CN117878597B

CN117878597B - 一种具有高隔离特性的超宽带mimo天线

Info

Publication number: CN117878597B
Application number: CN202410280891.4A
Authority: CN
Inventors: 李高升; 李丹琳; 肖培; 宁远帆; 张力; 邹棋; 盛俊威
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2024-03-12
Filing date: 2024-03-12
Publication date: 2024-05-14
Anticipated expiration: 2044-03-12
Also published as: CN117878597A

Abstract

本申请属于天线技术领域，涉及一种具有高隔离特性的超宽带MIMO天线，包括：介质基板以及设在所述介质基板上的多个天线单元，以构成MIMO天线；所述天线单元包括：第一辐射贴片、第二辐射贴片以及微带线；所述第一辐射贴片为正方环形结构，所述第二辐射贴片为四叶草形结构，且所述第二辐射贴片的外边缘与所述第一辐射贴片的内环相切；所述微带线的两端分别与所述第一辐射贴片的外环以及所述介质基板的外边缘相连；相邻两个天线单元的微带线之间不平行，以实现具有高隔离特性的超宽带MIMO天线。采用本申请能够在保证MIMO天线的小型化的同时，使得天线在更宽的工作频段内实现更高元件间隔离度。

Description

一种具有高隔离特性的超宽带MIMO天线

技术领域

本申请涉及天线技术领域，特别是涉及一种具有高隔离特性的超宽带MIMO天线。

背景技术

随着无线通信系统的发展，高数据速率和大系统容量作为无线通信系统一直追求的目标得到了研究人员的广泛研究。超宽带技术（UWB ,Ultra-Wideband）以其数据传输速率高、抗干扰能力强等特点受到了研究者的大量关注。然而，由于超宽带技术的低发射功率，所以 UWB 通信广泛应用在短距离通信领域，用于通信、雷达、定位、跟踪等方面。

电磁波在复杂的空间中传播，会产生折射、反射从而导致多径效应，会使得通信质量降低。为了克服这些无线通信上面的困难，多输入多输出(MIMO)技术应运而生。MIMO技术通过在发射端和接收端同时使用多个天线单元，利用分集技术在提升通信容量的同时还可以有效的避免多径效应。目前，多输入多输出技术已成为第五代(5G)无线通信系统的关键组成部分。它利用多天线克服信道衰落的影响，提高频谱利用率，提高无线通信系统速率，从而提高通信质量。

然而，由于在有限空间内容纳更多设备的需求增加，天线元件之间的间距将急剧缩小，这种间距的减小会增加天线之间的相互耦合，对元件之间的阻抗匹配、隔离和相关性产生负面影响。MIMO阵列单元之间的互耦性急剧增加，阵列的辐射能力和数据吞吐量受到严重影响。

现有技术中，为了尽可能地减少天线间的相互耦合，特别是在紧凑阵列中，许多解耦技术已经引起了学术界和工业界的关注，例如：增加元素物理分离的方法（加载t型支路或在底层上蚀刻去耦槽），以获得较高的隔离性能。

但是，这些方法并不能在获得较高隔离性能的情况保证超宽带，因此，如何在保证MIMO天线的小型化的同时，使得天线在更宽的工作频段内实现更高的隔离度是急需要解决的问题。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种具有高隔离特性的超宽带MIMO天线，能够在保证MIMO天线的小型化的同时，使得天线在更宽的工作频段内实现更高的元件间隔离度。

一种具有高隔离特性的超宽带MIMO天线，包括：介质基板以及设在所述介质基板上的多个天线单元，以构成MIMO天线；

所述天线单元包括：第一辐射贴片、第二辐射贴片以及微带线；

所述第一辐射贴片为正方环形结构，所述第二辐射贴片为四叶草形结构，且所述第二辐射贴片的外边缘与所述第一辐射贴片的内环相切；所述微带线的两端分别与所述第一辐射贴片的外环以及所述介质基板的外边缘相连；

相邻两个天线单元的微带线之间不平行，以实现具有高隔离特性的超宽带MIMO天线。

在一个实施例中，所述介质基板为正方形，所述天线单元的数量为四个；

四个所述天线单元的微带线分别与介质基板的一条边相连，相邻两个天线单元之间的微带线互相垂直。

在一个实施例中，所述天线单元还包括：两个第一连接片和/或两个第二连接片；

所述第一连接片为直角三角形结构，所述直角三角形结构的两个直角边分别与所述第一辐射贴片的外环以及所述微带线的边缘共线；

所述第二连接片为半圆形结构，所述半圆形结构的直线部分与所述第一辐射贴片的外环共线。

在一个实施例中，当所述天线单元包括：两个第一连接片和两个第二连接片时，所述第一连接片与所述第二连接片均关于所述微带线呈轴对称分布；

所述第一连接片设在所述第二连接片以及所述微带线之间，且所述第一连接片与所述第二连接片之间具有间隔。

在一个实施例中，还包括：设在所述介质基板底面的多个地板；

所述地板与所述天线单元一一对应，且所述地板设在对应所述天线单元的正下方；

所述地板中央靠近所述第一辐射贴片的位置设有与对应所述微带线等宽的第一切槽，所述地板上与所述介质基板不相交的角具有第二切槽，所述第二切槽为朝向所述介质基板中心凸出的四分之一圆结构。

