一種基於單個輻射體的緊湊型單層平面結構三極化MIMO天線的製作方法

2023-06-08 11:26:36 2

本發明涉及一種基於單個輻射體的緊湊型單層平面結構三極化mimo天線，屬於通信技術的天線領域。

背景技術：

眾所周知，電磁場是一個矢量場，因此，為了更充分的利用其矢量特性，需要開發能夠同時對其多個極化狀態產生響應的矢量天線或稱為多極化天線。這種天線可以更充分地利用電磁場的矢量信息，在通信、定位、導航、目標識別和成像等系統中都具有重要的應用前景。在無線通信系統中，通過多輸入多輸出(multiple-inputmultiple-output，mimo)技術，在發射端和接收端同時採用多個天線，結合空時信號處理技術，能成倍地提高通信系統的頻譜效率和信道容量，因此mimo技術已成為802.11n，802.16，lte和5g等無線通信系統中的核心技術。在傳統的基於單極化天線的mimo系統中，為了獲得足夠大的空間自由度，要求發射陣和接收陣中天線單元的間距都要足夠大。如果採用單極化的天線陣，在多徑豐富的環境中所需的最小陣元間距為半個波長，而在多徑稀疏的環境中可能要達到5-10個波長。由於基站和移動用戶端的空間尺寸都很有限，因此單極化的mimo系統在實際應用中會受到很大限制，而基於多極化天線的mimo系統可以很好地解決這個問題。

在電磁場中，對於空間中的任一點，都存在最多3個正交的電場分量和3個正交的磁場分量，理論研究表明，在散射豐富的信道中，採用共點正交的矢量天線所構成的mimo系統，可以獲得的自由度最多為6。因此，多極化天線可以由多種具有電偶極子輻射特性和磁偶極子輻射特性的天線的組合來實現。由於實現共點正交、低耦合、緊湊型的多極化天線比較困難，現有的二極化和三極化等多極化天線多採用輻射單元分別設計的電偶極子和磁偶極子，通過立體結構或多層結構來實現。比如，在申請201380002320.4中，通過多層結構實現了一種三極化天線，利用矩形貼片實現水平方向的二個極化，然後利用短路邊界條件，將一根同軸線從貼片中心穿過加載一個單獨的圓盤實現了垂直方向的極化。在申請201610064872.3中，提出了一種具有空間和極化分集的三極化天線，但這種天線是一種較為複雜的立體結構。由於在這些通過多層或立體結構所實現的多極化天線設計中，天線的橫向和縱向尺寸都比較大，不利於集成和在可攜式設備中的應用，而隨著物聯網技術，密集蜂窩網技術和大規模mimo天線陣等技術的發展，對天線的設計都提出了緊湊型、小型化和便攜化等要求。

技術實現要素：

為了克服現有技術的不足，本發明中利用極化分集原理，提出了一種基於單個輻射體的緊湊型單層平面結構三極化mimo天線，這三個極化輻射模式是具有正交方向圖的兩個等效磁偶極子和一個等效電偶極子。

一種基於單個輻射體的緊湊型單層平面結構三極化mimo天線，利用同一個輻射體即貼片天線，在金屬貼片不同的位置激勵，實現在同一個輻射體上獲得同一個諧振頻率下的三個相互正交的輻射模式；這三個輻射模式是具有正交方向圖的兩個磁偶極子和一個電偶極子，可以獲得二個相互正交的水平極化的電場和一個垂直極化的電場，構成一個三極化天線；為了使三個極化的天線工作在相同頻帶，在金屬貼片與接地金屬板之間添加了一定數量的金屬過孔，使垂直電場極化模式的諧振頻率降低，同時使水平電場極化模式的諧振頻率提高，使其達到工作在相同頻帶的效果。

在第一埠和第二埠利用同軸線饋電激勵起微帶貼片天線的兩個正交極化模式，tm10和tm01，輻射特性等效為兩個沿水平方向正交放置的磁偶極子；第三個埠同樣利用同軸線饋電，通過添加金屬過孔實現同一頻段下的類似單極子天線輻射模式，即單極子貼片天線的tm02模式，輻射特性等效為一個沿豎直方向放置的電偶極子。

第一埠和第二埠分別饋電時，貼片上的電場方向平行於地板並且相互正交；第三埠饋電時，電場方向垂直於地板。

天線包括一個接地金屬板、一個介質基板、一個輻射金屬貼片、數個金屬過孔、三個同軸線饋電埠，結構簡單；輻射金屬貼片可以是圓形、方形或其他，三個埠的饋電方式也可以採用口徑耦合饋電、微帶線饋電或其他饋電結構實現。

