一種小型非對稱高隔離度UWB?MIMO天線的制作方法

本發明屬于超寬帶(Ultra-WideBand,UWB)多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)天線技術領域，尤其涉及一種小型非對稱高隔離度UWB-MIMO天線。

背景技術：

隨著無線通訊相關科技的發展以及新設備、新要求、新應用場景的出現，現有的無線技術速率不能滿足要求，促使新的無線傳輸通信技術成型并飛速發展，短距離超寬帶UWB通信就是其中之一。UWB技術提供極大的物理帶寬7.5GHz，頻段范圍3.1GHz-10.6GHz，這在稀缺的頻譜資源中優勢明顯。基于豐富的帶寬，UWB信號可以通過擴大頻帶寬度B使相應UWB系統信道容量增大、信息速率得以提升。理論上UWB無線通訊系統在10m內的理想環境中，無失真最大傳輸速率是WIFI技術的2～100倍，同時在耗電量方面是傳統無線系統的百分之一。正是這些優點和特性，使得超寬帶無線技術吸引了越來越多的行業人才和通信專家進行研究，另外天線作為UWB系統設計的關鍵部件之一，同樣受到廣泛關注。但是，受到傳輸功率低的影響，UWB系統相對于傳統的無線通信系統更容易受到多徑的干擾。為了解決多徑效應的問題，多輸入多輸出MIMO技術被引進UWB系統中，利用多徑為系統提供分集增益的同時減小多徑衰落的干擾，使得信道容量進一步提升，鏈路質量得到改善。另外，為了降低天線間的相關性，傳統的MIMO系統使用相距半波長的天線單元組成的天線陣列，但這并不適用于手持設備和便攜式設備等終端。學者們采取了很多方法來設計小型化MIMO天線，但大部分都是針對窄帶通信系統。

現有的一些UWB-MIMO天線存在尺寸較大、不易于外電路集成，天線性能容易受地板尺寸的影響，天線間的隔離度較低、解耦和技術單一等問題。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種小型非對稱高隔離度UWB-MIMO天線，旨在解決目前UWB-MIMO天線尺寸較大、不易于外電路集成，天線間的隔離度較低、解耦和技術單一等問題。

本發明是這樣實現的，一種小型非對稱高隔離度UWB-MIMO天線，所述小型非對稱高隔離度UWB-MIMO天線設置有：

介質基板；

UWB天線單元A1和UWB天線單元A2；

第一金屬地板、第二金屬地板；

UWB天線單元A1和UWB天線單元A2共線平行放置在介質基板的兩端，并通過第一金屬地板相連。

進一步，所述UWB天線單元A1包括第一地板枝節、第一金屬輻射體、第一微帶傳輸線、第一激勵端口；

所述UWB天線單元A2包括第二地板枝節、第二金屬輻射體、第二微帶傳輸線、第二激勵端口；

所述第一激勵端口、第二激勵端口放置在介質基板的下邊緣；所述第一地板枝節與第二地板枝節通過第一金屬地板連接；所述第一金屬輻射體與第一激勵端口之間設有第一微帶傳輸線進行饋電，第二金屬輻射體與第二激勵端口之間設有第二微帶傳輸線進行饋電。

