一種具有雙陷波結構的UWB‑MIMO天線的製作方法

2023-11-30 18:12:06 3

本發明涉及一種UWB-MIMO天線，尤其是涉及一種具有雙陷波結構的UWB-MIMO天線。

背景技術：

微帶天線相比傳統天線有質量輕、體積小、易集成、電性能多樣化等優勢之處，目前微帶結構已經廣泛應用於進行超寬帶天線的研究設計。

超寬帶(UWB)是一種無載波通信技術，利用納秒至皮秒級的非正弦波窄脈衝傳輸數據。超寬帶技術具有高傳輸速率、強抗幹擾、系統容量大、低成本等優點，而且發射功率非常小，大大延長系統電源工作時長，其電磁波輻射對人體影響也較小。MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技術利用多天線系統的空時處理技術，通過多個天線實現多發多收，在不增加頻譜資源和天線發射功率的情況下，成倍提高系統信道容量，改善傳輸質量。應用MIMO技術可以有效的解決UWB系統存在的多徑衰落現象，對UWB系統可提供多路復用增益和分集增益，大大提高UWB通信系統的性能。

隨著UWB技術和MIMO技術的發展，兩種技術相結合的UWB-MIMO天線的研究也逐漸引起學者的注意。文獻(Liu L,Zhao H,See T S P,et al.A printed ultra-wideband diversity antenna[C]//Ultra-Wideband,The 2006 IEEE 2006 International Conference on.IEEE,2006:351-356.)提出一種印刷雙極化超寬帶天線，天線的兩個輻射單元相互垂直，同時在其中間地板處開槽使得埠隔離度提高到-20dB以下，該天線最終工作頻段為3.1～5.8GHz。文獻(Yoon H K,Yoon Y J,Kim H,et al.Flexible ultra-wideband polarisation diversity antenna with band-notch function[J].Microwaves,Antennas&Propagation,IET,2011,5(12):1463-1470.)設計出一款超薄柔性超寬帶雙極化天線，該天線採用階梯形CPW饋電，兩個輻射貼片相互垂直排布以實現極化分集，天線在超寬帶頻段內隔離度達到-20dB以下，可注意到輻射貼片上開了兩個對稱的細槽，實現天線在WLAN頻段處的陷波。文獻(Li Y,Li W,Liu C,et al.A printed diversity cantor set fractal antenna for ultra wideband communication applications[C]//Antennas,Propagation&EM Theory(ISAPE),2012 10th International Symposium on.IEEE,2012:34-38.)設計出一款康託爾集分形UWB-MIMO天線，該天線通過在輻射單元中間地板開多條槽來提高隔離度，天線-10dB阻抗帶寬範圍為4.5～10.6GHz，天線埠間隔離度在-20dB以下。

由於超寬帶天線的工作頻帶較寬，在工作頻帶內容易受到其他頻段無線通信信號的幹擾，所以需要對超寬帶天線進行陷波設計以消除幹擾。同時，在MIMO無線通信系統中，天線單元間的互耦問題影響著系統信道質量及信道容量，因此，如何降低天線單元間耦合是MIMO天線設計的核心問題。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種具有雙陷波結構的UWB-MIMO天線。該天線通過設計對稱的天線單元來降低天線單元間的耦合，通過在天線饋線兩邊加載發卡型階梯阻抗諧振器(SIR)來實現低頻段的陷波特性，通過在天線饋線兩邊加載電磁帶隙結構(EBG)來實現高頻段的陷波特性，從而使得該天線在整個頻段都能獲得良好的陷波特性，實現了高隔離度、穩定的方向性及增益等目標。

為實現上述目的，本發明採用如下技術方案：

一種具有雙陷波結構的UWB-MIMO天線，包括正方形微波介質基板，微波介質基板上表面和下表面均設有金屬貼片；其特點在於，上表面金屬貼片構成相同結構的2個超寬帶天線單元，2個超寬帶天線單元相互垂直，且以介質基板的對角線為基準對稱設置；超寬帶天線單元的上部為等腰梯形結構貼片與半圓形結構貼片組合而成，該組合結構貼片作為天線輻射單元，超寬帶天線單元的下部為矩形結構貼片，該矩形結構貼片作為天線饋線，所述天線輻射單元與天線饋線連接為一體式結構，在饋線兩側方對稱設有發卡型結構貼片和網狀型結構貼片，其中網狀型貼片中心通過與介質基板下表面的金屬貼片連接，介質基板下表面的金屬貼片作為天線地板，天線地板由2個矩形金屬貼片垂直相連構成，在相連的矩形金屬地板的夾角處切去矩形塊，並在所切去矩形塊新生成的夾角處開有一對「L」型的細槽，並在與所述輻射單元和天線饋線相連處正對的天線地板位置處開有矩形槽。

