本發(fā)明涉及低互耦4單元超寬帶MIMO天線，屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

超寬帶（UWB）技術(shù)是目前備受關(guān)注的一種新型短距離高速無線通信技術(shù)。自從美國聯(lián)邦通信委員會(huì)將3.1-10.6 GHz劃分為民用UWB頻段以來，工業(yè)界和學(xué)術(shù)界已經(jīng)在UWB無線電技術(shù)領(lǐng)域開展了大量的研究工作。

多輸入多輸出 (MIMO) 技術(shù)同樣也是近年以來寬帶無線通信的重要技術(shù)之一，該技術(shù)在不額外增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的情況下，能夠成倍地提高系統(tǒng)的信道容量，大大提高了頻譜利用率，被視為下一代移動(dòng)通信的核心技術(shù)。將超寬帶技術(shù)和 MIMO 天線相結(jié)合能夠很好地提高系統(tǒng)的鏈路可靠性以及適配能力。與窄帶無線通信相比，它能夠?qū)⒍鄰剿ヂ浣档阶畹?，進(jìn)一步的提高傳輸速度和質(zhì)量。

MIMO 天線設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)在有限的空間里集成多個(gè)天線單元，并且獲得較低的耦合和較高的隔離度。對(duì)于目前已有的超寬帶 MIMO 天線設(shè)計(jì)報(bào)道來看，其中大部分設(shè)計(jì)的帶寬都很窄，隔離度也不高，尺寸還比較大，降低天線單元間互耦性的隔離技術(shù)缺乏創(chuàng)新等缺點(diǎn)。在MIMO天線中引入電磁帶隙（EBG）結(jié)構(gòu)是一種較新的隔離技術(shù)。近年來，在很多已公開報(bào)道的MIMO天線設(shè)計(jì)中都引入了此類結(jié)構(gòu)。這種方法的技術(shù)原理是利用EBG結(jié)構(gòu)的頻率選擇特性來降低天線單元的耦合，提高天線單元間的隔離度。這種方法改善隔離的效果明顯，但缺點(diǎn)是此類EBG結(jié)構(gòu)大都只能改善窄帶天線的隔離性能，而對(duì)于超寬帶MIMO天線則作用有限。此外，目前在MIMO天線中使用的EBG結(jié)構(gòu)大都是帶金屬過孔型的蘑菇型EBG結(jié)構(gòu)。此類EBG結(jié)構(gòu)主要存在尺寸過大，需要蝕刻金屬過孔，加工困難等缺點(diǎn)。

本發(fā)明提出的低互耦4單元超寬帶 MIMO天線，經(jīng)文獻(xiàn)檢索，未見與本發(fā)明相同的公開報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)之不足，設(shè)計(jì)出低互耦4單元超寬帶 MIMO天線。

本發(fā)明中的低互耦4單元超寬帶 MIMO天線由以下7部分組成：介質(zhì)板，四個(gè)單極子超寬天線單元，兩個(gè)“類蝶”形平面電磁帶隙（EBG）結(jié)構(gòu)方陣，其中：

a. 介質(zhì)板為正方形介質(zhì)板；

b. 四個(gè)單極子超寬帶天線結(jié)構(gòu)相同，位于正方形介質(zhì)板上層的四個(gè)頂角處，相鄰的兩個(gè)單極子超寬帶天線兩兩相互垂直，不相鄰的兩個(gè)單極子超寬帶天線呈反向平行排列，四個(gè)天線在介質(zhì)板上呈中心對(duì)稱；

