CN213212379U - 高隔离度三陷波超宽带mimo天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种高隔离度三陷波超宽带MIMO天线，属于无线通信领域。该天线由两个辐射单元构成，采用微带线馈电，通过在辐射单元上开槽以及在金属接地板上添加枝节的方式，实现三陷波功能。辐射单元为类半圆形，实现了方向图分集。同时，在金属接地板上开设类“山”字形槽实现双频解耦，提升了天线的隔离度。本实用新型具有尺寸小、三陷波、隔离度高、易加工等优点。

Description

高隔离度三陷波超宽带MIMO天线

技术领域

本实用新型涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种高隔离度三陷波超宽带 MIMO天线。

背景技术

近年来，随着无线通信技术的不断发展，对电子设备提出更大带宽，更高速率，更加便携等要求。超宽带(Ultra-Wideband，UWB)技术以功耗低、传输速率高、成本低等优势应运而生。UWB天线作为无线通信系统的关键器件，其性能和尺寸对UWB系统整体性能有至关重要的影响，因此，如何在减小天线尺寸的同时保持其良好的性能成为其设计难点。此外，UWB工作频段(3.1 GHz-10.6GHz)覆盖了多种窄带通信频带，如全球微波接入系统(WiMAX3.5 GHz)、无线局域网(WLAN 5.2/5.8GHz)、X波段卫星通信系统(X-band 7/8 GHz)等。为降低上述窄带通信对UWB天线的干扰，人们提出带有陷波特性的 UWB天线，以便在保留UWB技术优势的同时，能抑制窄带通信干扰。为进一步提升UWB天线的抗多径干扰能力，研究人员提出了MIMO(Multi-Input Multi-Output，多输入多输出)的UWB天线。实验表明，UWB-MIMO天线不需要增加额外频谱便能有效提高信道容量和通信质量。因此，该技术成为现阶段短距离高速通信技术的研究热点之一。然而，MIMO天线有多个辐射单元，难以实现天线尺寸小型化，同时，在有限的空间内实现高隔离度成为设计难点。

当前UWB-MIMO天线设计中，常用的提高辐射单元间隔离度的方法有正交布局法、增加解耦贴片法，缺陷地法、增加解耦枝节法，频率选择表面法等。这些方法能够有效提升MIMO天线隔离度，但是，三陷波、小型化、高隔离度、易加工等性能同时实现的UWB-MIMO天线却鲜有报道。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种具有高隔离度、能够实现三陷波且小型化的高隔离度三陷波超宽带MIMO天线。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：

一种高隔离度三陷波超宽带MIMO天线，其包括介质基板、金属接地板和两个辐射单元，介质基板为矩形；

辐射单元为由半圆形与矩形合并形成的类半圆形状，辐射单元的矩形长边与其半圆形的直径边重合，两个辐射单元对称分布在介质基板上表面，辐射单元的矩形长边下面连接有微带馈线，微带馈线的内侧边与辐射单元的内侧边相齐平，辐射单元上设有第一倒L形槽和第二倒L形槽，第一倒L形槽和第二倒 L形槽并行排列，且第一倒L形槽和第二倒L形槽的总长度不相等、槽宽度相等；

金属接地板为矩形，金属接地板分布在介质基板下表面，金属接地板的中间位置延伸出一个T形枝节，金属接地板中间开有类“山”字形槽，且类“山”字形槽由一个开口谐振环和一个细长矩形槽组成，开口谐振环的开口向上，开口两侧均向下弯折，细长矩形槽从开口谐振环底部开始向上延伸并穿过开口谐振环的开口；金属接地板与T形枝节相交位置的左右拐角边缘设有两条轴对称分布的L形槽，且两条L形槽分别分布在类“山”字形槽的左右两侧；

T形枝节两侧延伸出两条中上部带有“弓”字形弯折的金属枝节，两条金属枝节关于中心线轴对称。

可选地，所述介质基板采用双面覆铜箔的FR4介质基板，介电常数为4.4、损耗角正切为0.02，尺寸为22mm×29mm×0.8mm。

可选地，所述开口谐振环的长度为15.8mm，开口谐振环的一半与细长矩形槽的长度之和为19.9mm，金属枝节的长度为15mm，第一倒L形槽的长度为 8.9mm，第二倒L形槽的长度为6.5mm。

