本發(fā)明屬于超寬帶(Ultra-WideBand,UWB)多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)天線技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種小型非對(duì)稱高隔離度UWB-MIMO天線。

背景技術(shù)：

隨著無線通訊相關(guān)科技的發(fā)展以及新設(shè)備、新要求、新應(yīng)用場景的出現(xiàn)，現(xiàn)有的無線技術(shù)速率不能滿足要求，促使新的無線傳輸通信技術(shù)成型并飛速發(fā)展，短距離超寬帶UWB通信就是其中之一。UWB技術(shù)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(yōu)勢明顯。基于豐富的帶寬，UWB信號(hào)可以通過擴(kuò)大頻帶寬度B使相應(yīng)UWB系統(tǒng)信道容量增大、信息速率得以提升。理論上UWB無線通訊系統(tǒng)在10m內(nèi)的理想環(huán)境中，無失真最大傳輸速率是WIFI技術(shù)的2～100倍，同時(shí)在耗電量方面是傳統(tǒng)無線系統(tǒng)的百分之一。正是這些優(yōu)點(diǎn)和特性，使得超寬帶無線技術(shù)吸引了越來越多的行業(yè)人才和通信專家進(jìn)行研究，另外天線作為UWB系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部件之一，同樣受到廣泛關(guān)注。但是，受到傳輸功率低的影響，UWB系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)更容易受到多徑的干擾。為了解決多徑效應(yīng)的問題，多輸入多輸出MIMO技術(shù)被引進(jìn)UWB系統(tǒng)中，利用多徑為系統(tǒng)提供分集增益的同時(shí)減小多徑衰落的干擾，使得信道容量進(jìn)一步提升，鏈路質(zhì)量得到改善。另外，為了降低天線間的相關(guān)性，傳統(tǒng)的MIMO系統(tǒng)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(shè)備和便攜式設(shè)備等終端。學(xué)者們采取了很多方法來設(shè)計(jì)小型化MIMO天線，但大部分都是針對(duì)窄帶通信系統(tǒng)。

現(xiàn)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(shù)單一等問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種小型非對(duì)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(shù)單一等問題。

本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種小型非對(duì)稱高隔離度UWB-MIMO天線，所述小型非對(duì)稱高隔離度UWB-MIMO天線設(shè)置有：

介質(zhì)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(zhì)基板的兩端，并通過第一金屬地板相連。

進(jìn)一步，所述UWB天線單元A1包括第一地板枝節(jié)、第一金屬輻射體、第一微帶傳輸線、第一激勵(lì)端口；

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

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

進(jìn)一步，所述第一金屬輻射體采用非對(duì)稱共面帶線結(jié)構(gòu)，第二金屬輻射體采用單極子圓形輻射結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步，所述第一微帶傳輸線、第二微帶傳輸線采用共面波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)。

進(jìn)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(jìn)一步，所述第一地板枝節(jié)與第二地板枝節(jié)之間添加枝節(jié)縫隙。

本發(fā)明提出小型非對(duì)稱高隔離度UWB-MIMO天線，能夠滿足體積小、高隔離、性能穩(wěn)定的天線設(shè)計(jì)要求。本發(fā)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(shè)計(jì)采用相同的天線單元而導(dǎo)致解耦技術(shù)單一的問題。其中，天線單元A1采用非對(duì)稱共面帶線結(jié)構(gòu)(Asymmetric Coplanar Strip,ACS)而天線單元A2則采用改進(jìn)型圓形單極子結(jié)構(gòu)。一方面采用ACS結(jié)構(gòu)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(jié)，在提供多個(gè)輻射諧振頻率的同時(shí)還起到解耦和的作用。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，體積較小，性能良好，在UWB頻段內(nèi)(3.1GHz-10.6GHz)內(nèi)回波損耗S11(或S22)<-10dB，同時(shí)隔離度S12(或S21)<-15dB。本發(fā)明通過加載第一地板枝節(jié)和第二地板枝節(jié)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(shí)擁有較高的隔離度。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，尺寸較小且性能良好。

附圖說明

圖1(a)是本發(fā)明實(shí)施的小型非對(duì)稱高隔離度UWB-MIMO天線結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1、介質(zhì)基板；2、第一金屬地板；3、第二金屬地板；4、第一地板枝節(jié)；5、第二地板枝節(jié)；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(lì)端口；11、第二激勵(lì)端口；12、第一地板縫隙；13、第二地板縫隙。

圖1(b)是本發(fā)明實(shí)施的小型非對(duì)稱高隔離度UWB-MIMO天線側(cè)視圖。

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

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

圖3(a)是本發(fā)明實(shí)施天線的S₁₁和S₂₂(回波損耗)實(shí)測圖與仿真圖的對(duì)比。

圖3(b)是本發(fā)明實(shí)施天線的S₁₂和S₂₁(隔離度)實(shí)測圖與仿真圖的對(duì)比。

圖4是垂直放置天線單元的UWB-MIMO天線結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5(a)是圖4實(shí)施天線的S₁₁和S₂₂(回波損耗)實(shí)測圖與仿真圖的對(duì)比。

