一种基于单个辐射体的紧凑型单层平面结构三极化MIMO天线的制作方法

本发明涉及一种基于单个辐射体的紧凑型单层平面结构三极化mimo天线，属于通信技术的天线领域。

背景技术：

众所周知，电磁场是一个矢量场，因此，为了更充分的利用其矢量特性，需要开发能够同时对其多个极化状态产生响应的矢量天线或称为多极化天线。这种天线可以更充分地利用电磁场的矢量信息，在通信、定位、导航、目标识别和成像等系统中都具有重要的应用前景。在无线通信系统中，通过多输入多输出(multiple-inputmultiple-output，mimo)技术，在发射端和接收端同时采用多个天线，结合空时信号处理技术，能成倍地提高通信系统的频谱效率和信道容量，因此mimo技术已成为802.11n，802.16，lte和5g等无线通信系统中的核心技术。在传统的基于单极化天线的mimo系统中，为了获得足够大的空间自由度，要求发射阵和接收阵中天线单元的间距都要足够大。如果采用单极化的天线阵，在多径丰富的环境中所需的最小阵元间距为半个波长，而在多径稀疏的环境中可能要达到5-10个波长。由于基站和移动用户端的空间尺寸都很有限，因此单极化的mimo系统在实际应用中会受到很大限制，而基于多极化天线的mimo系统可以很好地解决这个问题。

在电磁场中，对于空间中的任一点，都存在最多3个正交的电场分量和3个正交的磁场分量，理论研究表明，在散射丰富的信道中，采用共点正交的矢量天线所构成的mimo系统，可以获得的自由度最多为6。因此，多极化天线可以由多种具有电偶极子辐射特性和磁偶极子辐射特性的天线的组合来实现。由于实现共点正交、低耦合、紧凑型的多极化天线比较困难，现有的二极化和三极化等多极化天线多采用辐射单元分别设计的电偶极子和磁偶极子，通过立体结构或多层结构来实现。比如，在申请201380002320.4中，通过多层结构实现了一种三极化天线，利用矩形贴片实现水平方向的二个极化，然后利用短路边界条件，将一根同轴线从贴片中心穿过加载一个单独的圆盘实现了垂直方向的极化。在申请201610064872.3中，提出了一种具有空间和极化分集的三极化天线，但这种天线是一种较为复杂的立体结构。由于在这些通过多层或立体结构所实现的多极化天线设计中，天线的横向和纵向尺寸都比较大，不利于集成和在便携式设备中的应用，而随着物联网技术，密集蜂窝网技术和大规模mimo天线阵等技术的发展，对天线的设计都提出了紧凑型、小型化和便携化等要求。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明中利用极化分集原理，提出了一种基于单个辐射体的紧凑型单层平面结构三极化mimo天线，这三个极化辐射模式是具有正交方向图的两个等效磁偶极子和一个等效电偶极子。

一种基于单个辐射体的紧凑型单层平面结构三极化mimo天线，利用同一个辐射体即贴片天线，在金属贴片不同的位置激励，实现在同一个辐射体上获得同一个谐振频率下的三个相互正交的辐射模式；这三个辐射模式是具有正交方向图的两个磁偶极子和一个电偶极子，可以获得二个相互正交的水平极化的电场和一个垂直极化的电场，构成一个三极化天线；为了使三个极化的天线工作在相同频带，在金属贴片与接地金属板之间添加了一定数量的金属过孔，使垂直电场极化模式的谐振频率降低，同时使水平电场极化模式的谐振频率提高，使其达到工作在相同频带的效果。

在第一端口和第二端口利用同轴线馈电激励起微带贴片天线的两个正交极化模式，tm10和tm01，辐射特性等效为两个沿水平方向正交放置的磁偶极子；第三个端口同样利用同轴线馈电，通过添加金属过孔实现同一频段下的类似单极子天线辐射模式，即单极子贴片天线的tm02模式，辐射特性等效为一个沿竖直方向放置的电偶极子。

