一種基于ebg結(jié)構(gòu)的雙極化mimo天線的制作方法
【專利摘要】一種基于EBG結(jié)構(gòu)的雙極化MIMO天線，由兩個相同的雙饋微帶貼片天線和EBG周期結(jié)構(gòu)組合構(gòu)成。所述天線周圍被EBG結(jié)構(gòu)包圍，介質(zhì)板（1）的反面設(shè)置接地板部分。所述的雙極化微帶貼片天線加載了四個對稱的四分之一圓環(huán)縫隙（3），并且在水平和垂直對稱軸上進(jìn)行雙同軸饋電，兩個相同的微帶貼片天線關(guān)于y軸對稱；所述的BEG結(jié)構(gòu)由邊緣加載了四個對稱縫隙的周期矩形貼片排列構(gòu)成，并且在貼片的中心位置有導(dǎo)電過孔（10）與介質(zhì)基板底層的接地板相連接。本發(fā)明與傳統(tǒng)微帶貼片天線相比，不僅縮小了天線輻射體的尺寸，而且實現(xiàn)了雙極化，通過加載EBG結(jié)構(gòu)大大提高了天線的前后比和增益。本發(fā)明適用于高增益大信道容量高速傳輸天線，尤其適用于IEEE802.11a協(xié)議的5.8GHz頻段。
【專利說明】-種基于EBG結(jié)構(gòu)的雙極化ΜΙΜΟ天線
[0001]

【技術(shù)領(lǐng)域】 本發(fā)明涉及一種基于EBG結(jié)構(gòu)的雙極化ΜΜ0天線，屬于無線通信【技術(shù)領(lǐng)域】。
[0002]

【背景技術(shù)】 自從進(jìn)入21世紀(jì)以來，各種無線通信的技術(shù)蓬勃發(fā)展，尤其是移動【技術(shù)領(lǐng)域】，由于 集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，移動終端的體積迅速減小，這時天線的小型化問題就立刻凸顯 出來，開展小型化天線理論及設(shè)計工作，不僅有較高的學(xué)術(shù)價值，而且也有相當(dāng)?shù)膶嶋H的意 義。此外近年來在無線通信系統(tǒng)發(fā)展過程中，所面臨用戶數(shù)量大量增長和頻譜資源越來越 緊張的局面?？紤]為了能夠更加充分的利用這點寶貴的頻譜資源，節(jié)省頻譜和減少頻譜的 太過擁擠，因此在現(xiàn)代的通信領(lǐng)域中迫切需要天線具有雙極化的功能，因為雙極化的天線 可以使其通信容量增加一倍。雙極化微帶天線是微帶天線的重要的組成部分，因為它繼承 了微帶天線的饋電方式和極化制式的多樣化及饋電網(wǎng)絡(luò)、有源電路集成一體化等優(yōu)點。
[0003] ΜΙΜΟ (Multiple-Input Multiple-Output)技術(shù)即多輸入多輸出技術(shù)，在天線方面 體現(xiàn)在多天線的運(yùn)用。無線電發(fā)送的信號被反射時，會產(chǎn)生多份信號，每份信號都是一個空 間流，使用單輸入單輸出（SIS0)的系統(tǒng)一次只能發(fā)送或接收一個空間流。而ΜΙΜΟ允許多 個天線同時發(fā)送和接收多個空間流，并能夠區(qū)分發(fā)往或來自不同空間方位的信號。多天線 系統(tǒng)的應(yīng)用，使得并行數(shù)據(jù)流可以同時傳送。同時，在發(fā)送端或接收端采用多天線，可以顯 著克服信道的衰落，降低誤碼率。