進一步，所述第一金屬輻射體采用非對稱共面帶線結構，第二金屬輻射體采用單極子圓形輻射結構。

進一步，所述第一微帶傳輸線、第二微帶傳輸線采用共面波導饋電結構。

進一步，所述第一微帶傳輸線旁的第一金屬地板邊緣采用三角形切角，第二微帶傳輸線附近的第一金屬地板、第二金屬地板邊緣均采用三角形切角。

進一步，所述第一地板枝節與第二地板枝節之間添加枝節縫隙。

本發明提出小型非對稱高隔離度UWB-MIMO天線，能夠滿足體積小、高隔離、性能穩定的天線設計要求。本發明采用不同天線單元組合的方案，解決已有的小型UWB-MIMO天線設計采用相同的天線單元而導致解耦技術單一的問題。其中，天線單元A1采用非對稱共面帶線結構(Asymmetric Coplanar Strip,ACS)而天線單元A2則采用改進型圓形單極子結構。一方面采用ACS結構有效地減小了UWB-MIMO天線的尺寸，另一面不同天線元間的地板枝節，在提供多個輻射諧振頻率的同時還起到解耦和的作用。本發明結構簡單，體積較小，性能良好，在UWB頻段內(3.1GHz-10.6GHz)內回波損耗S11(或S22)<-10dB，同時隔離度S12(或S21)<-15dB。本發明通過加載第一地板枝節和第二地板枝節改善諧振特性且兼顧解耦和的作用，使得天線很好的覆蓋UWB頻段(3.1GHz-10.6GHz)，同時擁有較高的隔離度。本發明結構簡單，尺寸較小且性能良好。

附圖說明

圖1(a)是本發明實施的小型非對稱高隔離度UWB-MIMO天線結構示意圖。

圖中：1、介質基板；2、第一金屬地板；3、第二金屬地板；4、第一地板枝節；5、第二地板枝節；6、第一天金屬輻射體；7、第二金屬輻射體；8、第一微帶傳輸線；9、第二微帶傳輸線；10、第一激勵端口；11、第二激勵端口；12、第一地板縫隙；13、第二地板縫隙。

圖1(b)是本發明實施的小型非對稱高隔離度UWB-MIMO天線側視圖。

圖2(a)是本發明實施的小型非對稱高隔離度UWB-MIMO天線中的第一天線單元A1。

圖2(b)是本發明實施的小型非對稱高隔離度UWB-MIMO天線中的第二天線單元A2。

圖3(a)是本發明實施天線的S₁₁和S₂₂(回波損耗)實測圖與仿真圖的對比。

圖3(b)是本發明實施天線的S₁₂和S₂₁(隔離度)實測圖與仿真圖的對比。

圖4是垂直放置天線單元的UWB-MIMO天線結構示意圖。

圖5(a)是圖4實施天線的S₁₁和S₂₂(回波損耗)實測圖與仿真圖的對比。

圖5(b)是圖4實施天線的S₁₂和S₂₁(隔離度)實測圖與仿真圖的對比。

圖6是加枝節縫隙的對稱UWB-MIMO天線結構示意圖。

圖7(a)是圖6實施天線的S₁₁和S₂₂(回波損耗)實測圖與仿真圖的對比。

圖7(b)是圖6實施天線的S₁₂和S₂₁(隔離度)實測圖與仿真圖的對比。

圖8是三種實施天線的相關系數曲線的對比。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

下面結合附圖對本發明的應用原理作詳細的描述。

如圖1所示，本發明實例提供的小型非對稱高隔離度UWB-MIMO天線包括有介質基板1，所述介質基板正面印制不同UWB天線單元A1和A2、第一金屬地板2、第二金屬地板3，所述UWB天線單元A1包括第一地板枝節4、第一金屬輻射體6、第一微帶傳輸線8、第一激勵端口10，天線單元A2包括第二地板枝節5、第二金屬輻射體7、第二微帶傳輸線9、第二激勵端口11。所述第一金屬輻射體6通過第一微帶傳輸線8由第一激勵端口10進行饋電，第二金屬輻射體7通過第二微帶傳輸線9由第二激勵端口11進行饋電，且所述第一微帶傳輸線8、第二微帶傳輸線9均采用共面波導饋電結構。所述不同的UWB天線單元A1和A2共線平行放置在介質基板的兩端，所述第一激勵端口10、第二激勵端口11放置在介質基板的下邊緣。