圖5(b)是圖4實(shí)施天線的S₁₂和S₂₁(隔離度)實(shí)測圖與仿真圖的對(duì)比。

圖6是加枝節(jié)縫隙的對(duì)稱UWB-MIMO天線結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7(a)是圖6實(shí)施天線的S₁₁和S₂₂(回波損耗)實(shí)測圖與仿真圖的對(duì)比。

圖7(b)是圖6實(shí)施天線的S₁₂和S₂₁(隔離度)實(shí)測圖與仿真圖的對(duì)比。

圖8是三種實(shí)施天線的相關(guān)系數(shù)曲線的對(duì)比。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用原理作詳細(xì)的描述。

如圖1所示，本發(fā)明實(shí)例提供的小型非對(duì)稱高隔離度UWB-MIMO天線包括有介質(zhì)基板1，所述介質(zhì)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(jié)4、第一金屬輻射體6、第一微帶傳輸線8、第一激勵(lì)端口10，天線單元A2包括第二地板枝節(jié)5、第二金屬輻射體7、第二微帶傳輸線9、第二激勵(lì)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(lì)端口10進(jìn)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(lì)端口11進(jìn)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(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)。所述不同的UWB天線單元A1和A2共線平行放置在介質(zhì)基板的兩端，所述第一激勵(lì)端口10、第二激勵(lì)端口11放置在介質(zhì)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(jié)構(gòu)的共面波導(dǎo)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(jié)構(gòu)連接至激勵(lì)口饋電。天線單元A1的ACS結(jié)構(gòu)比天線單元A2在尺寸上減小了45％。一方面，采用ACS結(jié)構(gòu)可以減小的天線尺寸，而另一方面，天線減半后會(huì)導(dǎo)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(huì)引起特性阻抗的變化，因此這里通過優(yōu)化w_f、g以及天線地板枝節(jié)的結(jié)構(gòu)來達(dá)到較好的阻抗匹配，以滿足UWB特性。實(shí)驗(yàn)表明，伴著w_f的增加，天線的性能曲線先降低后惡化。同時(shí)，耦合縫隙g較大時(shí)，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(gè)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(jié)共同決定。地板加載輻射枝節(jié)使得UWB頻段內(nèi)多處發(fā)生諧振，改善諧振特性。同時(shí)通過疊加半圓形輻射貼片，激發(fā)UWB頻段內(nèi)多個(gè)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(jié)構(gòu)右側(cè)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(jié)構(gòu)，圓形單極子輻射單元通過CPW饋電結(jié)構(gòu)連接至激勵(lì)口饋電。單極子結(jié)構(gòu)的UWB天線利用對(duì)偶振子的二分之一作為輻射結(jié)構(gòu)，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(tǒng)的對(duì)偶振子結(jié)構(gòu)天線的二分之一，大概為四分之一波長。但是，在工程實(shí)踐中，地板尺寸會(huì)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(tǒng)單極子UWB天線的基礎(chǔ)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(gè)地板枝節(jié)，使得地板枝節(jié)在低頻段被激勵(lì)，產(chǎn)生諧振頻率；而在高頻段，天線則作為一個(gè)傳統(tǒng)的單極子天線工作，相互疊加覆蓋UWB頻段；最后通過調(diào)整地板尺寸優(yōu)化中頻段的性能。其中未加載枝節(jié)的圓形輻射單元的最低截止頻率為4GHz，通過添加地板枝節(jié)、調(diào)整地板尺寸，激發(fā)了UWB頻段內(nèi)多個(gè)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(jié)構(gòu)兩側(cè)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(duì)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(zhì)基板的兩端，左邊為天線單元A1，右邊為天線單元A2。