本实用新型的有益效果是：

(1)MIMO辐射单元之间有较高隔离度。

本实用新型主要通过在金属接地板加T形枝节和刻蚀类“山”字形槽，使工作频段内的隔离度大幅提升。T形枝节一方面可以改善天线低频段的阻抗匹配，另一方面可以抑制两辐射单元之间的耦合；进一步地，在金属接地板上刻蚀类“山”字形槽，类“山”字形槽下部的开口谐振环长度(15.8mm)约为6.5GHz 频点所对应波长的1/2倍(14.04mm)，开口谐振环的一半与细长矩形槽构成“J”形，其长度(19.9mm)大约为4.9GHz频点所对应波长的1/2倍(18.6mm)，该类“山”字形槽在6.5GHz和4.9GHz两个频点处产生谐振，将激励端口到非激励端口的感应电流变为槽处的内部谐振，有效阻断耦合路径，使该两频点处的隔离度分别提升至-30dB和-35dB，有效实现了双频解耦。基于以上两种设计，天线实现了高隔离特性，仿真结果显示，天线在工作频带处的隔离度均低于-20 dB。

(2)天线结构小型化。

本实用新型通过将圆形贴片对称切割得到半圆，再与矩形结合形成辐射单元，并对辐射单元进行偏心馈电，这样既保持了工作频带内的阻抗匹配，又通过对称切割减小了天线尺寸。该天线尺寸小于现阶段大多数性能相近的同类型天线尺寸。本实用新型结构简单易加工，可用于短距离高速无线通信系统中的小型终端设备。

(3)天线具有三陷波特性。

本实用新型通过开槽和添加枝节的方式使天线呈现了三陷波特性。金属接地板延伸出来的带有“弓”字形弯折的金属枝节提供WiMAX陷波频段(3.5 GHz)，其枝节长度(15mm)约为3.5GHz频点所对应波长的1/4(13.04mm)，该金属枝节使天线在3.5GHz处阻抗呈现明显感性，出现阻抗不匹配，产生带阻效应；辐射单元上第一倒L形槽长度(8.9mm)约为5.5GHz频点对应波长的1/4 (8.3mm)，第二倒L形槽长度(6.5mm)约为7.5GHz频点对应波长的1/4(6.1mm)，二者分别产生WLAN陷波频段(5.2GHz，5.8GHz)和X波段陷波 (7/8GHz)。仿真结果显示，三陷波的|S₁₁|均大于-5dB，可有效抑制上述频段的窄带通信对UWB-MIMO的干扰。

(4)天线具有方向图分集特性。

本实用新型中辐射单元为半圆与矩形结合而成，为非对称结构，其两个激励端口分别激励时的E面辐射方向图相互对称，具有方向图分集的特性。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型的回波损耗和两端口间隔离度曲线图。

图3是本实用新型的辐射方向图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本实用新型作进一步地详细描述。

如图1所示，本实施例中的高隔离度三陷波超宽带MIMO天线，其包括介质基板1、金属接地板2和两个辐射单元3，介质基板1为矩形；

辐射单元3为由半圆形与矩形合并形成的类半圆形状，辐射单元3的矩形长边与其半圆形的直径边重合，两个辐射单元3对称分布在介质基板1上表面，辐射单元3的矩形长边下面连接有微带馈线5，微带馈线5的内侧边与辐射单元 3的内侧边相齐平，辐射单元3上设有第一倒L形槽10和第二倒L形槽4，第一倒L形槽10和第二倒L形槽4并行排列，且第一倒L形槽10和第二倒L形槽4的总长度不相等、槽宽度相等；

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，金属接地板2的中间位置延伸出一个T形枝节6，金属接地板2中间开有类“山”字形槽 7，且类“山”字形槽7由一个开口谐振环和一个细长矩形槽组成，开口谐振环的开口向上，开口两侧均向下弯折，细长矩形槽从开口谐振环底部开始向上延伸并穿过开口谐振环的开口；金属接地板2与T形枝节6相交位置的左右拐角边缘设有两条轴对称分布的L形槽8，且两条L形槽8分别分布在类“山”字形槽7的左右两侧；

T形枝节6两侧延伸出两条中上部带有“弓”字形弯折的金属枝节9，两条金属枝节9关于中心线轴对称。

图1中，port1和port2分别表示第1天线端口和第2天线端口。

可选地，所述介质基板1采用双面覆铜箔的FR4介质基板，介电常数为4.4、损耗角正切为0.02，尺寸为22mm×29mm×0.8mm。

可选地，所述开口谐振环的长度为15.8mm，开口谐振环的一半与细长矩形槽的长度之和为19.9mm，金属枝节9的长度为15mm，第一倒L形槽10的长度为8.9mm，第二倒L形槽4的长度为6.5mm。

