CN206364183U - 一种小型高隔离度单陷波uwb‑mimo天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种小型高隔离度单陷波UWB‑MIMO天线，包括正方形的介质板(1)和组合圆形微带馈线(2)，两个所述组合圆形微带馈线(2)位于所述介质板(1)的正面且由圆盘(21)和矩形微带线(22)相互连接组成，两个所述矩形微带线(22)分别与所述介质板(1)相邻的第一边线(11)和第二边线(12)垂直相连，所述介质板(1)的反面设置有圆形辐射缝隙(4)，所述圆形辐射缝隙(4)分别与所述第一边线(11)和第二边线(12)连有槽孔(41)。本实用新型公开了小型高隔离度单陷波UWB‑MIMO天线，尺寸大大缩小、能够实现单陷波功能且去耦方式简单有效、效果独特。

Description

一种小型高隔离度单陷波UWB-MIMO天线

技术领域

本实用新型属于超宽带(UltraWideband,UWB)和多输入多输出(Multiple-InputMultipe-Output，MIMO)天线技术领域，具体涉及一种小型高隔离度单陷波UWB-MIMO天线，其工作于3.1-10.6GHz。

背景技术

二十一世纪是数字化、信息化的时代。信息及时传递、快速交换、有效传输已经成为我们日常生活和工作不可获取的一部分。随着各种无线通信业务推陈出新和宽带数据业务的不断发展，人们对数据传输的高速率及有效性提出了更为苛刻的要求。各种通信服务交错并行，对无线资源的占用和竞争，使得原本稀缺的频谱资源更加紧张，如何更高效地利用这些有限的通信资源成为无线通信亟待解决同题之一。研究表明，MIMO技术充分开发了空间资源，利用多个天线实现多发多收，在有限的频普资源上和固定的发射功率下，可以实现高速率和大容量的数据传输率，是増加无线通信系统频谱效率非常有效的一种方法。MIMO系统还可以通过分集增益来大幅度提高无线通信系统的可靠性和稳定性。MIMO技术己经被视为第五代移动通信技术的重要组成部分而备受关注。

天线作为无线通信设备中的基本器件，它将导行电磁波与自由空间波进行互相转换,以电磁波作为信息的载体，在不同地域之间实现无线传输。它是任何无线电设备都不可或缺的基本组成部分。对于手持设备来说，将多个天线集成在小空间中，会引起很大的互耦，这就造成天线单元间的相关性很大，天线的分集性能就随之下降，无法达到信道容量与MIMO天线系统的天线数目成线性比例增量。如何在保证小天线尺寸、高性能的前提下，减小天线单元间的耦合是MIMO天线设计的难点。

目前，去耦合的方式主要有两大类，一类为空间去耦，包括增加寄生结构、缺陷地结构等；另一类为地板表面波去耦，包括网络去耦、中和线法、超材料法和电磁带隙EBG等。现如今大部分UWB-MIMO天线的带宽都比较窄、而且天线的尺寸比较大，想要达到陷波的功能难度很大，这样就会无法避免与通信系统WALN-5G频段(5.15-5.35GHz，5.46-5.72GHz，5.725-5.825GHz)的相互干扰，因此，尺寸小、良好辐射效率、全向辐射、高隔离和单陷波(5.1-5.9GHz)的UWB-MIMO天线值得我们去深入研究。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种相比于其他对称的双辐射体结构的天线，尺寸大大缩小的小型高隔离度单陷波UWB-MIMO天线；进一步地，本实用新型提供一种能够实现单陷波功能的小型高隔离度单陷波UWB-MIMO天线；更进一步，本实用新型提供一种去耦方式简单有效、效果独特的小型高隔离度单陷波UWB-MIMO天线。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：

一种小型高隔离度单陷波UWB-MIMO天线，包括正方形的介质板和组合圆形微带馈线，两个所述组合圆形微带馈线位于所述介质板的正面且由圆盘和矩形微带线相互连接组成，两个所述矩形微带线分别与所述介质板相邻的第一边线和第二边线垂直相连，所述介质板的反面设置有圆形辐射缝隙，所述圆形辐射缝隙分别与所述第一边线和第二边线连有槽孔，两个所述槽孔分别与所述第一边线和第二边线垂直，所述槽孔的宽度与矩形微带线的宽度相同，所述矩形微带线的位置相对于所述槽孔要远离所述第一边线和第二边线形成的边角。

所述圆形辐射缝隙内设置有爪型枝节，所述爪型枝节的末端与所述介质板相连，所述爪型枝节包括主枝节、第一分枝节和第二分支节，所述主枝节平分边角，所述第一分枝节和第二分支节位于所述主枝节的两侧且均与所述主枝节呈45度夹角。