[0004] 電磁帶隙EBG (Electromagnetic Band-Gap)結(jié)構(gòu)，即應(yīng)用于微波頻段的PBG (PhotonicBand-Gap)或稱光子晶體（Photonic Crystal)結(jié)構(gòu)，其概念來源于固體物理 學(xué)中的"原子晶體"。EBG結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于微波電路、天線、光學(xué)器件等很多方面。這種禁止特 定頻帶內(nèi)的電磁波傳播的特性可以用來消除或減弱平面電路中的表面波，從而減少互耦、 改善天線（陣)的性能等；利用缺陷可以實現(xiàn)諧振器或波導(dǎo)；利用帶阻特性可以實現(xiàn)濾波器、 移相器功能。將EBG結(jié)構(gòu)與天線結(jié)合能夠提高天線增益、前后比以及隔離度。
[0005]


【發(fā)明內(nèi)容】
本發(fā)明的目的是，為了設(shè)計一款高增益大信道容量高速傳輸天線，可以實現(xiàn)雙極化特 性，具有結(jié)構(gòu)小，結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)計靈活等特點，改善傳統(tǒng)微帶貼片尺寸和輻射性能方面的缺 陷。本發(fā)明提出一種基于EBG結(jié)構(gòu)的雙極化ΜΜ0天線。
[0006] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)： 本發(fā)明一種基于EBG結(jié)構(gòu)的雙極化ΜΙΜ0天線由兩個相同的雙饋微帶貼片天線和EBG 周期結(jié)構(gòu)組合構(gòu)成，所述雙饋微帶貼片天線周圍被EBG結(jié)構(gòu)包圍，介質(zhì)板的反面設(shè)置接地 板部分。
[0007] 所述的微帶貼片天線加載了四個對稱的四分之一圓環(huán)縫隙，并且在水平和垂直對 稱軸上進(jìn)行雙同軸饋電，兩個相同的微帶貼片天線關(guān)于y軸對稱。
[0008] 所述的BEG結(jié)構(gòu)由邊緣加載了四個對稱縫隙的周期矩形貼片排列構(gòu)成，并且在貼 片的中心位置有導(dǎo)電過孔與介質(zhì)基板底層的接地板相連接。
[0009] 本發(fā)明所述的雙饋微帶貼片天線加載了四個對稱的四分之一圓環(huán)縫隙，這樣大大 增加了電流路徑，相對傳統(tǒng)貼片式微天線大大縮小了天線尺寸。在貼片水平和垂直對稱軸 上進(jìn)行雙同軸饋電，兩端口饋電則會激勵出一對正交極化工作模TM 01和TM 10，它們的 極化方式是相互垂直的，且等幅同相，即產(chǎn)生0° (水平）和90° (垂直）的雙線極化波。 這種雙饋方式的雙極化天線除了擁有良好的輸入匹配網(wǎng)絡(luò)之外，還具有較高的隔離度和 較低的交叉極化。
[0010] 本發(fā)明采用雙饋微帶貼片天線和EBG周期結(jié)構(gòu)聯(lián)合設(shè)計，其中EBG結(jié)構(gòu)由邊緣加 載了四個對稱縫隙的周期矩形貼片排列構(gòu)成，加載的縫隙延長了表面電流的有效路徑，從 而間接增加了貼片的電長度，加載的縫隙同時也引入了附加的耦合電容，有效地縮小了 EBG 結(jié)構(gòu)的尺寸；在貼片的中心位置有導(dǎo)電過孔與介質(zhì)基板底層的接地板相連接，引入了等效 電感，同樣可以縮小EBG結(jié)構(gòu)尺寸；最后用兩層EBG結(jié)構(gòu)將兩個相同的雙饋微帶貼片天線包 圍。通過調(diào)節(jié)EBG結(jié)構(gòu)使其禁帶包含雙饋微帶貼片天線的帶寬，就能夠?qū)崿F(xiàn)抑制表面波達(dá) 到提高增益和前后比的效果。