本实用新型中，辐射单元3采用半圆形与矩形的结合，并对天线进行微带馈线5偏心馈电，可增加电流流经路径，拓展工作带宽。两个辐射单元3之间的T形枝节6既可以通过增加电长度拓展低频带宽，同时可以抑制两辐射单元之间的耦合效应。在金属接地板2上刻蚀的类“山”字形槽7使激励端口到非激励端口的耦合电流变为槽处的内部谐振，大幅减少未激励辐射单元上的耦合能量，并在4.9GHz和6.5GHz两个频段明显增加天线的隔离度。金属接地板2 上的两条L形槽8，可以调节10GHz处的阻抗匹配，使|S₁₁|<-10dB。第一倒L 形槽10、第二倒L形槽4和带有“弓”字形弯折的金属枝节9，形成了WiMAX (3.21-4.08GHz)、WLAN(5.09-6GHz)和X波段(7.17-7.94GHz)三段陷波。

参见图2，其中曲线是|S₁₁|和|S₂₁|参数仿真曲线，可以看出，本实用新型中天线的-10dB回波损耗频带为3.03-11.6GHz，同时在3.21-4.08GHz、5.09-6GHz和 7.17-7.94GHz三个频段的|S₁₁|>-5dB，实现WiMAX、WLAN和X波段三种窄带无线通信频段的陷波。在天线工作频段，隔离度均小于-20dB，由于类“山”字形槽7的影响，在4.9GHz和6.5GHz处，|S₂₁|分别达到-30dB和-35dB。

参见图3，图3中给出了天线分别在5GHz、7GHz和9GHz处的单端口激励下的E面和H面仿真辐射方向图。可以看出，port1和port2分别激励时的E面辐射方向图相互对称，表明天线具有方向图分集特性。

本实用新型结构紧凑，具有三陷波特性，且两个辐射单元间的隔离度较高，具有方向图分集的特点。该天线由两个辐射单元构成，采用微带线馈电，通过在辐射单元上开槽以及在金属接地板上添加枝节的方式，实现三陷波功能。辐射单元为类半圆形，实现了方向图分集。同时，在金属接地板上开设类“山”字形槽实现双频解耦，提升了天线的隔离度。本实用新型具有尺寸小、三陷波、隔离度高、易加工等优点。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本实用新型的原理而采用的示例性实施方式，然而本实用新型并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本实用新型的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本实用新型的保护范围。

Claims (3)

1.一种高隔离度三陷波超宽带MIMO天线，其特征在于，包括介质基板(1)、金属接地板(2)和两个辐射单元(3)，介质基板(1)为矩形；

辐射单元(3)为由半圆形与矩形合并形成的类半圆形状，辐射单元(3)的矩形长边与其半圆形的直径边重合，两个辐射单元(3)对称分布在介质基板(1)上表面，辐射单元(3)的矩形长边下面连接有微带馈线(5)，微带馈线(5)的内侧边与辐射单元(3)的内侧边相齐平，辐射单元(3)上设有第一倒L形槽(10)和第二倒L形槽(4)，第一倒L形槽(10)和第二倒L形槽(4)并行排列，且第一倒L形槽(10)和第二倒L形槽(4)的总长度不相等、槽宽度相等；

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，金属接地板(2)的中间位置延伸出一个T形枝节(6)，金属接地板(2)中间开有类“山”字形槽(7)，且类“山”字形槽(7)由一个开口谐振环和一个细长矩形槽组成，开口谐振环的开口向上，开口两侧均向下弯折，细长矩形槽从开口谐振环底部开始向上延伸并穿过开口谐振环的开口；金属接地板(2)与T形枝节(6)相交位置的左右拐角边缘设有两条轴对称分布的L形槽(8)，且两条L形槽(8)分别分布在类“山”字形槽(7)的左右两侧；

T形枝节(6)两侧延伸出两条中上部带有“弓”字形弯折的金属枝节(9)，两条金属枝节(9)关于中心线轴对称。

2.根据权利要求1所述的高隔离度三陷波超宽带MIMO天线，其特征在于，所述介质基板(1)采用双面覆铜箔的FR4介质基板，介电常数为4.4、损耗角正切为0.02，尺寸为22mm×29mm×0.8mm。

3.根据权利要求1或2所述的高隔离度三陷波超宽带MIMO天线，其特征在于，所述开口谐振环的长度为15.8mm，开口谐振环的一半与细长矩形槽的长度之和为19.9mm，金属枝节(9)的长度为15mm，第一倒L形槽(10)的长度为8.9mm，第二倒L形槽(4)的长度为6.5mm。

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