進一步：

所述介質基板採用雙面覆銅的微波介質基板。

所述正方形微波介質基板為Rogers RO4232(tm)，邊長為W＝55mm±5mm，厚度為H＝1mm±4um，介電常數為3.2，損耗正切角為0.0018。

所述半圓形結構貼片的直徑為2R＝16.46mm±2mm，等腰梯形結構貼片的上底為Wp＝6.35mm±1mm，下底為2R＝16.46mm±2mm，高為Hp＝8.75mm±1mm；饋線的長度Lf＝18.0mm±2mm，寬度為Wf＝2.5±1mm，與介質基板側邊的距離為Wd＝9.75mm±1mm；發卡型結構貼片的長度為Lr＝4.0mm±1mm，寬度為Wr＝5.9mm±1mm，與天線饋線的距離為df＝0.3mm±0.1mm，與介質基板底邊的距離為Gr＝9.2mm±1mm，發卡型結構貼片窄帶的寬度為Sr＝0.5mm±0.1mm，寬帶的寬度為Lr1＝2.4mm±1mm，發卡型結構貼片的發卡口間距為dr＝0.8mm±0.1mm；網狀型結構貼片的邊長為We＝5.9mm±1mm，與天線饋線的距離為de＝0.2mm±0.1mm，與介質基板側邊緣的距離為Le＝2.95mm±1mm，網狀型結構貼片的金屬帶的寬度Se＝1.0mm±0.4mm；所述天線地板的矩形結構貼片的長度為Lg＝17.5mm±2mm，矩形槽的長度為Lc＝3.0mm±1mm，寬度為Wc＝4.0mm±1mm，矩形槽與對角處矩形槽的距離為dg＝10.86mm±2mm，對角處矩形槽的長度為Ls＝12mm±2mm，寬度為Ws＝20mm±2mm；「L」型槽的短邊長度為Ls1＝4.0mm±1mm，長邊長度為Ls2＝6.0mm±1mm，寬度為S＝1.0±0.4mm。

與現有技術比較，本發明具有以下突出的優點和顯著的效果：

該天線通過設計對稱的天線單元來降低天線單元間的耦合，通過在天線饋線兩邊加載發卡型階梯阻抗諧振器(SIR)來實現低頻段的陷波特性，通過在天線饋線兩邊加載電磁帶隙結構(EBG)來實現高頻段的陷波特性，天線整體工作頻帶為2.95～10.48GHz，天線的兩個埠之間隔離度在-16dB以下，同時天線在5.15～5.87GHz頻段和7.28～8.0GHz頻段內可產生良好的陷波特性，能很好地避免IEEE802.11a標準規定的整個WLAN通信頻段以及X波段衛星通信系統下行頻段的幹擾。

附圖說明

圖1是本發明實施例的上表面結構圖。

圖2是本發明實施例的下表面結構圖。

圖3是本發明實施例的上表面結構局部放大圖之一。

圖4是本發明實施例的上表面結構局部放大圖之二。

圖5是本發明實施例的天線回波損耗頻率曲線圖。

圖6是本發明實施例的天線兩個埠間隔離度曲線圖。

圖7是本發明實施例所述天線的第一埠在3.5GHz激勵時的極化方向圖。

圖8是本發明實施例所述天線的第二埠在3.5GHz激勵時的極化方向圖。

圖9是本發明實施例所述天線的第一埠在5.0GHz激勵時的極化方向圖。

圖10是本發明實施例所述天線的第二埠在5.0GHz激勵時的極化方向圖。

圖11是本發明實施例所述天線的第一埠在6.3GHz激勵時的極化方向圖。

圖12是本發明實施例所述天線的第二埠2在6.3GHz激勵時的極化方向圖。

圖13是本發明實施例所述天線的第一埠在9.8GHz激勵時的極化方向圖。

圖14是本發明實施例所述天線的第二埠在9.8GHz激勵時的極化方向圖。

具體實施方式

參見圖1～4，本實施例所述一種具有雙陷波結構的UWB-MIMO天線，包括正方形的微波介質基板1，微波介質基板1上表面和下表面均設有金屬貼片；上表面金屬貼片構成相同結構的2個超寬帶天線單元2，2個超寬帶天線單元2相互垂直，且以微波介質基板1的對角線為基準對稱設置；超寬帶天線單元2的上部為等腰梯形結構貼片21與半圓形結構貼片22組合而成，該組合結構貼片作為天線輻射單元，超寬帶天線單元2的下部為矩形結構貼片23，該矩形結構貼片23作為天線饋線，所述天線輻射單元與天線饋線23連接為一體式結構，在天線饋線23兩側方對稱設有發卡型結構貼片24和網狀型結構貼片25，其中網狀型貼片25的中心通過設於微波介質基板上的通孔11與微波介質基板1下表面的貼片連接；微波介質基板1下表面的貼片作為天線地板，天線地板整體呈「L」型，其構成是在2個結構相同垂直相連的矩形貼片3的夾角處開有第一「U」型缺口31，並在第一「U」型缺口31底端2個夾角處對稱開有「L」型細槽32，而且在與所述輻射單元與天線饋線23相連處正對的天線地板位置處開有第二「U」型缺口33。