本發明的優點是：

本發明是首次提出了一種基於單個輻射體的緊湊型單層平面結構三極化mimo天線，天線結構包括一個接地金屬板，一塊介質基板，一個金屬貼片，數個金屬過孔以及三個同軸饋電埠。利用同一個輻射體，通過不同的激勵點位置獲得兩個正交的水平極化電場和一個與前兩者正交的垂直極化電場分量，實現三個共點正交且具有正交方向圖的三極化天線，三個極化工作於同一個頻段，諧振頻率重合，天線結構為單層平面結構，結構簡單緊湊，易於加工和實現。

本發明中，通過添加金屬過孔改變金屬貼片與地板之間的等效電容和等效電感，從而使垂直極化的單極子天線的諧振頻率降低，並使水平極化微帶天線的諧振頻率提高，可以使垂直極化模式工作在與第一埠第二埠所激勵出的二個水平極化模式相同的頻段。

利用同一個金屬貼片結構作為輻射體，通過添加一定數量的金屬過孔連接金屬貼片與接地金屬板，利用空腔模式理論，在金屬貼片不同的位置激勵，實現通過同一個輻射體獲得同一個諧振頻率下的三個相互正交的輻射模式。這三個輻射模式具有正交方向圖。在第一水平極化埠10利用同軸線饋電，其輻射特性可以等效為沿x方向放置的磁偶極子，貼片天線將工作於tm10模。在第二水平極化埠12同樣利用同軸線饋電時，其輻射特性可以等效為一個沿y方向放置的磁偶極子，貼片天線將工作於tm01模。在貼片中心饋電的第三埠11激勵產生沿z軸的豎直極化電磁波，它是基於加入短路金屬過孔的貼片天線，同樣利用空腔模式理論，它的輻射方向圖類似單極子天線，這相當於一個沿z軸豎直放置的電偶極子。這種結構的天線可以獲得在同一頻段工作的三個相互正交的電場分量。

附圖說明

當結合附圖考慮時，通過參照下面的詳細描述，能夠更完整更透徹地理解本發明以及容易得知其中許多伴隨的優點，但此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本發明的一部分，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定，如圖其中：

圖1為本發明一種基於單個輻射體的緊湊型單層平面結構三極化mimo天線的俯視圖。

圖2為圖1的側視圖。

圖3為本發明實施例中的三極化天線的回波損耗即電路參數s仿真結果。

圖4(a)、是本發明實施例中的三極化天線第一饋電埠10激勵時的xz面和yz面輻射方向圖之一。

圖4(b)是本發明實施例中的三極化天線第一饋電埠10激勵時的xz面和yz面輻射方向圖之二。

圖5(a)、本發明實施例中的三極化天線第二饋電埠12激勵時xz面和yz面輻射方向圖之一。

圖5(b)是本發明實施例中的三極化天線第二饋電埠12激勵時xz面和yz面輻射方向圖之二。

圖6(a)、是本發明實施例中的三極化天線第三饋電埠11激勵時xz面和yz面輻射方向圖之一。

圖6(b)是本發明實施例中的三極化天線第三饋電埠11激勵時xz面和yz面輻射方向圖之二。

具體實施方式

顯然，本領域技術人員基於本發明的宗旨所做的許多修改和變化屬於本發明的保護範圍。

本技術領域技術人員可以理解，除非特意聲明，這裡使用的單數形式「一」、「一個」、「所述」和「該」也可包括複數形式。應該進一步理解的是，本說明書中使用的措辭「包括」是指存在所述特徵、整數、步驟、操作、元件和/或組件，但是並不排除存在或添加一個或多個其他特徵、整數、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組。應該理解，當稱元件、組件被「連接」到另一元件、組件時，它可以直接連接到其他元件或者組件，或者也可以存在中間元件或者組件。這裡使用的措辭「和/或」包括一個或更多個相關聯的列出項的任一單元和全部組合。

本技術領域技術人員可以理解，除非另外定義，這裡使用的所有術語(包括技術術語和科學術語)具有與本發明所屬領域中的普通技術人員的一般理解相同的意義。

實施例1：一種基於單個輻射體的緊湊型單層平面結構三極化mimo天線，由金屬貼片、介質基板、金屬地板和數個穿過介質基板連接金屬地板和金屬貼片的金屬過孔構成。

根據空腔模式理論，在金屬貼片不同的位置激勵，實現由方向圖正交的兩個等效磁偶極子和一個等效電偶極子構成的三極化天線，該天線形成了同一工作頻段下的三個正交極化的輻射模式。