如圖2(a)所示，所述天線單元A1天線采用ACS結構的共面波導饋電(Coplanar Waveguide,CPW)平面印刷UWB天線，即將圓形單極子輻射單元切半后通過CPW饋電結構連接至激勵口饋電。天線單元A1的ACS結構比天線單元A2在尺寸上減小了45％。一方面，采用ACS結構可以減小的天線尺寸，而另一方面，天線減半后會導致阻抗匹配的惡化，無法滿足UWB特性需求。而第一微帶傳輸線8與第一金屬地板2之間的耦合縫隙g與第一微帶傳輸線8的寬度w_f的變化會引起特性阻抗的變化，因此這里通過優化w_f、g以及天線地板枝節的結構來達到較好的阻抗匹配，以滿足UWB特性。實驗表明，伴著w_f的增加，天線的性能曲線先降低后惡化。同時，耦合縫隙g較大時，天線特性阻抗變差，天線性能也隨之惡化。所以選取合適的w_f、g寬度，保證天線在整個頻段的良好性能。這里，天線單元A1的UWB工作頻段由半圓形輻射單元和地板枝節共同決定。地板加載輻射枝節使得UWB頻段內多處發生諧振，改善諧振特性。同時通過疊加半圓形輻射貼片，激發UWB頻段內多個輻射模式，相互疊加，能使天線單元很好的覆蓋3.1GHz-10.6GHz頻段。此外，CPW饋電結構右側金屬地板邊緣采用三角形切角方式，該切角方式通過減小輻射貼片和地板間的電磁耦合減小相互干擾，以提高高頻附近的性能。

如圖2(b)所示，所述天線單元A2采用圓形單極子結構，圓形單極子輻射單元通過CPW饋電結構連接至激勵口饋電。單極子結構的UWB天線利用對偶振子的二分之一作為輻射結構，另一半變形之后為天線的接地板。因此，單極子天線的尺寸只有傳統的對偶振子結構天線的二分之一，大概為四分之一波長。但是，在工程實踐中，地板尺寸會影響到單極子天線的性能，尤其是天線在低頻段的截止頻率。因此，本文在傳統單極子UWB天線的基礎上，通過縮減地板尺寸和輻射單元尺寸，在地板上延伸出一個地板枝節，使得地板枝節在低頻段被激勵，產生諧振頻率；而在高頻段，天線則作為一個傳統的單極子天線工作，相互疊加覆蓋UWB頻段；最后通過調整地板尺寸優化中頻段的性能。其中未加載枝節的圓形輻射單元的最低截止頻率為4GHz，通過添加地板枝節、調整地板尺寸，激發了UWB頻段內多個輻射模式，能使天線很好的覆蓋3.1GHz-10.6GHz頻段。另外，天線單元A2的CPW饋電結構兩側的金屬地板邊緣也均采用三角 形切角方式以減小耦合，提高高頻附近的性能。

如圖1所示，所述小型非對稱高隔離度UWB-MIMO天線將天線單元A1和A2共線平行放置在介質基板的兩端，左邊為天線單元A1，右邊為天線單元A2。

此時，天線單元A1和A2在工作時除了自身激勵電流向外輻射或者向內接受電磁波，還有受到對方天線單元的影響，因此天線單元A1和A2之間具有一定的相關性。而MIMO系統為了獲得好的性能需要接收到的信號具有很低的互相關性，這就要求設計的多天線系統端口間具有盡可能低的互耦。天線單元A1和A2的第一地板枝節與第二地板枝節通過第一金屬地板連接，同時在添加枝節縫隙，隔離枝節，使得地板枝節在提供額外的諧振頻段的同時起到解耦和的作用，降低了MIMO天線間的相關性。這里，枝節縫隙寬度W_slot以及金屬連接處的高度L_slot對于隔離度的影響較大。實驗表明，隨著W_slot和L_slot的增加，天線間的隔離度越好。整個MIMO天線蝕刻在介電常數ε_r＝4.4，厚度h＝1mm的FR4_epoxy介質板上，由寬度w_f＝2.6mm的50Ω微帶共面波導饋電線對兩個激勵端口饋電。天線的長度37.5mm，寬度為23mm，枝節的寬度為1mm，耦合縫隙g＝0.3mm，枝節縫隙寬度W_slot＝5.6mm，金屬連接處的深度L_slot＝1.5mm。