c. 四個(gè)單極子超寬帶天線單元均采用共面波導(dǎo)饋電，饋電微帶線垂直于正方形介質(zhì)板的邊緣；

d. 每個(gè)單極子超寬帶天線單元由輻射單元、饋電單元和接地單元組成，其中：輻射單元由第一“階梯”狀微帶結(jié)構(gòu)、第二“階梯”狀微帶結(jié)構(gòu)、“雙孔橋”狀微帶結(jié)構(gòu)、“月”形微帶結(jié)構(gòu)和矩形微帶結(jié)構(gòu)構(gòu)成，且第一“階梯”狀微帶結(jié)構(gòu)、第二“階梯”狀微帶結(jié)構(gòu)、“雙孔橋”狀微帶結(jié)構(gòu)、“月”形微帶結(jié)構(gòu)和矩形微帶結(jié)構(gòu)圍成一個(gè)半開放型槽，半開放型槽由小半圓槽、大半圓槽和矩形槽組成；饋電單元為矩形微帶饋線；接地單元由第一“圓弧坡”狀微帶結(jié)構(gòu)和第二“圓弧坡”狀微帶結(jié)構(gòu)構(gòu)成；第一“圓弧坡”狀微帶結(jié)構(gòu)通過在矩形貼片上分別蝕刻第一個(gè)四分之一圓槽、第一個(gè)水平方向矩形槽和豎直方向第一個(gè)矩形槽得到，第二“圓弧坡”狀微帶結(jié)構(gòu)通過在矩形貼片上分別蝕刻第二個(gè)四分之一圓槽、第二個(gè)水平方向矩形槽和豎直方向第二個(gè)矩形槽得到，且第一“圓弧坡”狀微帶結(jié)構(gòu)和第二“圓弧坡”狀微帶結(jié)構(gòu)尺寸相同，相對(duì)于饋電單元左右對(duì)稱，并與微帶饋線形成縫隙，構(gòu)成共面波導(dǎo)；

e. “類蝶”形平面電磁帶隙（EBG）結(jié)構(gòu)方陣包括印刷在介質(zhì)板上表面的“類蝶”形平面電磁帶隙（EBG）結(jié)構(gòu)方陣和印刷在介質(zhì)板下表面的“類蝶”形平面電磁帶隙（EBG）結(jié)構(gòu)方陣，由“類蝶”形平面EBG結(jié)構(gòu)單元排列而成，采用6×6的矩陣排列方式，分別位于介質(zhì)板的正反兩面中央，相對(duì)于介質(zhì)板上下對(duì)稱；

f.“類蝶”形平面EBG結(jié)構(gòu)單元由第一“T”形微帶結(jié)構(gòu)、第二“T”形微帶結(jié)構(gòu)、第一“C”形微帶結(jié)構(gòu)、第二“C”形微帶結(jié)構(gòu)、第一矩形微帶結(jié)構(gòu)、第二矩形微帶結(jié)構(gòu)構(gòu)成，該“類蝶”形EBG結(jié)構(gòu)單元整體上分別相對(duì)于結(jié)構(gòu)單元的垂直中心線左右對(duì)稱，相對(duì)于結(jié)構(gòu)單元的水平中心線上下對(duì)稱。

四個(gè)單極子超寬帶平面天線單元構(gòu)成了4單元 MIMO天線的輻射部分，采用共面波導(dǎo)饋電；將四個(gè)天線單元放置于介質(zhì)板的四個(gè)頂角處，能使天線單元間的間距在有限的空間內(nèi)得到最大化，從而降低天線單元間的耦合，提高天線單元間的隔離度；而將四個(gè)單極子超寬帶天線單元按照相鄰的兩個(gè)天線單元兩兩相互垂直，不相鄰的兩個(gè)天線單元呈反向平行排列，且整體呈中心對(duì)稱方式則使天線形成正交極化，以提高天線單元間的隔離度，并獲得分集增益。其技術(shù)原理是利用電磁波的正交極化來提高天線單元間的隔離度。此外，在介質(zhì)板正反兩面的中央部分分別引入“類蝶”形平面EBG結(jié)構(gòu)方陣，能顯著改善MIMO天線的隔離性能；其技術(shù)原理是利用了EBG結(jié)構(gòu)的頻率選擇特性來提高天線單元間的隔離度。