在第一水平極化埠和第二水平極化埠利用同軸線饋電時，根據邊界條件用模展開法求解內場，天線輻射場由空腔四周縫隙的等效磁流的輻射得出，可以獲得二個正交的水平方向電場，極化模式為tm10和tm01，相互正交。

第三個埠同樣利用同軸線饋電，激勵出垂直方向的電場，類似單極子天線輻射特性，工作於單極子貼片天線的tm02模式，三個模式工作在相同的頻段，從而獲得了一個三極化天線。本發明中，通過添加金屬過孔，調整金屬過孔的距離和個數，改變了金屬貼片與地板之間的等效電容和等效電感，從而使垂直極化的單極子天線的諧振頻率降低，同時使水平極化微帶貼片天線的諧振頻率提高，通過優化可以使三個極化工作在相同的頻段。

實施例2：一種基於單個輻射體的緊湊型單層平面結構三極化mimo天線，介質基板採用介電常數為4.4的環氧樹脂板fr4，饋電埠採用特性阻抗為50ω的同軸線饋電，一種基於單個輻射體的緊湊型單層平面結構三極化mimo天線的結構見圖1和圖2。

參閱圖1、圖2，一種基於單個輻射體的緊湊型單層平面結構三極化mimo天線，一種基於單個輻射體的緊湊型單層平面結構三極化mimo天線，由一個接地金屬板1和一塊同樣面積大小的介質基板2、一個圓形金屬貼片3和12個穿過介質基板連接接地金屬板和圓形金屬貼片的金屬過孔4，以及三個同軸線饋電結構的第一饋電埠10、第三饋電埠11和第二饋電埠12構成；

接地金屬板1的一面連接介質基板2，介質基板2的一面連接圓形金屬貼片3，金屬過孔4貫穿於接地金屬板1、介質基板2和圓形金屬貼片3，金屬過孔4均勻分布在圓形金屬貼片3的端面，金屬過孔4有12個；第一饋電埠10、第三饋電埠11和第二饋電埠12貫穿於接地金屬板1、介質基板2和圓形金屬貼片3，第三饋電埠11位於圓形金屬貼片3的中心，第一饋電埠10、第二饋電埠12分布位於圓形金屬貼片3的邊沿，第一饋電埠10、第二饋電埠12以圓形金屬貼片3為中心相離90度。

12個金屬過孔4圍繞中心對稱在端面上放置，每個金屬過孔4間夾角為30度，每個金屬過孔4距離貼片中心的距離是相等的，並且所有金屬過孔4的半徑均相同。

第一饋電埠10和第二饋電埠12被激勵時，其輻射等效為兩個正交的磁偶極子天線，可以獲得沿著y和x方向極化的二個電場，第三饋電埠11激勵時，其輻射等效為一個電偶極子，可以獲得沿z方向極化的第三個電場。

其中12個金屬過孔圍繞z軸對稱在xy面上放置，每個過孔間夾角為30度，每個過孔距離貼片中心的距離是相等的，並且所有金屬過孔的半徑均相同。金屬過孔的高度是介質基板的厚度。

第一水平極化埠10饋電時其輻射特性為等效為沿水平方向x軸放置的磁偶極子，輻射出沿y軸極化的電場。第二垂直極化埠12饋電時，相當於一個沿y軸放置的磁偶極子，輻射出沿著x軸極化的電場。在貼片中心饋電的第三埠11激勵產生沿z軸的豎直極化電磁波，相當於一個沿z軸放置的電偶極子。

圖3所示的基於貼片的緊湊型單層平面結構的三極化mimo天線的回波損耗的仿真結果，三個極化的諧振頻段重合，中間貼片單極子天線的帶寬為3.74-3.98ghz(240mhz),兩個微帶天線的帶寬為3.84-3.96ghz(120mhz)。

圖4(a)、圖4(b)和圖5(a)、圖5(b)分別為基於貼片的緊湊型單層平面結構的三極化mimo天線第一饋電埠10激勵和第二饋電埠12激勵時，工作於3.86ghz時的xz面輻射方向圖和yz面輻射方向圖，可以看出它們相當於兩個正交放置的磁偶極子，可以獲得兩個水平極化的電場。第一極化方向沿y軸，第二極化方向沿x軸。

圖6(a)、圖6(b)分別為基於貼片的緊湊型單層平面結構的三極化mimo天線第三饋電埠11激勵時，工作於3.86ghz時的xz面輻射方向圖和yz面輻射方向圖，可以看出它相當於一個沿z軸放置的電偶極子。

如上所述，對本發明的實施例進行了詳細地說明，但是只要實質上沒有脫離本發明的發明點及效果可以有很多的變形，這對本領域的技術人員來說是顯而易見的。因此，這樣的變形例也全部包含在本發明的保護範圍之內。