應用于四端口mimo系統的疊合式多模貼片天線的制作方法
【專利摘要】本發明提供一種應用于四端口MIMO系統的疊合式多模貼片天線，從上至下依次包括圓形上層介質板、空氣層、圓形下層介質板、金屬地板，所述上層介質板上方為上層金屬貼片，上層金屬貼片包括：中心設有十字空心槽的上層圓盤、上層圓環，下層介質板上方為下層金屬貼片，下層金屬貼片包括：中心設有圓孔的下層圓盤、下層圓環，下層金屬貼片上設有四個饋電點；本發明首次提出了層疊型的用于四端口MIMO系統的多模天線并且進行了實物加工及測試，天線可以在低剖面的情況下實現寬帶緊湊化設計，與此同時天線饋電結構簡單，在帶寬內(2.5?2.69GHz)可以保持穩定的輻射特性。天線端口間隔離大于23.8dB，相關性在帶寬內基本為0，適合MIMO的應用。
【專利說明】
應用于四端口 MIMO系統的疊合式多模貼片天線
技術領域
[0001]本發明屬于天線技術領域，尤其是一種工作在四端口MIMO系統的疊合式多模貼片天線。
【背景技術】
[0002]當前的通信領域對天線技術發展提出了諸多要求，天線的要求趨向緊湊，小型化，寬帶等。而這些要求往往是相互矛盾的，此時多模天線以其簡明的物理內涵倍受關注。本發明正是基于上述需求，設計了用于通信系統的多模疊合式貼片天線，尤其適用于工作在四端口 MMO系統。
[0003]多模天線在天線設計中廣泛應用，區別于很多設計沒有明確的提出諧振原理不同，多模天線將天線的輻射機理基于模式展開的觀點清晰的呈現出來。其應用也遍及寬帶，小型化，多頻，ΜΙΜ0，圓極化等領域。為天線設計提供了類似于封閉電磁結構的簡單的設計觀點。
[0004]由于自身的多諧性，任何輻射體都是多模結構。只是不同的模式具有不同的諧振頻點和輻射特性。常見的天線大都工作在其基模，輻射機理也可以從各種觀點加以解釋。例如微帶天線就有傳輸線理論和腔模理論可以分析輻射特性和參數。但是常見的場設計復雜的天線往往與多模天線有所關聯，就是說多模天線因為本身要對輻射結構多個模式進行操作和利用，其設計過程復雜，也正因為此，多模天線才可以完成常規天線不能完成的任務。例如最常見的多模天線就是圓極化天線，這需要結構的兩個模式經過一定的相位安排，共同輻射，產生所需的圓極化。
[0005]簡單的利用原有結構的模式，經過微擾，調整諧振頻率的方法存在輻射場隨頻率不穩定的不足，因此更多的多模天線結構被提出。比如層疊微帶天線，在為天線引入額外諧振點的同時保證方向圖穩定。對層疊微帶天線本身的輻射機理也就需要更深入的研究和理解。
[0006]1988年Rodney G.Vaughan分析了圓盤的多種諧振模式，展示了不同模式的方向圖，并利用了高次模設計天線。2004年Christian Waldschmidt設計了MIMO系統中用于方向圖和極化分集的多模天線。2008年Eva Rajo-1glesias對基于圓形微帶天線，實現了多端口多頻的緊湊多模天線設計。2010年J.Sarrazin基于組合式天線不同諧振模式，獲得了四端口的小型化MIMO天線。2011年Julien Sarraz in設計了一款小型化多模微帶MIMO天線，通過模式正交性，實現了多個端口相互正交的輻射特性。2011年J.Kim進行了用于廣播的多模天線設計，三種不同部分被整合在同一塊PCB板上，完成多種不同的諧振特性。2013年JuhuaLiu應用多種模式完成了穩定方向圖的寬帶設計。2014年Carlos Redondo系統闡述了用于可重構的多模天線，試圖為多模天線設計提供指南。2014年，Wen-Jun Lu對縫隙天線做了模式分析，并完成了多模天線設計。
[0007]目前尚未在國內方面發現相關類似論文或發明專利公開。
【發明內容】
[0008]本發明的發明目的是:鑒于上述技術背景及要求，提出一種應用于四端口MMO系統的疊合式多模貼片天線，具體來說，采用常用的圓環與圓盤形式的組合型天線設計。從腔模理論角度來看，采用的是圓盤TMll模與圓環TM21模。但是需要諧振頻率相同而帶寬相近，使得內部圓盤需要做小型化處理。
