的小型化，留给天线的空间也逐渐减小，所以如何设计出小型化的MIMO天线是一个研究热点。
超宽带通信技术主要有两种方式，一种是通过单载波的形式，一种是多载波的形式。相比较而言，第一种形式设计起来更加简单。随着对天线要求的提高，并且要求不能影响到民用信号，这使得较小的辐射信号如何被完整的接收成为一个难题。利用MIMO天线的优势，研究学者开始把天线超宽带技术和MIMO技术相结合来进行研究。超宽带MIMO天线拥有超宽的带宽，稳定的辐射性能，超快的传输速度。但是超宽带MIMO天线仍然面临着小型化的问题，由于智能设备越来越小，这就要求天线的尺寸也只能缩小才能满足需求。当多个天线单元被设计在一个紧凑的空间时，天线单元之间互相干扰会造成耦合现象，极大地影响天线的辐射性能。所以在对超宽带MIMO天线进行小型化设计的同时，还要进行相应的去耦设计。同时，超宽带天线因为拥有超宽的带宽，其中覆盖了WLAN频段和WIMAX频段等，超宽带天线在工作时会对这些频段造成一定程度的干扰，所以，对超宽带天线进行设计时，同时对其进行陷波处理也极为重要。
在对天线进行小型化设计时，目前常使用的技术有弯折技术、分形技术和切割技术等。弯折技术通过对天线单元进行合理的弯曲折叠设计，从而降低天线的高度使得天线尺寸减小。分形技术根据自相似形，对图形边角部分多次迭代运算来改变天线的结构从而减小尺寸。切割技术通过对天线单元对半切割设计实现小型化。在对天线去耦设计时，常采用的技术有缺陷地技术，中和线技术和加载寄生枝节等。缺陷地技术通过在地面上设置一些缝隙来进行去耦，中和线技术通过合理的在辐射单元之间引入中和线，中和线产生的电流和原来的电流抵消来实现去耦，加载寄生枝节是通过引入新的耦合来抵消天线单元之间的耦合，从而实现去耦。
文献J.Ren,W.Hu,Y.Yin and R.Fan,“Compact Printed MIMO Antenna for UWBApplications”in IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,vol.13,pp.1517-1520,设计了一款工作频段为3.1-10.6GHz二单元超宽带MIMO天线，该天线的尺寸为32mm×32mm×0.8mm，整体尺寸较小，天线单元由矩形辐射贴片组成，通过在每个天线单元上挖两个矩形槽进行拓展带宽，两个天线单元垂直放置，并在其中间位置挖四边形细槽进行去耦，最终实现天线隔离度高于15dB。
在现有的超宽带MIMO天线设计中，天线尺寸偏小的隔离度偏高，天线隔离度高的尺寸较大，对天线进行陷波设计的就更少了。因此，同时具备天线小型化和高隔离度，并且对超宽带天线进行陷波设计则是一个研究重点。
发明内容
本发明提出了一种具有陷波结构的四单元超宽带MIMO天线，该天线由四个垂直放置的圆形辐射天线单元组成，在其下方是四个垂直放置的矩形接地面，位于对角线位置的矩形接地面通过四边形地板枝节两两连接，并在两条对角线接地面的中间有两条细缝，实现了去耦操作。天线单元采用微带线馈电，微带线由两个连接在一起不同大小的矩形组成，在微带线的正下方对应的接地面开有小矩形槽，用以提高阻抗匹配。在每个圆形辐射单元的中间有倒“凵”形槽实现5-6.0GHz频段的陷波。本发明实现了一个工作频段为3-12GHz频段的四单元的超宽带MIMO天线，具有尺寸小，耦合度低的优点，同时还具有陷波结构。
本发明通过以下技术方案实现：
一种具有陷波结构的四单元超宽带MIMO天线，包括介质基板，位于介质基板上方的四个圆形辐射贴片，四条微带馈线和位于介质基板下方的接地面。
所述四个圆形辐射贴片垂直放置，并在每个圆形辐射贴片中间具有倒“凵”形槽。
所述微带线为两个连接在一起的矩形，两个矩形长度和宽带大小不等，微带线上端连接圆形辐射贴片，下端连接介质基板的边沿。
所述地板枝节包括四个垂直放置的矩形地板枝节，位于对角线位置放置的对角线地板枝节，分别位于两条对角线地板枝节中间的两条细小缝隙。
进一步地，垂直放置的矩形地板枝节对应介质基板上方微带线位置有小矩形槽，垂直放置的四个矩形地板枝节下边沿分别连接介质基板的四条边。
本发明利用四个圆形辐射贴片垂直放置，两个连接在一起的不同大小的矩形组成的微带线，四个垂直放置的地板枝节以及其对应于微带线位置的四个小矩形槽，两条对角线位置的地板枝节以及两条对角线地板枝节中心的两条细缝，四个圆形辐射贴片上的四个倒“凵”形槽，实现一个小型化且具有高隔离度的带有陷波结构的四单元超宽带MIMO天线。两条对角线位置的地板枝节中间挖有两条细缝，形成四个矩形地板枝节相邻两两之间有“V”形地板枝节连接，从而引入新的地板耦合电流抵消掉原来天线单元之间的耦合电流。通过调整圆形辐射贴片上倒“凵”形槽的位置和长度，改变原来天线单元的电流分布，在5.5GHz处产生一个阻带，实现在5-6GHz的陷波。四个垂直放置的地板上的矩形槽通过改变电流路径提高了天线的阻抗匹配。
相比于现有的技术，本发明具有的优势：