[0011] 本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明在保證天線工作頻段的前提下，通過對傳統(tǒng)微帶貼 片天線加載縫隙，以此實現(xiàn)小型化的目的；相比傳統(tǒng)單饋天線，本發(fā)明采用雙饋方式在一個 天線上同時實現(xiàn)水平極化和垂直極化，使得通信容量增加一倍，有利于多媒體的傳輸。本發(fā) 明利用雙天線ΜΜ0技術(shù)極大地提升了頻譜效率，并在有限的頻譜資源內(nèi)上實現(xiàn)高速率和 大容量；除此之外，本發(fā)明在天線周圍加載EBG結(jié)構(gòu)，以此來抑制表面波，提高了天線的前 后比、增益以及隔離度，其中本發(fā)明中EBG結(jié)構(gòu)相對傳統(tǒng)的蘑菇型通過加載縫隙實現(xiàn)禁帶 頻率的降低，達(dá)到了縮小尺寸的目的。
[0012] 本發(fā)明所述的基于EBG結(jié)構(gòu)的雙極化ΜΜ0天線在5. 8GHz產(chǎn)生諧振，大于10dB 回波損耗的帶寬范圍為5. 70GHz?5. 93GHz，適用于IEEE 802. 1 la協(xié)議的5. 8GHz頻段 (5. 725GHz飛.825GHz)，對于視頻、音頻等多媒體的高速傳輸具有廣泛的應(yīng)用前景。
[0013] 本發(fā)明適用于高增益大信道容量高速傳輸天線，尤其適用于IEEE 802. 11a協(xié)議 的5. 8GHz頻段。
[0014]

【專利附圖】

【附圖說明】 圖1為本發(fā)明基于EBG結(jié)構(gòu)的雙極化ΜΜ0天線的俯視圖； 圖2為本發(fā)明基于EBG結(jié)構(gòu)的雙極化ΜΜ0天線的主視圖； 圖3為天線加載/未加載EBG時的S11參數(shù)對比圖； 圖4為本發(fā)明基于EBG結(jié)構(gòu)的雙極化ΜΙΜΟ天線的端口 1隔離度曲線圖； 圖5為本發(fā)明基于EBG結(jié)構(gòu)的雙極化ΜΙΜΟ天線的端口 2隔離度曲線圖； 圖6為本發(fā)明基于EBG結(jié)構(gòu)的雙極化ΜΙΜΟ天線的方向圖，圖中曲線的粗實線范圍表示 Ε面，虛線范圍表示Η面； 圖7為本發(fā)明天線加載/未加載EBG時的前后比對比圖； 圖8為本發(fā)明基于EBG結(jié)構(gòu)的雙極化ΜΜ0天線在5. 76GHz的3D輻射圖； 圖9為本發(fā)明天線加載/未加載EBG時的增益對比圖； 圖中圖號：1是介質(zhì)板，這里使用的是介電常數(shù)4. 4厚度1. 6_的FR4板；2是微帶貼片 天線，這里采用正方形貼片；3是微帶貼片上加載的四分之一圓環(huán)縫隙；4是第一同軸饋電 點（端口 1) ;5是第二同軸饋電點（端口 2) ;6是第三同軸饋電點（端口 3) ;7是第四同軸饋 電點（端口 4) ;8是EBG結(jié)構(gòu)單元的貼片；9是EBG結(jié)構(gòu)單元貼片上加載的縫隙；10是導(dǎo)電 過孔；11是天線接地板部分。

【具體實施方式】
[0015] 本發(fā)明的【具體實施方式】如圖1和圖2所示。
[0016] 本發(fā)明實施例一種基于EBG結(jié)構(gòu)的雙極化ΜΜ0天線由兩個相同的雙饋微帶貼片 天線和EBG周期結(jié)構(gòu)組合構(gòu)成。所述雙饋微帶貼片天線和EBG結(jié)構(gòu)在介質(zhì)板1的正面，介 質(zhì)板的反面設(shè)置接地板11。
[0017] 本實施例中介質(zhì)板采用介電常數(shù)4. 4厚度1. 6mm的FR4板；微帶貼片天線采用正 方形貼片；PIN針（導(dǎo)電過孔）為圓柱形。
[0018] 雙饋微帶貼片天線由微帶貼片天線2、四分之一圓環(huán)縫隙3、第一同軸饋電點4、第 二同軸饋電點5共同組成；整體位于FR4介質(zhì)基板1的中心位置，其中微帶貼片天線2是正 方形貼片，貼片上下左右對稱位置各加載一個四分之一圓環(huán)縫隙3,以此增加電流路徑，縮 小微帶貼片天線2的尺寸；第一同軸饋電點4和第二同軸饋電點5是相同的同軸饋線，分別 位于貼片水平和垂直對稱軸上并且距離貼片中心位置相等，以此產(chǎn)生TM01和TM10模，同時 實現(xiàn)水平極化和垂直極化，同軸內(nèi)芯與正方形貼片2相連，同軸外芯與接地板11相連。