所述微波介質基板1採用雙面覆銅的微波介質基板。

所述微波介質基板1為Rogers RO4232(tm)，邊長為W＝55mm±5mm，厚度為H＝1mm±4um，介電常數為3.2，損耗正切角為0.0018。

所述半圓形結構貼片22的直徑為2R＝16.46mm±2mm，等腰梯形結構貼片21的上底為Wp＝6.35mm±1mm，下底為2R＝16.46mm±2mm，高為Hp＝8.75mm±1mm；天線饋線23的長度Lf＝18.0mm±2mm，寬度為Wf＝2.5±1mm，與微波介質基板側邊的距離為Wd＝9.75mm±1mm；所述發卡型結構貼片24的長度為Lr＝4.0mm±1mm，寬度為Wr＝5.9mm±1mm，與天線饋線23的距離為df＝0.3mm±0.1mm，與微波介質基板1底邊的距離為Gr＝9.2mm±1mm，發卡型結構貼片24窄帶的寬度為Sr＝0.5mm±0.1mm，寬帶的寬度為Lr1＝2.4mm±1mm，發卡型結構貼片23的發卡口間距為dr＝0.8mm±0.1mm；所述網狀型結構貼片25的邊長為We＝5.9mm±1mm，與天線饋線23的距離為de＝0.2mm±0.1mm，與微波介質基板1側邊緣的距離為Le＝2.95mm±1mm，網狀型結構貼片25的金屬帶的寬度Se＝1.0mm±0.4mm；所述天線地板的矩形結構貼片3的長度為Lg＝17.5mm±2mm，第一「U」型缺口31的深度為Ls＝12mm±2mm，寬度為Ws＝20mm±2mm。「L」型細槽的短邊長度為Ls1＝4.0mm±1mm，長邊長度為Ls2＝6.0mm±1mm，寬度為S＝1.0±0.4mm；第二U」型缺口33深度為Lc＝3.0mm±1mm，寬度為Wc＝4.0mm±1mm，與第一「U」型缺口31的間距為dg＝10.86mm±2mm。

參見圖5，圖5是天線兩個埠回波損耗的曲線圖，其中a是S11的曲線圖，b是S22的曲線圖。由於天線結構的對稱性，天線兩個埠的回波損耗曲線理論上是相同的。由仿真曲線可見，-10dB回波損耗帶寬範圍是2.95～10.48GHz。

參見圖6，圖6是天線兩個埠間隔離度的曲線圖。在所測頻段，天線埠之間隔離度均在-16dB以下，同時天線在5.15～5.87GHz頻段和7.28～8.0GHz頻段內產生較好的陷波特性。

參見圖7，圖7是第一埠在3.5GHz激勵的主極化和交叉極化方向圖。其中a1是E面交叉極化方向圖，b1是E面主極化方向圖，c1是H面交叉極化方向圖，d1是H面主極化方向圖。

參見圖8，圖8是第二埠在3.5GHz激勵的主極化和交叉極化方向圖。其中a2是E面交叉極化方向圖，b2是E面主極化方向圖，c2是H面交叉極化方向圖，d2是H面主極化方向圖。

參見圖9，圖9是第一埠在5.0GHz激勵的主極化和交叉極化方向圖。其中a3是E面交叉極化方向圖，b3是E面主極化方向圖，c3是H面交叉極化方向圖，d3是H面主極化方向圖。

參見圖10，圖10是第二埠2在5.0GHz激勵的主極化和交叉極化方向圖。其中a4是E面交叉極化方向圖，b4是E面主極化方向圖，c4是H面交叉極化方向圖，d4是H面主極化方向圖。

參見圖11，圖11是第一埠在6.3GHz激勵的主極化和交叉極化方向圖。其中a5是E面交叉極化方向圖，b5是E面主極化方向圖，c5是H面交叉極化方向圖，d5是H面主極化方向圖。

參見圖12，圖12是第二埠在6.3GHz激勵的主極化和交叉極化方向圖。其中a6是E面交叉極化方向圖，b6是E面主極化方向圖，c6是H面交叉極化方向圖，d6是H面主極化方向圖。

參見圖13，圖13是第一埠在9.8GHz激勵的主極化和交叉極化方向圖。其中a7是E面交叉極化方向圖，b7是E面主極化方向圖，c7是H面交叉極化方向圖，d7是H面主極化方向圖。

參見圖14，圖14是第二埠在9.8GHz激勵的主極化和交叉極化方向圖。其中a8是E面交叉極化方向圖，b8是E面主極化方向圖，c8是H面交叉極化方向圖，d8是H面主極化方向圖。

由以上不同頻點的主極化和交叉極化方向圖，可看出交叉極化的增益在-10dB左右，具有較低的交叉極化特性；同時第一埠激勵的方向圖與第二埠激勵的方向圖相差90度，這與第一埠和第二埠對應的兩天線單元相互垂直排布，從而達到極化分集的結果相對應。