[0009]本發明技術方案如下:
[0010]一種應用于四端口 MMO系統的疊合式多模貼片天線，從上至下依次包括圓形上層介質板、空氣層、圓形下層介質板、金屬地板，所述上層介質板上方為上層金屬貼片，上層金屬貼片包括:中心設有十字空心槽的上層圓盤、上層圓盤外部與其同心的上層圓環，下層介質板上方為下層金屬貼片，下層金屬貼片包括:中心設有圓孔的下層圓盤、下層圓盤外部與其同心的下層圓環，下層金屬貼片上設有四個饋電點，以下層圓盤的圓心為原點，下層圓盤所在的平面上以水平方向為X軸、垂直方向為Y軸建立坐標系，第一饋電點位于X軸正半軸的下層圓盤上，第二饋電點位于Y軸正半軸的下層圓盤上，第三饋電點位于與X軸正半軸成-45度的下層圓環上，第四饋電點位于X軸的負半軸的下層圓環上。
[00?1 ]作為優選方式，第一饋電點和第二饋電點距離原點的距離f in = 9mm，第三饋電點和第四饋電點距離原點的距離f out = 29.5mm。
[0012]作為優選方式，所述上層金屬貼片、下層金屬貼片通過上層介質板上方的金屬層和下層介質板上方的金屬層刻蝕得到。
[0013]作為優選方式，金屬地板半徑為r5 = 60mm。
[OOM]作為優選方式，上層介質基板介電常數為2.2，上層介質板的半徑r5 = 60mm、厚度tl = 0.787mm;十字空心槽的每條邊的長度L = 29.7mm，每條邊的寬度W= 3mm;上層圓盤半徑rl = 20mm，上層圓環內徑r2 = 24mm，外徑r3 = 42.5mm。
[0015]作為優選方式，下層介質板與上層介質板材料相同，介質板介電常數為2.2，下層介質板半徑r5 = 60mm、厚度t2= 1.52mm，下層圓盤的圓孔半徑r6 = 6mm，下層圓盤半徑r7 =20.47臟，下層圓環內徑r8 = 23臟、外徑r9 = 30.7臟。
[0016]作為優選方式，空氣層厚度h= 5mm。
[0017]作為優選方式，圓形上層介質板、空氣層、圓形下層介質板、金屬地板通過四個尼龍螺釘連接成一體。
[0018]作為優選方式，所述四個尼龍螺釘分別位于x，y軸的正負半軸，距離原點距離r4=55mm0
[0019]首先對圓盤與圓環的模式進行簡單的分析，因為結構要提供四個相同頻率的端口，所以目標就是將圓盤的TMll模與圓環的TM21模諧振頻率調整至同一頻點。對圓盤進行小型化。當然有很多形式的小型化，但是在不破壞結構對稱性的前提下，選擇十字開槽的方式。適當調整結構，可以使得四個模式，即兩組簡并模式諧振于目標頻點。但是這種天線形式由于結構緊湊，模式之間相互影響，帶寬均有降低。為了解決此問題，引入空氣層。然而由于天線剖面的提高，保持帶寬和輻射穩定性的前提下，采用傳統同軸激勵形式已比較困難。為此引入了下層金屬貼片，以展寬帶寬同時簡化饋電裝置，并且因此激勵起了四組簡并模式。饋電方式采用四端口同軸探針饋電，在下層貼片與地板上直接加激勵。根據電流分布安排饋電，保證簡并的模式被獨立的激勵。適當調整參數完成阻抗匹配。
[0020]本發明的特點是首次提出了通過引入下層金屬貼片，激勵起了四組諧振的簡并模式。使得天線阻抗帶寬在空氣層厚度0.043波長的情況下，達到了帶寬7.7%，并且在帶寬內天線輻射特性保持穩定。而在只利用兩組簡并模的條件下，這種緊湊的多模天線帶寬在4%左右，并且內外結構之間需要引入金屬壁形式的隔離裝置，同時為了匹配，需要引入其他結構上的變化，而可能破壞結構對稱性，從而導致輻射特性隨之惡化，而且使得天線結構復雜。本發明表明如果饋電結構的影響可以被控制在有限范圍內，那么正交的模式相互之間影響不再需要人為引入結構加以控制，同時可以保持結構簡單緊湊。
[0021]本天線的設計尺寸是通過分析電流加上HFSS仿真之后的優選尺寸。
[0022]結構有上下層金屬貼片，均包括兩部分:內部圓盤與外部圓環。諧振模式類似內部貼片TMl I和外部貼片TM21模式。每種模式包含兩種源于對稱結構的簡并模式。對于每一種端口將激勵兩個模式，通過合并諧振點，拓展頻點。
