一种四端口高隔离MIMO天线

一种四端口高隔离mimo天线
技术领域
1.本发明属于天线领域，具体涉及一种四端口高隔离mimo天线。


背景技术：

2.mimo天线具有高信号传输速率、高频谱利用率、高空间效率和低功耗等优点，它对5g的发展起着关键性的推动作用，具有非常高的实用价值。自mimo系统被贝尔实验室提出以来，mimo天线的研究受到了国内外的广泛关注。目前，mimo天线正朝着小型化、超宽带、高隔离的方向发展。通常，为满足mimo天线小型化的要求，天线间的耦合会随着单元天线间距离的缩短而增强，随之会恶化mimo天线系统的性能，因此提高mimo天线单元间的耦合对无线通信的发展具有实际意义。
3.目前国内外论文关于mimo天线解耦合的方法可以大致分为三种。其中一种mimo天线解耦合的方法为通过超材料或者ebg结构改变天线表面电流分布。通常情况下，超材料表现为介电常数或磁导率为负值，在抑制表面波耦合方面具有明显优势。ebg则是通过周期性的平面结构改变电流分布。另一种提高天线隔离度的方法为使用自身结构互补的天线，由于天线本身具有高隔离的特性，因此不需要任何解耦合结构天线就可实现高隔离。第三类解耦合结构为加载寄生贴片或者在地面上开槽或者在贴片上方加载感性或容性开口环谐振器。例如，在《ieee antennas and wireless propagation letters》2015年第14卷中论文“isolation enhancement of a very compact uwb-mimo slot antenna with two defected ground structures”中所提到的两端口超宽带mimo天线采用在地面开槽的方式提高两个端口之间的隔离度；但是该天线的传输速率还需要进一步提升，以满足5g技术的需求。


