一种小型非对称高隔离度UWB‑MIMO天线的制作方法

本发明属于超宽带(Ultra-WideBand,UWB)多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)天线技术领域，尤其涉及一种小型非对称高隔离度UWB-MIMO天线。

背景技术：

随着无线通讯相关科技的发展以及新设备、新要求、新应用场景的出现，现有的无线技术速率不能满足要求，促使新的无线传输通信技术成型并飞速发展，短距离超宽带UWB通信就是其中之一。UWB技术提供极大的物理带宽7.5GHz，频段范围3.1GHz-10.6GHz，这在稀缺的频谱资源中优势明显。基于丰富的带宽，UWB信号可以通过扩大频带宽度B使相应UWB系统信道容量增大、信息速率得以提升。理论上UWB无线通讯系统在10m内的理想环境中，无失真最大传输速率是WIFI技术的2～100倍，同时在耗电量方面是传统无线系统的百分之一。正是这些优点和特性，使得超宽带无线技术吸引了越来越多的行业人才和通信专家进行研究，另外天线作为UWB系统设计的关键部件之一，同样受到广泛关注。但是，受到传输功率低的影响，UWB系统相对于传统的无线通信系统更容易受到多径的干扰。为了解决多径效应的问题，多输入多输出MIMO技术被引进UWB系统中，利用多径为系统提供分集增益的同时减小多径衰落的干扰，使得信道容量进一步提升，链路质量得到改善。另外，为了降低天线间的相关性，传统的MIMO系统使用相距半波长的天线单元组成的天线阵列，但这并不适用于手持设备和便携式设备等终端。学者们采取了很多方法来设计小型化MIMO天线，但大部分都是针对窄带通信系统。

现有的一些UWB-MIMO天线存在尺寸较大、不易于外电路集成，天线性能容易受地板尺寸的影响，天线间的隔离度较低、解耦和技术单一等问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种小型非对称高隔离度UWB-MIMO天线，旨在解决目前UWB-MIMO天线尺寸较大、不易于外电路集成，天线间的隔离度较低、解耦和技术单一等问题。

本发明是这样实现的，一种小型非对称高隔离度UWB-MIMO天线，所述小型非对称高隔离度UWB-MIMO天线设置有：

介质基板；

UWB天线单元A1和UWB天线单元A2；

第一金属地板、第二金属地板；

UWB天线单元A1和UWB天线单元A2共线平行放置在介质基板的两端，并通过第一金属地板相连。

进一步，所述UWB天线单元A1包括第一地板枝节、第一金属辐射体、第一微带传输线、第一激励端口；

所述UWB天线单元A2包括第二地板枝节、第二金属辐射体、第二微带传输线、第二激励端口；

所述第一激励端口、第二激励端口放置在介质基板的下边缘；所述第一地板枝节与第二地板枝节通过第一金属地板连接；所述第一金属辐射体与第一激励端口之间设有第一微带传输线进行馈电，第二金属辐射体与第二激励端口之间设有第二微带传输线进行馈电。

进一步，所述第一金属辐射体采用非对称共面带线结构，第二金属辐射体采用单极子圆形辐射结构。

进一步，所述第一微带传输线、第二微带传输线采用共面波导馈电结构。

进一步，所述第一微带传输线旁的第一金属地板边缘采用三角形切角，第二微带传输线附近的第一金属地板、第二金属地板边缘均采用三角形切角。

进一步，所述第一地板枝节与第二地板枝节之间添加枝节缝隙。

本发明提出小型非对称高隔离度UWB-MIMO天线，能够满足体积小、高隔离、性能稳定的天线设计要求。本发明采用不同天线单元组合的方案，解决已有的小型UWB-MIMO天线设计采用相同的天线单元而导致解耦技术单一的问题。其中，天线单元A1采用非对称共面带线结构(Asymmetric Coplanar Strip,ACS)而天线单元A2则采用改进型圆形单极子结构。一方面采用ACS结构有效地减小了UWB-MIMO天线的尺寸，另一面不同天线元间的地板枝节，在提供多个辐射谐振频率的同时还起到解耦和的作用。本发明结构简单，体积较小，性能良好，在UWB频段内(3.1GHz-10.6GHz)内回波损耗S11(或S22)<-10dB，同时隔离度S12(或S21)<-15dB。本发明通过加载第一地板枝节和第二地板枝节改善谐振特性且兼顾解耦和的作用，使得天线很好的覆盖UWB频段(3.1GHz-10.6GHz)，同时拥有较高的隔离度。本发明结构简单，尺寸较小且性能良好。

附图说明

图1(a)是本发明实施的小型非对称高隔离度UWB-MIMO天线结构示意图。

图中：1、介质基板；2、第一金属地板；3、第二金属地板；4、第一地板枝节；5、第二地板枝节；6、第一天金属辐射体；7、第二金属辐射体；8、第一微带传输线；9、第二微带传输线；10、第一激励端口；11、第二激励端口；12、第一地板缝隙；13、第二地板缝隙。