[0023]為了將內外模式諧振點調整到相同頻帶，同時保證結構緊湊，需要對內部貼片小型化，上層金屬貼片采用十字槽，下層金屬貼片采用圓形槽，可以適當調整尺寸完成小型化。
[0024]激勵安排根據TMll與TM21模式電流或者電場分布，內部結構端口間夾角90度，夕卜部端口夾角135度(或者45度，考慮到端口隔離取135度)。因為模式的正交性，如此的激勵安排降低了端口耦合。
[0025]本發明的有益效果是:首次提出了層疊型的用于四端口MMO系統的多模天線并且進行了實物加工及測試。天線可以在低剖面的情況下實現寬帶緊湊化設計，與此同時天線饋電結構簡單，在帶寬內(2.5-2.69GHz)可以保持穩定的輻射特性。天線端口間隔離大于23.8dB，相關性在帶寬內基本為O，適合M頂O的應用。
【附圖說明】
[0026]圖1為本發明的上層金屬貼片俯視圖；
[0027]圖2為本發明的下層金屬貼片俯視圖；
[0028]圖3為本發明的側視圖；
[0029]圖4為本發明的仿真S參數圖；
[0030]圖F1一圖5-8為本發明的四端口仿真輻射方向圖；
[0031]圖5-1為portI，phi = Odeg的仿真福射方向圖；
[0032]圖5-2為portI，phi = 90deg的仿真福射方向圖；
[0033]圖5-3為port2，phi = Odeg的仿真福射方向圖；
[0034]圖5-4為port2，phi = 90deg的仿真福射方向圖；
[0035]圖5-5為port3，phi = Odeg的仿真福射方向圖；
[0036]圖5-6為port3，phi = 90deg的仿真福射方向圖；
[0037]圖5-7為port4，phi = Odeg的仿真福射方向圖；
[0038]圖5-8為port4，phi = 90deg的仿真福射方向圖；
[0039]圖6為應用于四端口MBTO系統的疊合式多模貼片天線的仿真峰值增益圖；
[0040]圖7為本發明四個端口的仿真輻射效率圖；
[0041]圖8為本發明的仿真相關性系數ECC;
[0042]圖9為本發明的實物測試S參數圖；
[0043]圖10-1至10-8為本發明的四端口實物測試輻射方向圖；
[0044]圖10-1為portI，phi = Odeg實物測試福射方向圖；
[0045]圖10-2為portI，phi = 90deg實物測試福射方向圖；
[0046]圖10-3為port2，phi = Odeg實物測試福射方向圖；
[0047]圖10-4為port2，phi = 90deg實物測試福射方向圖；
[0048]圖10-5為port3,phi = Odeg實物測試福射方向圖；
[0049]圖10-6為port3，phi = 90deg實物測試福射方向圖；
[°°50]圖10-7為port 4，phi = 0deg實物測試福射方向圖；
[0051]圖10-8為port4phi = 90deg實物測試福射方向圖；
[0052]Phi角是指和X軸正半軸的夾角，逆時針為正，順時針為負；角度變化范圍為-180度至丨J180度；
[0053]圖11為本發明四個端口的實物測試峰值增益圖。
[0054]其中，I為上層圓盤，2為上層圓環，3為上層介質板，4為圓孔，5為下層圓盤，6為下層圓環，7為十字空心槽，8為尼龍螺釘孔，9為尼龍螺釘，10為下層介質板，11為金屬地板，12為第一饋電點，13為第二饋電點，14為第三饋電點，15為第四饋電點，16為空氣層，17為上層金屬貼片，18為下層金屬貼片。
【具體實施方式】
[0055]以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的【具體實施方式】加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。