技术实现要素：

4.本发明提出了一种四端口高隔离mimo天线，为提高天线的数据传输率速，首先将二端口mimo天线拓展为四端口天线，然后在不增加各单元天线之间间距的条件下，采用缺陷地的解耦合方式提高天线的隔离度。该天线具有频带宽、成本低、小型化、高隔离、辐射范围广等优点。
5.本发明采用的技术方案如下：
6.一种四端口高隔离mimo天线，其特征在于，该天线既是左右对称结构，也是上下对称结构，包括矩形介质基板、设置于介质基板正面的四条微带馈线、设置于介质基板背面的接地板；
7.所述微带馈线为矩形微带线，其长边与介质基板的长边平行，一短边与介质基板的短边重合，作为馈电端口；
8.所述接地板上设置有一个多边形缝隙、两个t型缝隙、四个凸字型缝隙；
9.所述多边形缝隙设置于接地板中部，并将接地板分割为左右两部分；
10.所述t型缝隙的纵向矩形缝隙与介质基板的短边平行，横向矩形缝隙的中线与介
质基板的短边中线重合，且横向矩形缝隙的一端与介质基板的短边重合；
11.两个所述凸字型缝隙正向设置，两个所述凸字型缝隙倒置；所述凸字型缝隙由底部矩形部分和凸起矩形部分组成；所述底部矩形部分的一条边与介质基板的长边重合，所述凸起矩形部分的长边与介质基板的短边平行。
12.进一步地，所述多边形缝隙的中部宽度大于两侧的宽度。
13.进一步地，所述多边形缝隙为十二边形缝隙，由第一矩形、两个等腰梯形、两个第二矩形组成，其中部为第一矩形，第一矩形的两短边分别连接一个等腰梯形的下底，等腰梯形的上底连接第二矩形。
14.进一步地，所述接地板上还设置有两个一字型缝隙，所述一字型缝隙的长边与介质基板的短边平行。
15.进一步地，位于左侧/右侧的两个微带馈线的间距s为7.6mm，所述t型缝隙的纵向枝节的长度t2为8mm，横向枝节长度t1为7.5mm；位于左侧/右侧的两个所述凸字型缝隙的中线位于介质基板长边0.25ws处，底部矩形部分以及凸起矩形部分总高度为10.2mm。
16.进一步地，所述一字型缝隙、微带馈线与天线纵向中线的间距长度相等。
17.本发明通过四个微带馈线对天线进行馈电，电磁波通过凸字型缝隙辐射出去，接地板上的t型缝隙使左侧/右侧上下分布的微带线电流抵消，实现上下对称单元天线间的高隔离，但由于缺陷地板上电流连续分布以及各端口之间的电磁波耦合，造成个左侧/右侧端口之间的耦合度高，因此引入多边形缝隙，使其改变缺陷地板上电流的分布，其可等效为将各端口之间的等效距离增加，使得天线隔离度极大地提高。与现有技术相比，本发明的优点在于：
18.(1)天线在小尺寸的同时包含的单元天线数量多，从而能提高数据的传输速率。
19.(2)采用合理的缺陷地结构使各单元天线间的间距不变的同时降低各单元天线间的耦合度。
20.(3)满足高隔离的同时，天线的相对带宽能够达到97.3％。
附图说明
21.图1为本发明实施例的3d透视图；
22.图2为本发明实施例的俯视图和仰视图，其中(a)为俯视图，(b)为仰视图；
23.图3为本发明实施例缺陷地中多边形缝隙的结构示意图；
24.图4为本发明实施例的s参数图；
25.图5为本发明实施例的天线三个不同频点的远场方向辐射e面、h面图，其中(a)为e面辐射方向图，(b)为h面辐射方向图；
26.图6为本发明实施例的增益和天线辐射效率曲线图；
27.图7为本发明实施例的包络相关系数图。
28.附图标记：1微带线，2介质基板，3接地板，4t型缝隙，5凸字型缝隙，6多边形缝隙，7一字型缝隙。
具体实施方式
29.下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细描述。以下实施例仅用于更
加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保活范围。
30.需要注意的是，除非另有说明，本技术实用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
31.如图1所示，本发明实施例采用矩形介质基板2，其介电常数为4.4，厚度为0.8mm，在介质基板的上层设置有四条微带馈线1，四条微带馈线分别关于介质基板长边中线和短边中线上下、左右对称。介质基板的下层为接地板3，天线通过对微带馈线1和接地板3产生电压差进行馈电，通常采用sma接口。
32.图2所示为本发明实施例俯视和仰视图，接地板上设置了两个t型缝隙4、四个凸字型缝隙5、两条一字型缝隙7以及多边形缝隙6。所述两个t型缝隙关于介质基板长边中线对称，所述四个凸字型缝隙分别关于介质基板长边和短边中线对称，所述一字型缝隙关于介质基板长边中线对称。
33.结合图1、2，本发明实施例通过微带馈线对天线进行馈电，电磁波通过凸字型缝隙辐射出去，接地板上的t型缝隙使左侧/右侧上下分布的微带馈线电流抵消，实现上线对称单元天线间的高隔离，但由于缺陷地板上电流连续分布以及各端口之间的电磁波耦合，造成个左侧/右侧端口之间的耦合度高，因此引入多边形缝隙，使其改变缺陷地板上电流的分布，其可等效为将各端口之间的等效距离增加，使得天线隔离度极大地提高。
34.图3为所述接地板长边中线的多边形缝隙。
35.为了进一步验证上述天线结构的性能，按表一所示的具体参数设置进行仿真，仿真效果图如图4-图7所示。
36.表1天线尺寸仿真数据
37.a1a2b1c1c2d1d2l3.2mm7mm5mm4mm5mm0.5mm9mm15mml1lst1t2t3wwsw112mm26mm7.5mm8mm2mm2mm44mm0.1mmw2w3w4s
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2mm2mm2mm7.6mm
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38.结合图1、图2、图3所标注的各个参数位置可以看出a1、b1表示凸字型缝隙底部矩形部分的宽、长，a2、w4表示凸字形缝隙上方凸起矩形部分的长、宽，c1、d1表示多边形缝隙中第二矩形长、宽，d2表示多边形缝隙等腰梯形的高，c2表示多边形缝隙第一矩形的宽，l、w分别表示微带馈线的长和宽，w1、l1分别表示一字型缝隙的宽、长。t1、w3表示t型缝隙中横向矩形缝隙的长、宽，t2、w2表示t型缝隙中纵向矩形缝隙的长、宽，ws和ls表示介质基板的长、宽。
39.图4为本发明s参数的仿真结果，从3.8-11db，s11《-10db，并且在工作带宽内s21几乎小于-20db，s31和s41小于-14db，这些参数范围都能达到工程运用的标准。
40.图5为天线在6、8、10ghz的辐射方向图，由图可知，天线工作时，其能在广范围内实现辐射覆盖。
41.图6为天线的增益图和辐射效率图，由图可知，天线在工作频段3.8-11ghz频段内，天线增益大于2db，辐射效率大于80％。
42.图7为天线包络相关性系数图，包络性系数通常是衡量个天线端口之间耦合度的
一个重要参数，通常ecc小于0.5则表明其在工程中有实际运用价值，图7表明，本发明的天线个端口在工作带宽内均小于0.15，因此个端口间的隔离度高。
43.综上可以看出，本发明提出的一种四端口高隔离mimo天线，采用缺陷地的方式解耦合，使其达到高隔离的效果。该天线具有尺寸小，高隔离、超宽带、辐射区域广等特点，可以运用于室内移动设备中。