[0019] 兩個相同的雙饋微帶貼片天線分布在距離介質(zhì)中心等距的兩側(cè)，由此構(gòu)成ΜΙΜΟ 天線。
[0020] EBG結(jié)構(gòu)的一個單元由EBG結(jié)構(gòu)單元的貼片8、EBG結(jié)構(gòu)單元貼片上加載的縫隙9 和導(dǎo)電過孔10組成。整個EBG結(jié)構(gòu)由一個個單元周期性排列構(gòu)成。每個EBG結(jié)構(gòu)單元的 貼片8的四條邊上都加載了縫隙9,形成螺旋型縫隙，不僅延長了電流路徑，而且引入了附 加耦合電容，便于縮小EBG結(jié)構(gòu)單元的貼片8的尺寸；EBG結(jié)構(gòu)單元的貼片8的中心位置有 一導(dǎo)電過孔10與接地板11相連，引入了等效電感，同樣可以縮小EBG結(jié)構(gòu)尺寸。
[0021] 本實施例中，將雙極化ΜΙΜΟ天線和EBG結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計如圖1所示，所述雙極化 ΜΙΜΟ天線被兩層EBG結(jié)構(gòu)包圍，所設(shè)計EBG結(jié)構(gòu)的禁帶包含小型雙極化微帶天線的工作頻 帶，這樣能夠有效抑制表面波，實現(xiàn)EBG結(jié)構(gòu)改善天線輻射特性的效果。如圖3和所示，為天 線加載/未加載EBG時的S11參數(shù)對比圖，本實施例基于EBG結(jié)構(gòu)的雙極化ΜΜ0天線S11 小于-10dB帶寬范圍為5. 70GHz?5. 93GHz，相比未加載EBG時S11有所減小，說明EBG結(jié)構(gòu) 減少了天線的反射，諧振點出現(xiàn)偏移是由于天線與EBG結(jié)構(gòu)之間耦合造成的。
[0022] 圖4和圖5為本實施例基于EBG結(jié)構(gòu)的雙極化ΜΜ0天線的隔離度曲線圖，其中圖 4為基于EBG結(jié)構(gòu)的雙極化ΜΜ0天線的端口 1隔離度曲線圖，圖5為基于EBG結(jié)構(gòu)的雙極 化ΜΜ0天線的端口 2隔離度曲線圖。
[0023] 由于本實施例結(jié)構(gòu)具有很好的對稱性，所以Sll、S22、S33、S44基本一致，隔離度 只需查看端口 1和端口 2與其它端口的隔離度即可，端口 1與端口 2的隔離度達(dá)到-30dB 以下，與端口 3的隔離度達(dá)到-40dB以下，端口 4的隔離度達(dá)到-20dB以下，端口 2與端口 3與4的隔離度也分別達(dá)到-20dB和-40dB以下，說明本發(fā)明于EBG結(jié)構(gòu)的雙極化ΜΜ0天 線具有良好的隔離度。
[0024] 圖6所示為本實施例基于EBG結(jié)構(gòu)的雙極化ΜΜ0天線的方向圖，E面和Η面的主 瓣和前瓣均較大，具有良好的全向性。圖7為本實施例天線加載/未加載EBG時的前后比 對比圖，加載EBG后，天線的前后比大大提高，均在23dB以上。
[0025] 圖8所示為本實施例基于EBG結(jié)構(gòu)的雙極化ΜΜ0天線在5. 76GHz的3D輻射圖， 天線在5. 76GHz的最大增益達(dá)到5. 45dBi。圖9為本實施例天線加載/未加載EBG時的增 益對比圖，天線在加載EBG結(jié)構(gòu)后增益明顯提高。