第一端口和第二端口分别馈电时，贴片上的电场方向平行于地板并且相互正交；第三端口馈电时，电场方向垂直于地板。

天线包括一个接地金属板、一个介质基板、一个辐射金属贴片、数个金属过孔、三个同轴线馈电端口，结构简单；辐射金属贴片可以是圆形、方形或其他，三个端口的馈电方式也可以采用口径耦合馈电、微带线馈电或其他馈电结构实现。

本发明的优点是：

本发明是首次提出了一种基于单个辐射体的紧凑型单层平面结构三极化mimo天线，天线结构包括一个接地金属板，一块介质基板，一个金属贴片，数个金属过孔以及三个同轴馈电端口。利用同一个辐射体，通过不同的激励点位置获得两个正交的水平极化电场和一个与前两者正交的垂直极化电场分量，实现三个共点正交且具有正交方向图的三极化天线，三个极化工作于同一个频段，谐振频率重合，天线结构为单层平面结构，结构简单紧凑，易于加工和实现。

本发明中，通过添加金属过孔改变金属贴片与地板之间的等效电容和等效电感，从而使垂直极化的单极子天线的谐振频率降低，并使水平极化微带天线的谐振频率提高，可以使垂直极化模式工作在与第一端口第二端口所激励出的二个水平极化模式相同的频段。

利用同一个金属贴片结构作为辐射体，通过添加一定数量的金属过孔连接金属贴片与接地金属板，利用空腔模式理论，在金属贴片不同的位置激励，实现通过同一个辐射体获得同一个谐振频率下的三个相互正交的辐射模式。这三个辐射模式具有正交方向图。在第一水平极化端口10利用同轴线馈电，其辐射特性可以等效为沿x方向放置的磁偶极子，贴片天线将工作于tm10模。在第二水平极化端口12同样利用同轴线馈电时，其辐射特性可以等效为一个沿y方向放置的磁偶极子，贴片天线将工作于tm01模。在贴片中心馈电的第三端口11激励产生沿z轴的竖直极化电磁波，它是基于加入短路金属过孔的贴片天线，同样利用空腔模式理论，它的辐射方向图类似单极子天线，这相当于一个沿z轴竖直放置的电偶极子。这种结构的天线可以获得在同一频段工作的三个相互正交的电场分量。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更透彻地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，如图其中：

图1为本发明一种基于单个辐射体的紧凑型单层平面结构三极化mimo天线的俯视图。

图2为图1的侧视图。

图3为本发明实施例中的三极化天线的回波损耗即电路参数s仿真结果。

图4(a)、是本发明实施例中的三极化天线第一馈电端口10激励时的xz面和yz面辐射方向图之一。

图4(b)是本发明实施例中的三极化天线第一馈电端口10激励时的xz面和yz面辐射方向图之二。

图5(a)、本发明实施例中的三极化天线第二馈电端口12激励时xz面和yz面辐射方向图之一。

图5(b)是本发明实施例中的三极化天线第二馈电端口12激励时xz面和yz面辐射方向图之二。

图6(a)、是本发明实施例中的三极化天线第三馈电端口11激励时xz面和yz面辐射方向图之一。

图6(b)是本发明实施例中的三极化天线第三馈电端口11激励时xz面和yz面辐射方向图之二。

具体实施方式

显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保护范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当称元件、组件被“连接”到另一元件、组件时，它可以直接连接到其他元件或者组件，或者也可以存在中间元件或者组件。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。

实施例1：一种基于单个辐射体的紧凑型单层平面结构三极化mimo天线，由金属贴片、介质基板、金属地板和数个穿过介质基板连接金属地板和金属贴片的金属过孔构成。

根据空腔模式理论，在金属贴片不同的位置激励，实现由方向图正交的两个等效磁偶极子和一个等效电偶极子构成的三极化天线，该天线形成了同一工作频段下的三个正交极化的辐射模式。

在第一水平极化端口和第二水平极化端口利用同轴线馈电时，根据边界条件用模展开法求解内场，天线辐射场由空腔四周缝隙的等效磁流的辐射得出，可以获得二个正交的水平方向电场，极化模式为tm10和tm01，相互正交。