在一个实施例中，还包括：设在所述介质基板底面上的四个去耦枝节；

四个去耦枝节的一个对应端均与介质基板的中心相连，四个去耦枝节的另一个对应端分别与介质基板的一个边垂直，并形成十字形结构。

在一个实施例中，所述去耦枝节的宽度与所述第一辐射贴片的宽度相等。

在一个实施例中，四个所述去耦枝节的另一个对应端分别与对应所述天线单元的第一辐射贴片在竖直方向上具有重叠。

在一个实施例中，所述去耦枝节的两个长边上设有多个向对边凹陷的凹槽，以形成锯齿形结构。

在一个实施例中，同一去耦枝节上的多个凹槽交替设置。

上述具有高隔离特性的超宽带MIMO天线，设置了正方环形的第一辐射贴片以及与第一辐射贴片内环相切的第二辐射贴片，以实现天线的超宽带；同时，天线单元旋转正交形成MIMO天线，具备多输入多输出天线的优点，提高信息的传输效率，尺寸相较于其他天线来说更小，很好的实现了天线小型化的特点，减小了天线单元之间的耦合，隔离度得到很好的提升，天线剖面低，易于加工携带且加工成本低；另外，设置了去耦贴片，进一步减小天线单元之间的相互影响，提高隔离度，使得每个天线单元都可以独立工作，互不干扰，可以应用于多个领域，具有抗干扰、信道容量高等特点。

附图说明

图1为一个实施例中具有高隔离特性的超宽带MIMO天线的示意图；

图2为一个实施例中具有高隔离特性的超宽带MIMO天线的俯视图；

图3为一个实施例中具有高隔离特性的超宽带MIMO天线的仰视图；

图4为一个实施例中具有高隔离特性的超宽带MIMO天线的俯视尺寸图；

图5为一个实施例中具有高隔离特性的超宽带MIMO天线的仰视尺寸图；

图6为一个实施例中具有高隔离特性的超宽带MIMO天线的S₁₁参数曲线示意图；

图7为一个实施例中具有高隔离特性的超宽带MIMO天线的S参数曲线示意图；

图8为一个实施例中具有高隔离特性的超宽带MIMO天线的增益曲线示意图；

图9为一个实施例中具有高隔离特性的超宽带MIMO天线在6GHz的E面辐射方向图；

图10为一个实施例中具有高隔离特性的超宽带MIMO天线在8GHz的E面辐射方向图；

图11为一个实施例中具有高隔离特性的超宽带MIMO天线在10GHz的E面辐射方向图。

附图标记：

介质基板1；

天线单元2，第一辐射贴片21，第二辐射贴片22，微带线23，第一连接片24，第二连接片25；

地板3，第一切槽31，第二切槽32；

去耦枝节4。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明，本申请实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本申请中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多组”的含义是至少两组，例如两组，三组等，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

另外，本申请各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

本申请提供了一种具有高隔离特性的超宽带MIMO天线，如图1至图3所示，在一个实施例中，包括：介质基板、天线单元以及地板。

介质基板是天线的固定和支撑部分。优选地，介质基板为正方形。

天线单元设在介质基板的顶部，数量为多个，以构成MIMO天线；优选地，天线单元的数量为四个，四个天线单元的微带线分别与正方形介质基板的一条边相连，相邻两个天线单元之间的微带线互相垂直；也就是说，四个天线单元旋转正交形成MIMO天线，从而减小了天线单元之间的耦合，使每个天线单元可以独立的工作，隔离度得到很好的提升，互不干扰。天线单元包括：第一辐射贴片、第二辐射贴片以及微带线；第一辐射贴片为正方环形结构，优选地，第一辐射贴片外环设有倒角；第二辐射贴片为四叶草形结构，且第二辐射贴片的外边缘与第一辐射贴片的内环相切；第二辐射贴片是以第一辐射贴片的每个内环边长为直径做圆得到的重叠部分；微带线的两端分别与第一辐射贴片的外环以及介质基板的外边缘相连，以实现微带馈电；优选地，微带线的两端分别与第一辐射贴片的外环以及介质基板的外边缘垂直相连，以实现更好的馈电。

