一种基于液体介质的高隔离度可重构四端口MIMO缝隙天线

本发明属于天线，具体涉及一种基于液体介质的高隔离度可重构四端口mimo缝隙天线。

背景技术：

1、随着通信技术的快速发展和用户需求的激增，无线通信系统朝着小型化、多功能、大容量的方向发展。作为通信设备的重要组成部分，天线一方面需要在多个频段工作，实现多功能、多模式的信号传输，另一方面需要解决天线密度增加带来的布局紧凑、耦合严重、电磁干扰等难题。可重构技术、去耦技术的提出可以较好地解决上述挑战，为未来通信系统设计提供了新的思路和方案。可重构天线可以根据不同的系统需求实时重构天线的各种电参数，改变天线的工作状态，即利用一个天线实现多个天线的功能以适应多样的应用环境。因此，可重构天线具有不同于传统天线的优势，可以增加系统的工作频段覆盖范围，还能压缩mimo(multiple-input multiple-output)通信系统的空间，提高集成度。但是基于开关的可重构设计，例如电可重构和光学可重构通常都处于离散的工作状态，可重构能力有限。此外，由于通信系统不断趋于集成化，天线间的相互耦合成为关键问题。将可重构设计结合去耦技术可以实现工作频率和隔离度的可重构特性。

2、近年来，液体可重构天线受到了广泛关注。液体材料具备流动性、适应性、稳定性、灵活性、低成本和扩展性等性能。与开关型天线相比，液体可重构天线可以实现连续的可重构特性。但是，常见的液体天线大多为终端单天线，对于液体可重构mimo阵列天线的研究较少。

3、针对mimo天线的频率和隔离度可重构，授权公布号为cn114843762a的发明，公布了一种频率可重构的四端口mimo天线，该天线通过pin二极管的通断实现频率可重构，在2.5ghz和3.0ghz具有良好的辐射特性，并且利用ebg结构实现相邻天线单元之间的高隔离度。

4、然而，为了实现高隔离度可调谐特性，目前的可重构天线主要分为两类，开关型天线设计集中在使用pin二极管、变容二极管等电子设备来调整天线的结构，实现天线的频率、极化或方向图的可重构特性；而非开关型天线依靠一些新型材料的特性，通过改变材料特性实现可重构。其中，基于开关的可重构技术通常处于离散的频带和极化状态，重构能力有限，而基于材料的可调谐技术重构能力较好，但较少应用于mimo阵列天线中。此外，为了解决天线密度增加带来的布局紧凑、耦合严重等难题，阵列天线需要抑制天线阵元间的相互耦合。

5、综上所述，现有技术通常是在天线上加载射频mems系统、pin二极管和电容器件等开关型设计，并结合去耦网络等解耦技术实现频率和隔离度可重构mimo天线。对于pin二极管等开关型设计来说，其可以增加天线工作带宽、功能和系统容量，但是会显著增加天线的设计复杂度和空间尺寸，控制难度较大，且可重构能力有限，存在一定的局限性。而基于材料的可重构技术重构能力较好，但较少应用于mimo阵列天线设计中。此外，传统的小型化可重构mimo天线的去耦设计较难实现宽频段或多频段解耦。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于液体介质的高隔离度可重构四端口mimo缝隙天线，本发明通过加载介质容器和环形中和线，实现可重构mimo天线，利用等效电容模型方法，分析介质容器中不同液体含量的等效介电常数，调整液体材料的体积改变介质容器的等效介电常数，使天线的辐射和去耦结构的等效波长发生变化，从而实现天线在不同频段上均具有良好的匹配和高隔离的特性，同时满足了频率和隔离度的可重构特性。

2、为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

3、一种基于液体介质的高隔离度可重构四端口mimo缝隙天线，包括由上至下依次放置的mimo天线层1、液态介质层2和地板层3，所述mimo天线层1与地板层3平行，mimo天线层1与地板层3通过同轴馈线相连接，mimo天线层1上设置有四个缝隙天线，四个缝隙天线绕中心点90度旋转依次排列。