1、相比于现有的超宽带MIMO天线，本发明具有四个天线单元的情况下，仍具有天线尺寸较小的特点，适用于现有的小型化智能设备。
2、相比于现有的超宽带MIMO天线，本发明在具有四个天线单元且空间紧凑的情况下，仍然具有高隔离度的特点。
3、相比于现有的超宽带MIMO天线，本发明具有5-6GHz的陷波，可以避免干扰其他通信频段，具有更好的天线性能。
附图说明
图1是本发明实例的天线结构示意图。
图2是本发明实例天线的正面结构图。
图3是本发明实例天线的背面结构图。
图4是本发明实例天线的S11参数仿真曲线图。
图5是本发明实例的天线的S12/S14、S13的隔离度参数曲线图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细描述。
如图1所示，本发明一种具有陷波结构的四单元超宽带MIMO天线，包括介质基板(3)，介质基板上方的四个垂直放置的天线单元(1)，介质基板下方的接地面(2)组成。Port1，Port2、Port3和Port4分别是个四个天线单元的馈电端口。
如图2所示，介质基板的长为W，宽为L,其中，W为46mm,L也为46mm。采用的介质基板是FR4材料，相对介电常数为4.4，介质基板的厚度为1.6mm。天线单元由圆形辐射贴片(11)和圆形辐射贴片中间的倒“凵”形槽(12)和微带馈线(13)组成。圆形辐射贴片的半径R为5mm，倒“凵”形槽由三个宽度为0.5mm矩形槽组成,其长度L7为6.9mm，L8为4.5mm，L9为5.5mm。微带馈线由两个连接在一起的矩形组成，其中，与圆形辐射贴片连接的矩形宽2mm,长L2为4.1mm，另外一个与介质基板边沿相连的矩形宽3.2mm，长L1为7.3mm。
如图3所示，接地面由四个垂直放置的矩形接地面(21)、矩形接地面上的矩形槽(22)、连接两条对角线的四边形枝节(23)和对角线中间的狭缝(24)组成。四个矩形接地面宽15.9mm,高g为10.5mm,矩形接地面的小矩形槽长s和宽k都为1mm，在每个矩形地板枝节面向介质基板中心的两条边均确定d3为4.2mm的位置为两点，位于对角线位置的两个矩形地板的四点连线，形成对角线地板枝节，同样的方法确定d5为0.6mm的位置形成一个对角线地板枝节，两个对角线地板枝节相减形成对角线枝节中心的两条细缝。
图4是给Port1端口馈电时天线的S11仿真曲线图，由于天线单元的对称性，所以有S11＝S22＝S33＝S44，因此这里仅给出了S11随频率变化的仿真曲线图，从图中可以看出，在3-12GHz(5-6GHz除外)频段之间，其S11参数小于-10dB，在5-6GHz有一个陷波，此频段S11参数大于-10dB，满足具有陷波结构的(5-6GHz)超宽带MIMO天线的要求。
图5是给Port1端口馈电时天线的隔离度仿真曲线图，由于天线单元放置的对称性，所以当给其他天线单元馈电时结果一样，因此这里只给出Port1馈电时的隔离度曲线图。因为天线的对称性，所以S12＝S14，因此这里给出一条曲线。实线是S12/S14参数曲线图，虚线是S13参数曲线图，从图中可以看到，在3-12GHz频段内，其S12/S14和S13值都小于-15dB，并且由于有对角线地板枝节结构，所以基本整个频段的S13参数都小于-20dB，具有很好的隔离效果。
Claims (3)
1.一种具有陷波结构的四单元超宽带MIMO天线，包括介质基板，介质基板上面的四个垂直放置的单极子天线单元和介质基板下面的接地面，其特征在于，四个垂直放置的天线单元是圆形辐射贴片，天线单元使用微带线馈电，微带线由两个连接在一起的大小不等的矩形组成，其一端连接圆形辐射贴片，一端连接介质基板边沿。
2.如权利要求1所述的一种具有陷波结构的四单元超宽带MIMO天线，其特征在于，所述的接地面是由四个垂直放置的矩形组成，分别位于各自的圆形辐射贴片下方，并在每个圆形辐射贴片馈线的正下方接地面上开有小矩形槽，在两条对角线位置放置的矩形接地面通过四边形地板枝节两两连接，并在两条对角线地板枝节中间有两条细槽。
3.如权利要求1所述的一种具有陷波结构的四单元超宽带MIMO天线，其特征在于，所述的四个圆形辐射贴片，每个圆形辐射贴片中间都有一个倒“凵”形的细槽。
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Cited By (1)
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2023
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| CN117878597B (zh) * | 2024-03-12 | 2024-05-14 | 湖南大学 | 一种具有高隔离特性的超宽带mimo天线 |
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