两个所述圆盘上还开设有U型槽孔，两个所述U型槽孔的开口方向朝向所述圆盘与矩形微带线的连接端。

所述介质板的材质包括FR4环氧板。

所述U型槽孔的总长度与陷波中心频率的半波长相等。

所述组合圆形微带馈线的厚度包括35μm或者17μm。

本实用新型的有益效果：本实用新型提供的一种小型高隔离度单陷波UWB-MIMO天线，根据巴俾涅原理以及圆盘单极子到平面微带圆形单极子的等效计算公式，我们获得宽带天线的低频率，组合圆形微带馈线与槽孔的耦合提高了电流沿着背面流经的路径，从而降低天线工作频率，拓展带宽，能够大大缩小天线的尺寸；所述圆盘上还开设有U型槽孔，相当于多枝节的谐振滤波器，束缚了特定频段的电流，实现了天线的单陷波功能；所述圆形辐射缝隙内连有爪型枝节，一方面在中间枝节获得反方向的电流，实现空间电磁场的抵消，另一方面，两边的分枝节将耦合的电流引向了馈电的一端，大大降低了端口隔离度，去耦方式简单有效、效果独特。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型的主视图。

图3为本实用新型的后视图。

图4为圆盘未设有U型槽孔和开设U型槽孔时，端口反射系数和隔离度对比图。

图5为U型槽孔槽长l4对天线端口反射系数的影响。

图6为U型槽孔槽长w4对天线端口反射系数的影响。

图7为U型槽孔槽长gs对天线端口反射系数的影响。

图8为圆盘未设有U型槽孔情况下，无枝节、加入主枝节和加入完整爪型枝节下端口隔离度对比图。

图9为最终优化后天线的端口反射系数和端口隔离度。

图10为最终优化后天线的端口峰值增益和辐射效率。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

如图1到图3所示，一种小型高隔离度单陷波UWB-MIMO天线，包括正方形的介质板1和组合圆形微带馈线2，两个所述组合圆形微带馈线2位于所述介质板1的正面且由圆盘21和矩形微带线22相互连接组成，两个所述矩形微带线22分别与所述介质板1相邻的第一边线11和第二边线12垂直相连，所述介质板1的反面设置有圆形辐射缝隙4，所述圆形辐射缝隙4分别与所述第一边线11和第二边线12连有槽孔41，两个所述槽孔41分别与所述第一边线11和第二边线12垂直，所述槽孔41的宽度与矩形微带线22的宽度相同，所述矩形微带线22的位置相对于所述槽孔41要远离所述第一边线11和第二边线12形成的边角13。

根据巴俾涅原理，我们可以用互补天线——圆盘单极子天线来分析该圆形辐射缝隙天线，利用公式来得到取得最低频点f_l时，圆形辐射缝隙的半径R，其中，L是圆盘的高度(相当于2R)，r是圆柱的等效半径，且它们满足2πrL＝πR²。调整圆形辐射缝隙的半径R，该结构可以获得需要的低频段。在这里，我们直接将组合圆形微带馈线放置在介质板的正上方，当其中组合圆形微带馈线端口馈电时，通过槽孔耦合到缝隙天线的外围，这种组合结构大大提高了电流沿着背面流经的路径，从而降低天线工作频率，拓展了天线的带宽，有利于实现天线的小型化，而且两个组合圆形微带馈线的馈电端口在空间上相互垂直，这种极化分集的方式大大降低了两端口的耦合，获得了较低的端口隔离度。

图4为圆盘21未设有U型槽孔211和开设U型槽孔211时，端口反射系数(用S11表示，下同)和端口隔离度(用S12表示，下同)对比图。如图1和图2所示，两个U型槽孔的开口分别朝向所述圆盘21与矩形微带线22的连接端。在圆盘21上开设U型槽孔，相当于多枝节的谐振滤波器，调整U型槽孔的长度，由开口谐振环理论知U型槽孔的总长度设置为陷波中心频率的半波长，使得WLAN-5G频段(5.1-5.9GHz)的激励电流束缚在U型槽孔间，阻止了电流向圆形辐射缝隙流动，从而实现了天线单陷波的功能。