地板设在介质基板的底部，数量为多个，多个地板与多个天线单元一一对应，且地板设在对应天线单元的正下方；优选地，地板为长边大于第一辐射贴片外环边长而短边小于第一辐射贴片外环边长的矩形结构，且矩形结构的一个长边和一个短边分别与介质基板的两个边共线；进一步优选地，地板中央靠近第一辐射贴片的位置设有与对应微带线等宽的第一切槽，第一切槽为正方形，地板上与介质基板不相交的角具有第二切槽，第二切槽为朝向介质基板中心凸出的四分之一圆结构，以使地板形成非对称的结构，减小天线单元之间的耦合影响，改善阻抗匹配，拓展带宽，使带宽大于现有技术中对称结构地板的带宽。

第一切槽与第二切槽构成了缺陷地的设计，改变了地板表面上的电流分布，从而减小了天线端口之间的耦合，获得了带阻特性和慢波特性，延长了天线单元之间的电流路径，相当于增加了天线单元之间的距离，以此来拓展天线的带宽，达到超宽带的特性。

在一个实施例中，天线单元还包括：两个第一连接片和/或两个第二连接片。也就是说，天线单元包括：第一辐射贴片、第二辐射贴片、微带线以及两个第一连接片；或，天线单元包括：第一辐射贴片、第二辐射贴片、微带线以及两个第二连接片；或，天线单元包括：第一辐射贴片、第二辐射贴片、微带线、两个第一连接片以及两个第二连接片。

第一连接片为直角三角形结构，直角三角形结构的两个直角边分别与第一辐射贴片的外环以及微带线的边缘共线；第二连接片为半圆形结构，半圆形结构的直线部分与第一辐射贴片的外环共线；优选地，第一连接片为等腰直角三角形结构。

当天线单元包括两个第一连接片和两个第二连接片时，第一连接片与第二连接片均关于所述微带线呈轴对称分布；第一连接片设在第二连接片以及微带线之间，且第一连接片与第二连接片之间具有间隔。

第一连接片和/或两个第二连接片的设置，能够进一步拓展带宽，提升反射效果和增益，减小损耗，并使得天线的阻抗匹配更好。

在一个实施例中，天线还包括：设在介质基板底面上的去耦贴片；优选地，天线单元和地板的数量均为四个，去耦贴片包括四个去耦枝节，四个去耦枝节分别与四个天线单元一一对应，以与天线单元的微带线垂直且与微带线距离最近的去耦枝节为天线单元的对应去耦枝节；四个去耦枝节的一个对应端均与介质基板的中心相连，四个去耦枝节的另一个对应端分别与介质基板的一个边垂直，使去耦贴片形成十字形结构，以延长耦合电流的路径，减小天线单元之间的相互影响，同时，去耦贴片起到谐振器的作用，能在天线单元激励的时候产生谐振，在介质基板底面产生表面电流，与天线单元耦合电流的方向相反（去耦枝节的极化方向与天线单元的极化方向是一致的，每个去耦枝节的表面电流分别与对应天线单元产生的耦合电流互相抵消），从而提高隔离度，并改善天线单元的阻抗匹配。

优选地，去耦枝节的宽度与第一辐射贴片的宽度相等。

进一步优选地，四个去耦枝节的另一个对应端分别与对应天线单元的第一辐射贴片在竖直方向上具有重叠。

更进一步优选地，去耦枝节的两个长边上设有多个向对边凹陷的正方形凹槽，以形成锯齿形结构，降低高频处的耦合度，减小天线单元之间的互偶程度，提高隔离度。

更进一步优选地，同一去耦枝节上的多个凹槽交错设置，以大大提高天线单元之间的去耦效果，使整个工作频段4GHz-11.4GHz的天线单元隔离度提升了10dB。

在一个具体的实施例中，介质基板、第一切槽以及凹槽均为正方形，介质基板采用FR-4，介电常数为4.3，介质基板厚度为1mm，且天线采用微带馈电结构，输入阻抗为50欧姆，有利于与SMA接口连接。天线的整体尺寸为33×33×1mm³，如图4所示的俯视尺寸图和图5所示的仰视尺寸图，具体地，介质基板的边长S1=33mm，第一辐射贴片的外环边长S2=9mm，第一辐射贴片的内环边长S3=7mm，第一辐射贴片外环倒角的半径R1=1mm，微带线的长L1=8mm，微带线的宽W1=1.2mm，第一连接片的一个直角边长L2=1mm，第一连接片的另一个直角边长W2=1mm，第二连接片的半径R2=0.8mm，地板的长L3=11mm，地板的宽W3=5.5mm，第一切槽的边长W4=1.2mm，第二切槽的半径R4=1mm，去耦枝节的长L5=7mm，去耦枝节的宽W5=1mm，凹槽的边长L6=0.5mm，相邻凹槽的间距L7=1.5mm。