本發(fā)明與現(xiàn)有超寬帶MIMO天線相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1. 天線尺寸小，結(jié)構(gòu)簡單，能很好地滿足天線小型化的要求；

2. 新設(shè)計(jì)的“類蝶”形平面EBG結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)新穎、尺寸小、加工簡單、無需蝕刻金屬過孔、隔離效果好等優(yōu)點(diǎn)；

3. 天線具有良好的超寬帶和隔離性能；

4. 制作成本低、精度高、可重復(fù)性好，便于批量生產(chǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為“類蝶”形EBG結(jié)構(gòu)陣列示意圖。

圖3為“類蝶”形EBG結(jié)構(gòu)單元示意圖。

圖4為單個(gè)單極子超寬帶天線單元結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本發(fā)明中天線回波損耗測(cè)試結(jié)果。

圖6為本發(fā)明中相鄰天線單元間隔離性能測(cè)試結(jié)果。

圖7為本發(fā)明中相間天線單元間隔離性能測(cè)試結(jié)果。

圖8為本發(fā)明中有無EBG結(jié)構(gòu)時(shí)相間天線單元間隔隔離性能仿真對(duì)比結(jié)果。

圖9為在5.5GHz時(shí)天線端口1單獨(dú)激勵(lì)在XOZ與YOZ平面上的測(cè)試方向圖。

圖10為在5.5GHz時(shí)天線端口2單獨(dú)激勵(lì)在XOZ與YOZ平面上的測(cè)試方向圖。

圖11為在5.5GHz時(shí)天線端口3單獨(dú)激勵(lì)在XOZ與YOZ平面上的測(cè)試方向圖。

圖12為在5.5GHz時(shí)天線端口4單獨(dú)激勵(lì)在XOZ與YOZ平面上的測(cè)試方向圖。

圖13為本發(fā)明中相鄰天線單元間分集增益。

圖14為本發(fā)明中對(duì)角線上天線單元間分集增益。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本發(fā)明中的低互耦4單元超寬帶 MIMO天線由以下7部分組成：介質(zhì)板1，四個(gè)單極子超寬天線單元2-5，“類蝶”形平面電磁帶隙（EBG）結(jié)構(gòu)方陣6、7，其中：

a. 介質(zhì)板1為正方形介質(zhì)板；

b. 四個(gè)單極子超寬帶天線2-5結(jié)構(gòu)相同，位于正方形介質(zhì)板1上層的四個(gè)頂角處，相鄰的兩個(gè)單極子超寬帶天線兩兩相互垂直，不相鄰的兩個(gè)單極子超寬帶天線呈反向平行排列，四個(gè)天線在介質(zhì)板上呈中心對(duì)稱；

c. 四個(gè)單極子超寬帶天線單元2-5均采用共面波導(dǎo)饋電，饋電微帶線垂直于正方形介質(zhì)板1的邊緣；

d. 每個(gè)單極子超寬帶天線單元由輻射單元、饋電單元和接地單元組成，其中：輻射單元由第一“階梯”狀微帶結(jié)構(gòu)14、第二“階梯”狀微帶結(jié)構(gòu)15、“雙孔橋”狀微帶結(jié)構(gòu)16、“月”形微帶結(jié)構(gòu)17和矩形微帶結(jié)構(gòu)18構(gòu)成，且第一“階梯”狀微帶結(jié)構(gòu)14、第二“階梯”狀微帶結(jié)構(gòu)15、“雙孔橋”狀微帶結(jié)構(gòu)16、“月”形微帶結(jié)構(gòu)17和矩形微帶結(jié)構(gòu)18圍成一個(gè)半開放型槽，半開放型槽由小半圓槽22、大半圓槽23和矩形槽24組成；饋電單元為矩形微帶饋線19；接地單元由第一“圓弧坡”狀微帶結(jié)構(gòu)20和第二“圓弧坡”狀微帶結(jié)構(gòu)21構(gòu)成；第一“圓弧坡”狀微帶結(jié)構(gòu)20通過在矩形貼片上分別蝕刻第一個(gè)四分之一圓槽25、第一個(gè)水平方向矩形槽27和豎直方向第一個(gè)矩形槽29得到，第二“圓弧坡”狀微帶結(jié)構(gòu)21通過在矩形貼片上分別蝕刻第二個(gè)四分之一圓槽26、第二個(gè)水平方向矩形槽28和豎直方向第二個(gè)矩形槽30得到，且第一“圓弧坡”狀微帶結(jié)構(gòu)20和第二“圓弧坡”狀微帶結(jié)構(gòu)21尺寸相同，相對(duì)于饋電單元左右對(duì)稱，并與微帶饋線19形成縫隙，構(gòu)成共面波導(dǎo)；