[0056]—種應用于四端口 MMO系統的疊合式多模貼片天線，從上至下依次包括圓形上層介質板3、空氣層16、圓形下層介質板10、金屬地板11，所述上層介質板上方為上層金屬貼片17，上層金屬貼片17包括:中心設有十字空心槽7的上層圓盤1、上層圓盤外部與其同心的上層圓環2，下層介質板10上方為下層金屬貼片18，下層金屬貼片18包括:中心設有圓孔4的下層圓盤5、下層圓盤5外部與其同心的下層圓環6，下層金屬貼片上設有四個饋電點，以下層圓盤的圓心為原點，下層圓盤所在的平面上以水平方向為X軸、垂直方向為Y軸建立坐標系，第一饋電點12位于X軸正半軸的下層圓盤上，第二饋電點13位于Y軸正半軸的下層圓盤上，第三饋電點14位于與X軸正半軸成-45度的下層圓環上，第四饋電點15位于X軸的負半軸的下層圓環上。
[0057]第一饋電點和第二饋電點距離原點的距離fin= 9mm，第三饋電點和第四饋電點距離原點的距離f out = 29.5mm。
[0058]所述上層金屬貼片、下層金屬貼片分別通過上層介質板上方的金屬層和下層介質板上方的金屬層刻蝕得到。
[0059]金屬地板半徑為r5 = 60mm。
[0000]上層介質基板介電常數為2.2，上層介質板的半徑15 = 60臟、厚度1:1=0.7871111]1;十字空心槽的每條邊的長度L = 29.7mm，每條邊的寬度W = 3mm;上層圓盤半徑r I = 20mm，上層圓環內徑r2 = 24mm，外徑r3 = 42.5mm。
[ΟΟ?? ]下層介質板與上層介質板材料相同，介質板介電常數為2.2，下層介質板半徑r5 =60mm、厚度t2 = 1.52mm，下層圓盤的圓孔半徑r6 = 6mm，下層圓盤半徑r7 = 20.47mm，下層圓環內徑r8 = 23mm、外徑r9 = 30.7mm。
[0062]空氣層厚度h = 5mm。
[0063]圓形上層介質板、空氣層、圓形下層介質板、金屬地板通過四個尼龍螺釘9連接成一體。所述四個尼龍螺釘分別位于X，y軸的正負半軸，距離原點距離r4 = 55mm。尼龍螺釘通過4個尼龍螺釘孔8固定。
[0064]本天線的設計尺寸是通過分析電流加上HFSS仿真之后的優選尺寸。
[0065]本發明的工作原理是這樣的:通過層疊式天線，提高帶寬，降低剖面。通過對內部圓盤結構的改變，引入了十字槽以及下層貼片，將圓盤的TMll模與圓環的TM21模諧振頻率調整至同一頻點，從而提供四個工作在相同頻率的端口，并得到了四組諧振的簡并模。由于模式的正交性，所以輻射方向圖正交，調整饋電位置與結構，可實現阻抗匹配與端口隔離。同時因為層疊形式的天線饋電形式簡單，對結構的對稱性沒有破壞，所以保持了低的相關性系數ECC，在阻抗帶寬內低于3.5e-4，基本為O。
[0066]圖1，圖2和圖3示例性地描述了應用于四端口MMO系統的疊合式多模貼片天線設計結構。
[0067]圖4為應用于四端口MIMO系統的疊合式多模貼片天線的仿真S參數圖，可以看出在工作頻段內(2.5-2.69GHz)，四個端口的S參數均小于-1OdB，隔離度均小于-23.8dB。
[0068]圖5為應用于四端口MMO系統的疊合式多模貼片天線的四端口分別在2.55GHz以及2.65GHz的仿真福射方向圖。對于四個端口，交叉極化均低于主極化26dB。
[0069]圖6為應用于四端口MMO系統的疊合式多模貼片天線的仿真峰值增益圖。天線四個端口在測試面內的峰值增益分別為9.2dBi，9.2dBi，5dBi和6.2dBi。
[0070]圖7為應用于四端口MIMO系統的疊合式多模貼片天線四個端口的仿真輻射效率圖，四個端口在工作頻帶內輻射效率均大于0.92。
[0071]圖8為應用于四端口MIMO系統的疊合式多模貼片天線的仿真相關性系數ECC，在阻抗帶寬內低于3.5e-4，基本為O。
[0072]圖9為應用于四端口MIMO系統的疊合式多模貼片天線的實物測試S參數圖。測試阻抗帶寬略小于仿真結果，四個端口阻抗帶寬相當，約為2.5-2.67GHz。小圓環的兩個饋電端口，大圓環的兩個饋電端口互親在帶寬內略小于仿真結果，為-24.5dB。