图1(b)是本发明实施的小型非对称高隔离度UWB-MIMO天线侧视图。

图2(a)是本发明实施的小型非对称高隔离度UWB-MIMO天线中的第一天线单元A1。

图2(b)是本发明实施的小型非对称高隔离度UWB-MIMO天线中的第二天线单元A2。

图3(a)是本发明实施天线的S₁₁和S₂₂(回波损耗)实测图与仿真图的对比。

图3(b)是本发明实施天线的S₁₂和S₂₁(隔离度)实测图与仿真图的对比。

图4是垂直放置天线单元的UWB-MIMO天线结构示意图。

图5(a)是图4实施天线的S₁₁和S₂₂(回波损耗)实测图与仿真图的对比。

图5(b)是图4实施天线的S₁₂和S₂₁(隔离度)实测图与仿真图的对比。

图6是加枝节缝隙的对称UWB-MIMO天线结构示意图。

图7(a)是图6实施天线的S₁₁和S₂₂(回波损耗)实测图与仿真图的对比。

图7(b)是图6实施天线的S₁₂和S₂₁(隔离度)实测图与仿真图的对比。

图8是三种实施天线的相关系数曲线的对比。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实例提供的小型非对称高隔离度UWB-MIMO天线包括有介质基板1，所述介质基板正面印制不同UWB天线单元A1和A2、第一金属地板2、第二金属地板3，所述UWB天线单元A1包括第一地板枝节4、第一金属辐射体6、第一微带传输线8、第一激励端口10，天线单元A2包括第二地板枝节5、第二金属辐射体7、第二微带传输线9、第二激励端口11。所述第一金属辐射体6通过第一微带传输线8由第一激励端口10进行馈电，第二金属辐射体7通过第二微带传输线9由第二激励端口11进行馈电，且所述第一微带传输线8、第二微带传输线9均采用共面波导馈电结构。所述不同的UWB天线单元A1和A2共线平行放置在介质基板的两端，所述第一激励端口10、第二激励端口11放置在介质基板的下边缘。

如图2(a)所示，所述天线单元A1天线采用ACS结构的共面波导馈电(Coplanar Waveguide,CPW)平面印刷UWB天线，即将圆形单极子辐射单元切半后通过CPW馈电结构连接至激励口馈电。天线单元A1的ACS结构比天线单元A2在尺寸上减小了45％。一方面，采用ACS结构可以减小的天线尺寸，而另一方面，天线减半后会导致阻抗匹配的恶化，无法满足UWB特性需求。而第一微带传输线8与第一金属地板2之间的耦合缝隙g与第一微带传输线8的宽度w_f的变化会引起特性阻抗的变化，因此这里通过优化w_f、g以及天线地板枝节的结构来达到较好的阻抗匹配，以满足UWB特性。实验表明，伴着w_f的增加，天线的性能曲线先降低后恶化。同时，耦合缝隙g较大时，天线特性阻抗变差，天线性能也随之恶化。所以选取合适的w_f、g宽度，保证天线在整个频段的良好性能。这里，天线单元A1的UWB工作频段由半圆形辐射单元和地板枝节共同决定。地板加载辐射枝节使得UWB频段内多处发生谐振，改善谐振特性。同时通过叠加半圆形辐射贴片，激发UWB频段内多个辐射模式，相互叠加，能使天线单元很好的覆盖3.1GHz-10.6GHz频段。此外，CPW馈电结构右侧金属地板边缘采用三角形切角方式，该切角方式通过减小辐射贴片和地板间的电磁耦合减小相互干扰，以提高高频附近的性能。

如图2(b)所示，所述天线单元A2采用圆形单极子结构，圆形单极子辐射单元通过CPW馈电结构连接至激励口馈电。单极子结构的UWB天线利用对偶振子的二分之一作为辐射结构，另一半变形之后为天线的接地板。因此，单极子天线的尺寸只有传统的对偶振子结构天线的二分之一，大概为四分之一波长。但是，在工程实践中，地板尺寸会影响到单极子天线的性能，尤其是天线在低频段的截止频率。因此，本文在传统单极子UWB天线的基础上，通过缩减地板尺寸和辐射单元尺寸，在地板上延伸出一个地板枝节，使得地板枝节在低频段被激励，产生谐振频率；而在高频段，天线则作为一个传统的单极子天线工作，相互叠加覆盖UWB频段；最后通过调整地板尺寸优化中频段的性能。其中未加载枝节的圆形辐射单元的最低截止频率为4GHz，通过添加地板枝节、调整地板尺寸，激发了UWB频段内多个辐射模式，能使天线很好的覆盖3.1GHz-10.6GHz频段。另外，天线单元A2的CPW馈电结构两侧的金属地板边缘也均采用三角 形切角方式以减小耦合，提高高频附近的性能。