[0026] 本實施例基于EBG結(jié)構(gòu)的雙極化MMO天線與傳統(tǒng)微帶貼片天線相比，利用槽線技 術(shù)大大縮小的天線尺寸；利用雙饋實現(xiàn)高隔離度雙極化特性，提高了頻帶的利用率；利用 雙天線ΜΙΜΟ技術(shù)極大地提升了頻譜效率，并在有限的頻譜資源內(nèi)上實現(xiàn)高速率和大容量； 通過加載EBG結(jié)構(gòu)大大提高了天線的前后比和增益。本實施例適用于IEEE 802. 11a協(xié)議 的5. 8GHz頻段，對于視頻、音頻等多媒體的高速傳輸具有廣泛的應(yīng)用前景。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于EBG結(jié)構(gòu)的雙極化ΜΙΜΟ天線，其特征在于，所述天線由兩個相同的雙饋微 帶貼片天線和EBG周期結(jié)構(gòu)組合構(gòu)成，所述雙饋微帶貼片天線周圍被EBG結(jié)構(gòu)包圍，介質(zhì)板 的反面設(shè)置接地板部分。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于EBG結(jié)構(gòu)的雙極化ΜΙΜΟ天線，其特征在于，所述微 帶貼片天線加載了四個對稱的四分之一圓環(huán)的縫隙，并且在水平和垂直對稱軸上進(jìn)行雙同 軸饋電，兩個相同的微帶貼片天線關(guān)于y軸對稱。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于EBG結(jié)構(gòu)的雙極化ΜΙΜΟ天線，其特征在于，所述BEG 結(jié)構(gòu)由邊緣加載了四個對稱縫隙的周期矩形貼片排列構(gòu)成，并且在貼片的中心位置有導(dǎo)電 過孔與介質(zhì)基板底層的接地板相連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于EBG結(jié)構(gòu)的雙極化ΜΙΜΟ天線，其特征在于，所述雙 饋微帶貼片天線由微帶貼片天線、四分之一圓環(huán)縫隙、第一同軸饋電點、第二同軸饋電點共 同組成；兩個相同的雙饋微帶貼片天線分布在距離介質(zhì)中心等距的兩側(cè)；所述微帶貼片天 線是正方形貼片，貼片上下左右對稱位置各加載一個四分之一圓環(huán)縫隙，以此增加電流路 徑，縮小微帶貼片天線的尺寸；第一同軸饋電點和第二同軸饋電點是相同的同軸饋線，分別 位于貼片水平和垂直對稱軸上并且距離貼片中心位置相等，以此產(chǎn)生ΤΜ01和ΤΜ10模，同時 實現(xiàn)水平極化和垂直極化，同軸內(nèi)芯與正方形貼片相連，同軸外芯與接地板相連。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于EBG結(jié)構(gòu)的雙極化ΜΙΜΟ天線，其特征在于，所述EBG 結(jié)構(gòu)的一個單元由EBG結(jié)構(gòu)單元的貼片8、EBG結(jié)構(gòu)單元貼片上加載的縫隙9和導(dǎo)電過孔10 組成；整個EBG結(jié)構(gòu)由一個個單元周期性排列構(gòu)成；每個EBG結(jié)構(gòu)單元的貼片8的四條邊上 都加載了縫隙9,形成螺旋型縫隙，不僅延長了電流路徑，而且引入了附加耦合電容，便于縮 小EBG結(jié)構(gòu)的尺寸；EBG結(jié)構(gòu)單元的貼片8的中心位置有一導(dǎo)電過孔10與接地板11相連， 引入了等效電感，同樣可以縮小EBG結(jié)構(gòu)尺寸。
【文檔編號】H01Q21/24GK104157982SQ201410316939
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月7日
【發(fā)明者】張曉燕, 鐘信星, 李斌成 申請人:華東交通大學(xué)