如圖3(a)和圖3(b)所示，分別給出了本發明實施天線的S₁₁和S₂₂(回波損耗)實測圖與仿真圖的對比以及S₁₂和S₂₁(隔離度)實測圖與仿真圖的對比，其中虛線表示仿真，實線表示實測。仿真和實測數據有很好的吻合，總體趨勢相似，出現諧振的頻段有延遲，這主要是由于天線實測的環境變量以及設備干擾未在仿真過程中考慮到。從曲線對比中可以看出，本發明實施的UWB-MIMO天線結構簡單，性能良好，在UWB頻段內(3.1GHz-10.6GHz)內回波損耗S11(或S22)<-10dB，同時隔離度S12(或S21)<-15dB。

如圖4所示，所述UWB-MIMO天線采用A2作為輻射單元，并在介質基板的上表面設置兩個相同的天線單元A2，且兩個天線單元在基板中心兩側垂直放置。所述第一地板枝節與第二地板枝節通過第一金屬地板連接。整個UWB-MIMO天線蝕刻在介電常數ε_r＝4.4，厚度h＝1mm的FR4_epoxy介質板上，由寬度w_f＝2.6mm的50Ω微帶共面波導饋電線對兩個激勵端口饋電。天線的長度46mm，寬度為23mm，枝節的寬度為1mm，耦合縫隙g＝0.3mm，枝節縫隙寬度W_slot＝5.6mm，金屬連接處的深度L_slot＝1.5mm。其中第一地板枝節利用空間方向圖多樣性的解耦辦法，在低頻處充當諧振結構的同時兼顧實現解耦的作用。第一地板枝節、第二地板枝節在天線的諧振和隔離度中都起到重要作用。圖5(a)是圖4實施天線的S₁₁和S₂₂(回波損耗)實測圖與仿真圖的對比，圖5(b)是圖4實施天線的S₁₂和S₂₁(隔離度)實測圖與仿真圖的對比。曲線顯示，圖4所示UWB-MIMO天線在很寬的頻段內(3.1-10.6GHz的7.5GHz以上)可以實現良好的阻抗匹配(S11<-10dB)，并且在整個UWB的頻段內，所述第一天金屬輻射體6、第二金屬輻射體7有很好的隔離度(S12<-15dB)。實測和仿真數據吻合。

如圖6所示，所述UWB-MIMO天線采用兩個A1作為輻射單元，且兩個A1天線單元形成對稱結構，被放置在介質基板的兩邊。第一地板枝節、第二地板枝節通過金屬地板連接在一起，且關于介質基板中線呈鏡面對稱。所述第一地板枝節、第二地板枝節在提供額外的諧振頻段的同時起到解耦和的作用。整個UWB-MIMO天線蝕刻在介電常數4.4，厚度h＝1mm的FR4_epoxy介質板上，寬度w_f＝2.6mm的第一微帶傳輸線、第二微帶傳輸線采用CPW共面波導饋電結構，分別對第一激勵端口、第二激勵端口饋電。天線的長度為33mm，寬度為23mm，枝節的寬度為23mm，結構緊湊。圖7(a)是圖6實施天線的S₁₁和S₂₂(回波損耗)實測圖與仿真圖的對比，圖7(b)是圖6實施天線的S₁₂和S₂₁(隔離度)實測圖與仿真圖的對比。天線良好的隔離度性能且結構簡單，解耦結構作用明顯。

如圖1、圖4以及圖6所示的三個UWB-MIMO天線有一個共同的特點就是地板枝節在天線中的作用。一是在天線單元的輻射中充當諧振結構，為實現覆蓋UWB頻段提供了諧振頻率；二是在MIMO天線中提供了兼顧解耦和的作用。 實測表明，三款天線均在UWB頻段3.1GHz-10.6GHz有良好的隔離度S12<-15dB。如圖8所示，三款天線的相關系數都能在頻段內滿足ρ_ECC≤0.2，滿足MIMO天線單元間低相關的要求。其中本發明所述的UWB-MIMO天線單元MA1的相關系數最低，僅為ρ_ECC≤0.02。非常便于在較小的空間內集成UWB-MIMO天線。

以上所述僅為本發明的較佳實例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。