第三个端口同样利用同轴线馈电，激励出垂直方向的电场，类似单极子天线辐射特性，工作于单极子贴片天线的tm02模式，三个模式工作在相同的频段，从而获得了一个三极化天线。本发明中，通过添加金属过孔，调整金属过孔的距离和个数，改变了金属贴片与地板之间的等效电容和等效电感，从而使垂直极化的单极子天线的谐振频率降低，同时使水平极化微带贴片天线的谐振频率提高，通过优化可以使三个极化工作在相同的频段。

实施例2：一种基于单个辐射体的紧凑型单层平面结构三极化mimo天线，介质基板采用介电常数为4.4的环氧树脂板fr4，馈电端口采用特性阻抗为50ω的同轴线馈电，一种基于单个辐射体的紧凑型单层平面结构三极化mimo天线的结构见图1和图2。

参阅图1、图2，一种基于单个辐射体的紧凑型单层平面结构三极化mimo天线，一种基于单个辐射体的紧凑型单层平面结构三极化mimo天线，由一个接地金属板1和一块同样面积大小的介质基板2、一个圆形金属贴片3和12个穿过介质基板连接接地金属板和圆形金属贴片的金属过孔4，以及三个同轴线馈电结构的第一馈电端口10、第三馈电端口11和第二馈电端口12构成；

接地金属板1的一面连接介质基板2，介质基板2的一面连接圆形金属贴片3，金属过孔4贯穿于接地金属板1、介质基板2和圆形金属贴片3，金属过孔4均匀分布在圆形金属贴片3的端面，金属过孔4有12个；第一馈电端口10、第三馈电端口11和第二馈电端口12贯穿于接地金属板1、介质基板2和圆形金属贴片3，第三馈电端口11位于圆形金属贴片3的中心，第一馈电端口10、第二馈电端口12分布位于圆形金属贴片3的边沿，第一馈电端口10、第二馈电端口12以圆形金属贴片3为中心相离90度。

12个金属过孔4围绕中心对称在端面上放置，每个金属过孔4间夹角为30度，每个金属过孔4距离贴片中心的距离是相等的，并且所有金属过孔4的半径均相同。

第一馈电端口10和第二馈电端口12被激励时，其辐射等效为两个正交的磁偶极子天线，可以获得沿着y和x方向极化的二个电场，第三馈电端口11激励时，其辐射等效为一个电偶极子，可以获得沿z方向极化的第三个电场。

其中12个金属过孔围绕z轴对称在xy面上放置，每个过孔间夹角为30度，每个过孔距离贴片中心的距离是相等的，并且所有金属过孔的半径均相同。金属过孔的高度是介质基板的厚度。

第一水平极化端口10馈电时其辐射特性为等效为沿水平方向x轴放置的磁偶极子，辐射出沿y轴极化的电场。第二垂直极化端口12馈电时，相当于一个沿y轴放置的磁偶极子，辐射出沿着x轴极化的电场。在贴片中心馈电的第三端口11激励产生沿z轴的竖直极化电磁波，相当于一个沿z轴放置的电偶极子。

图3所示的基于贴片的紧凑型单层平面结构的三极化mimo天线的回波损耗的仿真结果，三个极化的谐振频段重合，中间贴片单极子天线的带宽为3.74-3.98ghz(240mhz),两个微带天线的带宽为3.84-3.96ghz(120mhz)。

图4(a)、图4(b)和图5(a)、图5(b)分别为基于贴片的紧凑型单层平面结构的三极化mimo天线第一馈电端口10激励和第二馈电端口12激励时，工作于3.86ghz时的xz面辐射方向图和yz面辐射方向图，可以看出它们相当于两个正交放置的磁偶极子，可以获得两个水平极化的电场。第一极化方向沿y轴，第二极化方向沿x轴。

图6(a)、图6(b)分别为基于贴片的紧凑型单层平面结构的三极化mimo天线第三馈电端口11激励时，工作于3.86ghz时的xz面辐射方向图和yz面辐射方向图，可以看出它相当于一个沿z轴放置的电偶极子。

如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。