使用电磁全波仿真软件CST对具有高隔离特性的超宽带MIMO天线进行仿真分析和优化，对其结构参数、S₁₁参数、S参数、增益以及辐射方向图进行了研究。

如图6所示的S₁₁参数曲线示意图，S₁₁参数表示回波损耗特性曲线，在4GHz-11.4GHz频段内均在-10dB以上，且在这个频段内有两个中心频率，即8.3GHz和9GHz，且S₁₁最好可达到-50dB，天线匹配性能良好，回波损耗小，辐射性能佳，证明天线实现了超宽带的特性，有利于通信系统的稳定运行。

如图7所示的S参数曲线示意图，S参数包括S₂₁、S₃₁、S₄₁，其中，S₂₁表示第一单元与第二单元之间的隔离度，S₃₁表示第一单元与第三单元之间的隔离度，S₄₁表示第一单元与第四单元之间的隔离度（需要说明，以图2中虚线椭圆框中的天线单元为第一单元，与第一单元逆时针相邻的天线单元为第二单元，与第一单元顺时针相邻的天线单元为第四单元，第二单元与第四单元之间的天线单元为第三单元），可以看出，天线的S₂₁、S₄₁均在-20dB以下，S₃₁在-18dB以下，证明天线的隔离度较好，天线单元之间的相互影响小，每个天线单元可以独立稳定的工作。

如图8所示的增益曲线示意图，可以看到，天线在工作频段4GHz-11.4GHz内增益较好，最大可达到4.3dBi，证明天线在超宽带的频带范围内可以正常的工作。

如图9至图11所示的工作频带内不同频点的E面辐射方向图，其中，图9为6GHz的E面辐射方向图，图10为8GHz的E面辐射方向图，图11为10GHz的E面辐射方向图。可以看出，天线在E面的辐射方向图呈现“8”字形，证明天线呈现全向性，可以接收各个方向的信号。

综上所述，本申请利用介质基板顶部的第一辐射贴片以及第二辐射贴片，延长了天线表面的电流路径，使得天线的回波损耗减小，阻抗匹配特性良好，带宽得到大幅度增加，实现了超宽带特性，且在工作频段内具有两个中心频率，也就是说，实现了双谐振点；而且，在介质基板的底部设置了去耦贴片，从而提高天线的隔离度；天线具有全向性，可以接收来自各个方向的信号，可应用于雷达系统、通信、基站等领域，具有广阔的应用前景。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种具有高隔离特性的超宽带MIMO天线，其特征在于，包括：介质基板以及设在所述介质基板上的多个天线单元，以构成MIMO天线；

所述第一辐射贴片为正方环形结构，所述第二辐射贴片为四叶草形结构，且所述第二辐射贴片的外边缘与所述第一辐射贴片的内环相切，以实现天线的超宽带；所述微带线的两端分别与所述第一辐射贴片的外环以及所述介质基板的外边缘相连；

相邻两个天线单元的微带线之间不平行，以实现具有高隔离特性的超宽带MIMO天线；

所述天线单元还包括：两个第一连接片和两个第二连接片；

2.根据权利要求1所述的具有高隔离特性的超宽带MIMO天线，其特征在于，所述介质基板为正方形，所述天线单元的数量为四个；

3.根据权利要求2所述的具有高隔离特性的超宽带MIMO天线，其特征在于，当所述天线单元包括：两个第一连接片和两个第二连接片时，所述第一连接片与所述第二连接片均关于所述微带线呈轴对称分布；

4.根据权利要求1至3任一项所述的具有高隔离特性的超宽带MIMO天线，其特征在于，还包括：设在所述介质基板底面的多个地板；

5.根据权利要求1至3任一项所述的具有高隔离特性的超宽带MIMO天线，其特征在于，还包括：设在所述介质基板底面上的四个去耦枝节；

6.根据权利要求5所述的具有高隔离特性的超宽带MIMO天线，其特征在于，所述去耦枝节的宽度与所述第一辐射贴片的宽度相等。

7.根据权利要求6所述的具有高隔离特性的超宽带MIMO天线，其特征在于，四个所述去耦枝节的另一个对应端分别与对应所述天线单元的第一辐射贴片在竖直方向上具有重叠。

8.根据权利要求7所述的具有高隔离特性的超宽带MIMO天线，其特征在于，所述去耦枝节的两个长边上设有多个向对边凹陷的凹槽，以形成锯齿形结构。

9.根据权利要求8所述的具有高隔离特性的超宽带MIMO天线，其特征在于，同一去耦枝节上的多个凹槽交替设置。