如图1所示，所述小型非对称高隔离度UWB-MIMO天线将天线单元A1和A2共线平行放置在介质基板的两端，左边为天线单元A1，右边为天线单元A2。

此时，天线单元A1和A2在工作时除了自身激励电流向外辐射或者向内接受电磁波，还有受到对方天线单元的影响，因此天线单元A1和A2之间具有一定的相关性。而MIMO系统为了获得好的性能需要接收到的信号具有很低的互相关性，这就要求设计的多天线系统端口间具有尽可能低的互耦。天线单元A1和A2的第一地板枝节与第二地板枝节通过第一金属地板连接，同时在添加枝节缝隙，隔离枝节，使得地板枝节在提供额外的谐振频段的同时起到解耦和的作用，降低了MIMO天线间的相关性。这里，枝节缝隙宽度W_slot以及金属连接处的高度L_slot对于隔离度的影响较大。实验表明，随着W_slot和L_slot的增加，天线间的隔离度越好。整个MIMO天线蚀刻在介电常数ε_r＝4.4，厚度h＝1mm的FR4_epoxy介质板上，由宽度w_f＝2.6mm的50Ω微带共面波导馈电线对两个激励端口馈电。天线的长度37.5mm，宽度为23mm，枝节的宽度为1mm，耦合缝隙g＝0.3mm，枝节缝隙宽度W_slot＝5.6mm，金属连接处的深度L_slot＝1.5mm。

如图3(a)和图3(b)所示，分别给出了本发明实施天线的S₁₁和S₂₂(回波损耗)实测图与仿真图的对比以及S₁₂和S₂₁(隔离度)实测图与仿真图的对比，其中虚线表示仿真，实线表示实测。仿真和实测数据有很好的吻合，总体趋势相似，出现谐振的频段有延迟，这主要是由于天线实测的环境变量以及设备干扰未在仿真过程中考虑到。从曲线对比中可以看出，本发明实施的UWB-MIMO天线结构简单，性能良好，在UWB频段内(3.1GHz-10.6GHz)内回波损耗S11(或S22)<-10dB，同时隔离度S12(或S21)<-15dB。

如图4所示，所述UWB-MIMO天线采用A2作为辐射单元，并在介质基板的上表面设置两个相同的天线单元A2，且两个天线单元在基板中心两侧垂直放置。所述第一地板枝节与第二地板枝节通过第一金属地板连接。整个UWB-MIMO天线蚀刻在介电常数ε_r＝4.4，厚度h＝1mm的FR4_epoxy介质板上，由宽度w_f＝2.6mm的50Ω微带共面波导馈电线对两个激励端口馈电。天线的长度46mm，宽度为23mm，枝节的宽度为1mm，耦合缝隙g＝0.3mm，枝节缝隙宽度W_slot＝5.6mm，金属连接处的深度L_slot＝1.5mm。其中第一地板枝节利用空间方向图多样性的解耦办法，在低频处充当谐振结构的同时兼顾实现解耦的作用。第一地板枝节、第二地板枝节在天线的谐振和隔离度中都起到重要作用。图5(a)是图4实施天线的S₁₁和S₂₂(回波损耗)实测图与仿真图的对比，图5(b)是图4实施天线的S₁₂和S₂₁(隔离度)实测图与仿真图的对比。曲线显示，图4所示UWB-MIMO天线在很宽的频段内(3.1-10.6GHz的7.5GHz以上)可以实现良好的阻抗匹配(S11<-10dB)，并且在整个UWB的频段内，所述第一天金属辐射体6、第二金属辐射体7有很好的隔离度(S12<-15dB)。实测和仿真数据吻合。

如图6所示，所述UWB-MIMO天线采用两个A1作为辐射单元，且两个A1天线单元形成对称结构，被放置在介质基板的两边。第一地板枝节、第二地板枝节通过金属地板连接在一起，且关于介质基板中线呈镜面对称。所述第一地板枝节、第二地板枝节在提供额外的谐振频段的同时起到解耦和的作用。整个UWB-MIMO天线蚀刻在介电常数4.4，厚度h＝1mm的FR4_epoxy介质板上，宽度w_f＝2.6mm的第一微带传输线、第二微带传输线采用CPW共面波导馈电结构，分别对第一激励端口、第二激励端口馈电。天线的长度为33mm，宽度为23mm，枝节的宽度为23mm，结构紧凑。图7(a)是图6实施天线的S₁₁和S₂₂(回波损耗)实测图与仿真图的对比，图7(b)是图6实施天线的S₁₂和S₂₁(隔离度)实测图与仿真图的对比。天线良好的隔离度性能且结构简单，解耦结构作用明显。

如图1、图4以及图6所示的三个UWB-MIMO天线有一个共同的特点就是地板枝节在天线中的作用。一是在天线单元的辐射中充当谐振结构，为实现覆盖UWB频段提供了谐振频率；二是在MIMO天线中提供了兼顾解耦和的作用。 实测表明，三款天线均在UWB频段3.1GHz-10.6GHz有良好的隔离度S12<-15dB。如图8所示，三款天线的相关系数都能在频段内满足ρ_ECC≤0.2，满足MIMO天线单元间低相关的要求。其中本发明所述的UWB-MIMO天线单元MA1的相关系数最低，仅为ρ_ECC≤0.02。非常便于在较小的空间内集成UWB-MIMO天线。

以上所述仅为本发明的较佳实例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。