此時(shí)，天線單元A1和A2在工作時(shí)除了自身激勵(lì)電流向外輻射或者向內(nèi)接受電磁波，還有受到對(duì)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(guān)性。而MIMO系統(tǒng)為了獲得好的性能需要接收到的信號(hào)具有很低的互相關(guān)性，這就要求設(shè)計(jì)的多天線系統(tǒng)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(jié)與第二地板枝節(jié)通過第一金屬地板連接，同時(shí)在添加枝節(jié)縫隙，隔離枝節(jié)，使得地板枝節(jié)在提供額外的諧振頻段的同時(shí)起到解耦和的作用，降低了MIMO天線間的相關(guān)性。這里，枝節(jié)縫隙寬度W_slot以及金屬連接處的高度L_slot對(duì)于隔離度的影響較大。實(shí)驗(yàn)表明，隨著W_slot和L_slot的增加，天線間的隔離度越好。整個(gè)MIMO天線蝕刻在介電常數(shù)ε_r＝4.4，厚度h＝1mm的FR4_epoxy介質(zhì)板上，由寬度w_f＝2.6mm的50Ω微帶共面波導(dǎo)饋電線對(duì)兩個(gè)激勵(lì)端口饋電。天線的長度37.5mm，寬度為23mm，枝節(jié)的寬度為1mm，耦合縫隙g＝0.3mm，枝節(jié)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(fā)明實(shí)施天線的S₁₁和S₂₂(回波損耗)實(shí)測圖與仿真圖的對(duì)比以及S₁₂和S₂₁(隔離度)實(shí)測圖與仿真圖的對(duì)比，其中虛線表示仿真，實(shí)線表示實(shí)測。仿真和實(shí)測數(shù)據(jù)有很好的吻合，總體趨勢相似，出現(xiàn)諧振的頻段有延遲，這主要是由于天線實(shí)測的環(huán)境變量以及設(shè)備干擾未在仿真過程中考慮到。從曲線對(duì)比中可以看出，本發(fā)明實(shí)施的UWB-MIMO天線結(jié)構(gòu)簡單，性能良好，在UWB頻段內(nèi)(3.1GHz-10.6GHz)內(nèi)回波損耗S11(或S22)<-10dB，同時(shí)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(zhì)基板的上表面設(shè)置兩個(gè)相同的天線單元A2，且兩個(gè)天線單元在基板中心兩側(cè)垂直放置。所述第一地板枝節(jié)與第二地板枝節(jié)通過第一金屬地板連接。整個(gè)UWB-MIMO天線蝕刻在介電常數(shù)ε_r＝4.4，厚度h＝1mm的FR4_epoxy介質(zhì)板上，由寬度w_f＝2.6mm的50Ω微帶共面波導(dǎo)饋電線對(duì)兩個(gè)激勵(lì)端口饋電。天線的長度46mm，寬度為23mm，枝節(jié)的寬度為1mm，耦合縫隙g＝0.3mm，枝節(jié)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(jié)利用空間方向圖多樣性的解耦辦法，在低頻處充當(dāng)諧振結(jié)構(gòu)的同時(shí)兼顧實(shí)現(xiàn)解耦的作用。第一地板枝節(jié)、第二地板枝節(jié)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(shí)施天線的S₁₁和S₂₂(回波損耗)實(shí)測圖與仿真圖的對(duì)比，圖5(b)是圖4實(shí)施天線的S₁₂和S₂₁(隔離度)實(shí)測圖與仿真圖的對(duì)比。曲線顯示，圖4所示UWB-MIMO天線在很寬的頻段內(nèi)(3.1-10.6GHz的7.5GHz以上)可以實(shí)現(xiàn)良好的阻抗匹配(S11<-10dB)，并且在整個(gè)UWB的頻段內(nèi)，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(shí)測和仿真數(shù)據(jù)吻合。

如圖6所示，所述UWB-MIMO天線采用兩個(gè)A1作為輻射單元，且兩個(gè)A1天線單元形成對(duì)稱結(jié)構(gòu)，被放置在介質(zhì)基板的兩邊。第一地板枝節(jié)、第二地板枝節(jié)通過金屬地板連接在一起，且關(guān)于介質(zhì)基板中線呈鏡面對(duì)稱。所述第一地板枝節(jié)、第二地板枝節(jié)在提供額外的諧振頻段的同時(shí)起到解耦和的作用。整個(gè)UWB-MIMO天線蝕刻在介電常數(shù)4.4，厚度h＝1mm的FR4_epoxy介質(zhì)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(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)，分別對(duì)第一激勵(lì)端口、第二激勵(lì)端口饋電。天線的長度為33mm，寬度為23mm，枝節(jié)的寬度為23mm，結(jié)構(gòu)緊湊。圖7(a)是圖6實(shí)施天線的S₁₁和S₂₂(回波損耗)實(shí)測圖與仿真圖的對(duì)比，圖7(b)是圖6實(shí)施天線的S₁₂和S₂₁(隔離度)實(shí)測圖與仿真圖的對(duì)比。天線良好的隔離度性能且結(jié)構(gòu)簡單，解耦結(jié)構(gòu)作用明顯。

如圖1、圖4以及圖6所示的三個(gè)UWB-MIMO天線有一個(gè)共同的特點(diǎn)就是地板枝節(jié)在天線中的作用。一是在天線單元的輻射中充當(dāng)諧振結(jié)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)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(shí)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(guān)系數(shù)都能在頻段內(nèi)滿足ρ_ECC≤0.2，滿足MIMO天線單元間低相關(guān)的要求。其中本發(fā)明所述的UWB-MIMO天線單元MA1的相關(guān)系數(shù)最低，僅為ρ_ECC≤0.02。非常便于在較小的空間內(nèi)集成UWB-MIMO天線。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。