4、所述mimo天线层1包括经过切角处理的顶层介质基板5，顶层介质基板5的上表面印刷有辐射结构4，顶层介质基板5的下表面印刷有去耦结构6。

5、所述液态介质层2包括带有填充孔的介质容器15和位于介质容器15中的液体材料16。

6、所述辐射结构4包括位于顶层介质基板5上表面且分别与其四个切角垂直设置的矩形缝隙9以及分别与四个矩形缝隙9垂直摆放的接地共面波导馈线10，矩形缝隙9的末端与位于顶层介质基板5中心的圆形缝隙12相连接，矩形缝隙9之间通过非辐射矩形缝隙11分隔。

7、所述地板层3包括底部水平放置的底层介质基板8和位于底层介质基板8上的四个同轴接头7，所述同轴接头7分别通过同轴馈线与对应的四个接地共面波导馈线10相连接；

8、所述底层介质基板8的面积为(48.0-70.0mm)*(48.0-70.0mm)，厚度为0.254-0.508mm。

9、所述去耦结构6包括印刷在顶层介质基板5下表面的环形中和线13和位于顶层介质基板5内部的金属通孔14，环形中和线13通过金属通孔14与辐射结构4的非辐射矩形缝隙11的长边中点处相连接。

10、所述介质容器15为空心圆柱，底面半径为18.20-20.40mm，高度为4.80-7.60mm，介质容器15的容器壁厚度为0.80-1.20mm；

11、所述液体材料16的高度为0.52mm-3.80mm，填充率p为0.13-0.95，液体材料16为乙醇。

12、所述天线整体剖面高度为5.80-8.60mm；顶层介质基板5的面积为(42.0-48.0mm)*(42.0-48.0mm)，切角宽度为9.50-12.50mm，厚度为0.254-0.508mm。

13、所述矩形缝隙9的长度为9.0-12.0mm，宽度为3.20-3.80mm；接地共面波导馈线10的长度为11.50-14.50mm，宽度为1.05-1.35mm，接地共面波导馈线10的中心距离矩形缝隙9开口处2.20-3.10mm；非辐射矩形缝隙11的长度为9.80-14.20mm，宽度为4.60-6.10mm；圆形缝隙12的半径为14.20-16.80mm。

14、所述环形中和线13的内环半径为10.20-13.40mm，环形中和线13的环宽度为0.40-0.80mm；金属通孔14的半径为0.25-0.50mm。

15、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

16、1、本发明通过介质容器15中液体材料16填充率的变化来实现连续的可重构特性，无需增加天线辐射体的尺寸，且可以在较小的容器体积下，实现较宽的频率可调谐范围(2.80～3.70ghz，相对调谐范围为27.7％)。

17、2、本发明通过加载了环形中和线13结构，在较小的间距下(d＝0.233λ0，f0＝3.30ghz)，经环形中和线13传导的电流可以抵消两天线之间的耦合电流，进而提升端口的隔离度，实现了天线在不同频段上均具有良好的高隔离的特性(≥15db)，同时满足了工作频率和隔离度的可重构特性。

18、3、本发明并没有加载开关型电子器件，不会产生电子元件带来的负效应，通过加载液态介质层2和去耦结构6实现了高隔离度的可重构天线，且液体可重构天线其各部分的等效工作尺寸会发生同步的改变，可以最大程度的减小天线方向图的畸变。

19、4.本发明提出的mimo天线具有结构简单、小型化的特性，通过将矩形缝隙9的末端连接到圆形缝隙12将频带向低频拓宽，实现了宽带操作，其紧凑的结构尺寸(0.45λ×0.45λ@3.3ghz)适用于无线通信系统中。

20、综上，本发明提出的高隔离度频率可重构四端口mimo阵列天线在不增加辐射体尺寸的前提下，通过调整介质容器15中液体材料16的含量改变等效介电常数，实现了连续的频率可重构特性，从而解决了目前可重构天线重构能力有限、存在局限的问题；由于液体可重构天线各部分的等效工作尺寸会发生同步的改变，通过加载环形中和线13，可以在实现高隔离度可重构特性的同时，最大程度的减小天线方向图的畸变；对于小型化设计，本发明运用加宽缝隙末端的思路将矩形缝隙9连接到位于顶层介质基板5中心的圆形缝隙12将频带向低频拓宽，实现了紧凑的结构尺寸。