为了整体设计的便捷性，对陷波结构和去耦结构进行简单的分析，从图4我们可以看出来进行陷波结构的设计对端口隔离度几乎没有什么影响，所以，整体设计方案采用先陷波后去耦的方式。为了获得单陷波的功能，根据平面滤波器的构造原理，我们在圆盘进行开槽，为了便于我们调节陷波的带宽和位置，我们这里将U型槽孔槽长标记为l4、槽宽标记为w4以及槽缝宽度标记为gs。如图5到图7所示，陷波频率左右端点同时随着l4和w4的增大而增大，随着gs的增大而减小，且它们的变化对端口隔离度几乎没有影响。那么，这样我们先给一定值的l4、w4和gs，在设计完去耦网络之后我们可以重新返回，根据图5到图7所得的变化规律微调三个变量的值，从而获得最佳的驻波和端口隔离度。为了获得更好的陷波效果，这里我们将频带做了稍许的扩展，覆盖了5.1-5.9GHz。

所述圆形辐射缝隙内还连有爪型枝节3，所述爪型枝节包括主枝节31，第一分枝节32和第二分支节33，所述主枝节31与所述边线11和边线12分别呈45度夹角，所述第一分枝节32和第二分支节33位于所述主枝节31的两侧且均与所述主枝节31呈45度夹角。第一分枝节32垂直于边线11，第二分枝节33垂直于边线12。

为了获得更低的端口隔离度，分析表面电流，我们还在两个组合圆形微带馈线2中间加入了一般的去耦主枝节31，发现在此枝节的两侧获得了两条反方向的电流回路，使得空间电磁场相互抵消，耦合强度较无枝节的情况有较大的改善，具体效果见图8。但是低频的端口隔离度有上升的趋势，且中间有两份带宽内的端口隔离度小18dB。再次分析整个天线的表面电流，我们发现通过中间枝节流向接50欧姆匹配负载端口的电流较明显。当加入第一分枝节32和第二分支节33时(也就是是形成完整的爪形枝节3)，更多的强电流通过第一分枝节32流向馈电端口，更少的弱电流通过二分支节33流向匹配负载端口，端口隔离度相比于只加入主枝节的情况又有了很大的改善。

本专利设计的参数是在一定的理论分析计算的基础上得到的，在上述设计方案的基础上最终通过优化两个组合圆形微带馈线距离中心轴线的距离、馈电圆盘的半径R获得如图9所示的端口反射系数和端口隔离度。实验表明天线性能良好，天线工作于3.1-11GHz，整个天线端口的隔离度大于20dB。如图10所示，整个工作频带内峰值增益从1dB逐步增长到5.3dB，在陷波宽带内有回落的趋势，辐射效率除了陷波带宽以外保持在98％左右。

所述介质板1的材质可以优选为FR4环氧板，在一定程度上可以降低天线的成本。

所述组合圆形微带馈线2的厚度包括35μm或者17μm，优选为35μm。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种小型高隔离度单陷波UWB-MIMO天线，其特征在于：包括正方形的介质板(1)和组合圆形微带馈线(2)，两个所述组合圆形微带馈线(2)位于所述介质板(1)的正面且由圆盘(21)和矩形微带线(22)相互连接组成，两个所述矩形微带线(22)分别与所述介质板(1)相邻的第一边线(11)和第二边线(12)垂直相连，所述介质板(1)的反面设置有圆形辐射缝隙(4)，所述圆形辐射缝隙(4)分别与所述第一边线(11)和第二边线(12)连有槽孔(41)，两个所述槽孔(41)分别与所述第一边线(11)和第二边线(12)垂直，所述槽孔(41)的宽度与矩形微带线(22)的宽度相同，所述矩形微带线(22)的位置相对于所述槽孔(41)要远离所述第一边线(11)和第二边线(12)形成的边角(13)。

2.根据权利要求1所述的一种小型高隔离度单陷波UWB-MIMO天线，其特征在于：所述圆形辐射缝隙(4)内设置有爪型枝节(3)，所述爪型枝节(3)的末端与所述介质板(1)相连，所述爪型枝节(3)包括主枝节(31)、第一分枝节(32)和第二分支节(33)，所述主枝节(31)平分边角(13)，所述第一分枝节(32)和第二分支节(33)位于所述主枝节(31)的两侧且均与所述主枝节(31)呈45度夹角。

3.根据权利要求1所述的一种小型高隔离度单陷波UWB-MIMO天线，其特征在于：所述圆盘(21)上还开设有U型槽孔(211)，所述U型槽孔(211)的开口方向朝向所述圆盘(21)与矩形微带线(22)的连接端。

4.根据权利要求1所述的一种小型高隔离度单陷波UWB-MIMO天线，其特征在于：所述介质板(1)的材质包括FR4环氧板。

5.根据权利要求3所述的一种小型高隔离度单陷波UWB-MIMO天线，其特征在于：所述U型槽孔(211)的总长度与陷波中心频率的半波长相等。

6.根据权利要求1所述的一种小型高隔离度单陷波UWB-MIMO天线，其特征在于：所述组合圆形微带馈线(2)的厚度包括35μm或者17μm。