[0073]圖10為應用于四端口MMO系統的疊合式多模貼片天線的四端口分別在2.55GHz以及2.65GHz的測試輻射方向圖。對于小圓環的兩個饋電端口，交叉極化水平低于主極化22dB。對于大圓環的兩個饋電端口低于15dB。
[0074]圖11為應用于四端口MMO系統的疊合式多模貼片天線的實物測試峰值增益圖。天線四個端P在測試面內的峰值增益分別為9.34dBi，9.58dBi，6.18dBi和6.65dBi。可以看出，實物測試增益比仿真高。
[0075]上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用于限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。
【主權項】
1.一種應用于四端口 MMO系統的疊合式多模貼片天線，其特征在于:從上至下依次包括圓形上層介質板、空氣層、圓形下層介質板、金屬地板，所述上層介質板上方為上層金屬貼片，上層金屬貼片包括:中心設有十字空心槽的上層圓盤、上層圓盤外部與其同心的上層圓環，下層介質板上方為下層金屬貼片，下層金屬貼片包括:中心設有圓孔的下層圓盤、下層圓盤外部與其同心的下層圓環，下層金屬貼片上設有四個饋電點，以下層圓盤的圓心為原點，下層圓盤所在的平面上以水平方向為X軸、垂直方向為Y軸建立坐標系，第一饋電點位于X軸正半軸的下層圓盤上，第二饋電點位于Y軸正半軸的下層圓盤上，第三饋電點位于與X軸正半軸成-45度的下層圓環上，第四饋電點位于X軸的負半軸的下層圓環上。2.根據權利要求1所述的應用于四端口MIMO系統的疊合式多模貼片天線，其特征在于:第一饋電點和第二饋電點距離原點的距離fin = 9mm，第三饋電點和第四饋電點距離原點的距離f out = 29.5mm。3.根據權利要求1所述的應用于四端口MIMO系統的疊合式多模貼片天線，其特征在于:所述上層金屬貼片、下層金屬貼片通過上層介質板上方的金屬層和下層介質板上方的金屬層刻蝕得到。4.根據權利要求1所述的應用于四端口MIMO系統的疊合式多模貼片天線，其特征在于:金屬地板半徑為r5 = 60mm。5.根據權利要求1所述的應用于四端口MIMO系統的疊合式多模貼片天線，其特征在于:上層介質基板介電常數為2.2，上層介質板的半徑r5 = 60mm、厚度tl = 0.787mm;十字空心槽的每條邊的長度L = 29.7mm，每條邊的寬度W = 3mm;上層圓盤半徑r I = 20mm，上層圓環內徑r2 = 24mm，外徑 r3 = 42.5mm。6.根據權利要求1所述的應用于四端口MIMO系統的疊合式多模貼片天線，其特征在于:下層介質板與上層介質板材料相同，介質板介電常數為2.2，下層介質板半徑『5 = 601111]1、厚度t2 = 1.52mm，下層圓盤的圓孔半徑r6 = 6mm，下層圓盤半徑r7 = 20.47mm，下層圓環內徑r8=23臟、外徑19 = 30.7mm。7.根據權利要求1所述的應用于四端口MIMO系統的疊合式多模貼片天線，其特征在于:空氣層厚度h = 5mm。8.根據權利要求1所述的應用于四端口MIMO系統的疊合式多模貼片天線，其特征在于:圓形上層介質板、空氣層、圓形下層介質板、金屬地板通過四個尼龍螺釘連接成一體。9.根據權利要求8所述的應用于四端口MIMO系統的疊合式多模貼片天線，其特征在于:所述四個尼龍螺釘分別位于x，y軸的正負半軸，距離原點距離r4 = 55mm。
【文檔編號】H01Q1/50GK105870620SQ201610365368
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月26日
【發明人】楊德強, 曾慧靈, 文宇波, 陳睿, 潘錦, 劉賢峰, 曹飛飛, 肖花, 孫凱, 胡鑒中
【申請人】電子科技大學