e. “類蝶”形平面電磁帶隙（EBG）結(jié)構(gòu)方陣6、7包括印刷在介質(zhì)板1上表面的“類蝶”形平面電磁帶隙（EBG）結(jié)構(gòu)方陣6和印刷在介質(zhì)板1下表面的“類蝶”形平面電磁帶隙（EBG）結(jié)構(gòu)方陣7，由“類蝶”形平面EBG結(jié)構(gòu)單元排列而成，采用6×6的矩陣排列方式，分別位于介質(zhì)板1的正反兩面中央，相對(duì)于介質(zhì)板上下對(duì)稱；

f.“類蝶”形平面EBG結(jié)構(gòu)單元由第一“T”形微帶結(jié)構(gòu)8、第二“T”形微帶結(jié)構(gòu)9、第一“C”形微帶結(jié)構(gòu)10、第二“C”形微帶結(jié)構(gòu)11、第一矩形微帶結(jié)構(gòu)12、第二矩形微帶結(jié)構(gòu)13構(gòu)成，該“類蝶”形EBG結(jié)構(gòu)單元整體上分別相對(duì)于結(jié)構(gòu)單元的垂直中心線左右對(duì)稱，相對(duì)于結(jié)構(gòu)單元的水平中心線上下對(duì)稱。

本發(fā)明中的低互耦4單元超寬帶 MIMO天線，通過引入新型的“類蝶”形平面EBG結(jié)構(gòu)方陣，顯著改善了4單元 MIMO天線的隔離性能；如上所述的介質(zhì)板7采用介電常數(shù)為4.6和損耗角正切為0.02的FR4介質(zhì)材料，尺寸為60 mm×60 mm×1.6 mm；天線回波損耗的測(cè)試結(jié)果如圖3所示，測(cè)試結(jié)果顯示，天線單元1和3的工作帶寬（即S11(S33)-10dB的頻率范圍）均為2.91-13.14 GHz，天線單元2和4的工作帶寬（即S22(S44)-10dB的頻率范圍）均為3.10-12.95 GHz，由此可見，天線很好地覆蓋了3.1-10.6的民用UWB頻帶；圖4為本發(fā)明中相鄰天線單元間隔離性能測(cè)試結(jié)果，由圖可知，在3.10-12.95 GHz的整個(gè)頻段內(nèi)，相鄰天線單元間的隔離度在22.86dB以上，絕大部分頻段內(nèi)其隔離度均大于25dB；圖5為本發(fā)明中相間天線單元間隔離性能測(cè)試結(jié)果，由圖可知，在3.10-12.95 GHz的整個(gè)頻段內(nèi)，相間天線單元間隔離度均在24.70dB以上，絕大部分頻段內(nèi)其隔離度均大于30 dB；由此可見，該天線具有優(yōu)良的隔離性能；另外，天線的尺寸只有60 mm×60 mm×1.6 mm，能很好地滿足小型化的要求；總之，該天線是一款尺寸小、超寬帶和隔離性能優(yōu)越的超寬帶MIMO天線。

上面對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施方式作了詳細(xì)說明，但是本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式，在本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所具備的知識(shí)范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下做出各種變化。