一种宽带超材料单元及宽带MIMO天线的制作方法

本发明属于微波天线技术领域，具体涉及一种宽带超材料单元及宽带mimo天线。

背景技术：

多输入多输出(multi-input-multi-output:mimo)技术作为无线通信技术发展过程中的一种新型通信技术，在提高系统信道容量和数据传输速率上有着独特的优势。随着移动终端朝着结构紧凑和小型化方向发展，使得天线单元必须尽量减小尺寸和相互之间的距离，单元间距的减小，使得互耦增加，从而影响天线的辐射特性。如何在有限的空间内提高天线单元之间的隔离度已经成为mimo天线技术发展过程中亟需解决的问题。

超材料(metamaterial)是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构。前苏联科学家veselago通过研究介电常数和磁导率同时为负的材料中麦克斯韦方程组的解，预测了在这种材料中会出现诸如负折射、平板会聚、后向辐射、倏逝波放大、逆多普勒效应以及逆切伦柯夫辐射等诸多奇异现象，这种材料被称为超材料，也叫双负材料或左手材料。此外，超材料还包括介电常数为负或磁导率为负的单负超材料。超材料的研究目前已成为国际上的一个研究热点。

已经有许多将超材料应用于天线的研究。通过合理设计超材料的结构参数，可以实现天线性能的提升，例如提高天线增益、实现天线多频工作、实现天线小型化、以及降低天线间互耦等等。

对于单负超材料，由于电磁波在其中传播时，传播常数k为虚数，故电磁波呈现衰减特性。电磁波能穿透到材料结构中一段距离，最后沿着材料表面反射出去，这就是所谓的倏逝波。因此，电磁波入射到单负结构表面时，波会一部分被反射出去，一部分被电磁材料吸收，表现出对电磁波的非透明性。所以单负超材料可以用于天线单元之间，通过阻止电磁波的传播从而降低互耦。

2011年，chih-chunhsu等人在文章“implementationofbroadbandisolatorusingmetamaterial-inspiredresonatorsandat-shapedbranchformimoantennas”[1](ieeetransactionsonantennasandpropagation2011,59(10):3936-3939)中通过采用矩形开口谐振环和增加“t”型枝节改变电流路径的方式，来提高天线单元之间的隔离度，并拓展天线带宽。天线结构如图1所示，在天线单元间距为0.18λ0(λ0为中心频率的自由空间波长)时、在隔离度高于20db的标准下实现了8％的带宽，但天线整体尺寸较大(0.87×0.44×0.007λ0³)。

2013年，dimitraa.ketzaki等人在文章“metamaterial-baseddesignofplanarcompactmimomonopoles”(ieeetransactionsonantennasandpropagation,2013,61(5):2758-2766)中，较全面地研究了在两单元平面单极子天线之间放置的矩形开口谐振环，在改变其数量和摆放方式时，天线单元间隔离度的变化。天线结构如图2所示，天线尺寸较小，但隔离度高于15db的带宽只有3％。

类似的采用矩形或圆形开口谐振环超材料的研究还有很多，但原理和结果大同小异，尺寸、间距、带宽三种性能未能达到兼顾。

2017年，xiuyinzhang等人在文章“compactmimoantennawithembeddeddecouplingnetwork”中提出了一种“π”型去耦网络，天线结构如图3所示，实现了平面单极子mimo天线的宽带和小型化，相对带宽为6.5％，天线的整体尺寸67.5mm×50mm×0.8mm(0.78λ0×0.58λ0×0.009λ0)，但这种去耦网络实质上也是一种超材料结构。

平面单极子天线具有尺寸小，结构简单，易于加工等优点，但其带宽还不是太宽。目前的平面单极子mimo天线还不能同时实现mimo天线的小型化、宽带、紧凑、高隔离等性能。如前文提到几篇文献中主要的缺点有：尺寸太大，天线单元不紧凑；天线带宽较窄或耦合较强；不同单元的地板是分开的，不能确保统一的地板参考电压。

技术实现要素：

本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种宽带超材料单元及宽带mimo天线。

本发明所提出的技术问题是这样解决的：

一种宽带超材料谐振环单元，包括谐振环、介质基板和金属地板；谐振环位于介质基板的上表面；金属地板的大小与介质基板相同，且位于介质基板的下表面；谐振环包括圆环和十字结构；十字结构的中心与圆环的圆心重合；十字结构的四周与圆环连接；谐振环在竖直对称轴的左右两侧的圆环和十字结构的相同位置处均开有相同宽度的缝隙；

通过调节圆环半径和缝隙的尺寸来调节其谐振频段，从而使得谐振环单元应用于不同频段。

谐振环单元在其谐振频段内的等效介电常数的实部为负值，等效磁导率的实部为正值，即具有单负超材料的特性，所以可以将该超材料单元应用于提高mimo天线单元的隔离度。

一种两单元平面单极子mimo天线，包括两个平面单极子天线、两个谐振环单元、介质基板和金属地板；平面单极子天线和谐振环单元位于介质基板的上表面；金属地板的竖直长度小于介质基板的长度，且位于介质基板的下表面；两个平面单极子天线结构相同，均由馈线和单极子辐射贴片构成，馈电的下端与介质基板的下端平齐，馈线的上端与单极子辐射贴片连接；两个平面单极子天线平行对称放置于介质基板竖直对称轴的两侧；两个平面单极子天线之间放置有两个谐振环单元；两个谐振环单元上下排列放置，且其竖直对称轴与介质基板竖直对称轴重合。

一种四单元平面单极子mimo天线，包括四个平面单极子天线、四个谐振环单元、介质基板和金属地板；平面单极子天线和谐振环单元位于介质基板的上表面；金属地板呈工字型，位于介质基板的下表面；四个平面单极子天线结构相同，均由馈线和单极子辐射贴片构成，馈电的一端与介质基板的边缘平齐，馈线的上端与单极子辐射贴片连接；四个平面单极子天线以2×2呈中心对称放置；四个谐振环单元上下排列放置，且其竖直对称轴与介质基板竖直对称轴重合；

相邻谐振环单元之间的间距相同或不同，视天线整体优化效果而定。

馈线的宽度略宽于单极子辐射贴片的宽度。

单极子辐射贴片的长度为λ/4，λ为中心频率的介质波长。

天线端口均采用微带馈电方式，端口的输入阻抗为50欧姆。

本发明的有益效果是：

本发明所述谐振环单元可以应用于mimo天线单元间，解决紧凑型窄带mimo天线耦合强和带宽窄的问题。

本发明所述两款mimo天线(两单元和四单元mimo天线)与现有的同类型平面单极子mimo天线相比，本发明所提出的天线结构较为紧凑、具有更宽的带宽和更小的尺寸。天线排布和设计方法可以为天线设计作为参照。天线可以应用于mimo通信，有利于实现高性能、小型化的通信系统。

附图说明

图1为现有技术中添加矩形开口谐振环和t型枝节的天线结构图；

图2为现有技术中研究矩形开口谐振环对天线影响结构图；

图3为现有技术中π型去耦网络天线结构图；

图4为宽带超材料谐振环单元结构；

图5为谐振环单元结构的传输系数图；

图6为谐振环单元参数实部和虚部提取，其中(a)等效介电常数，(b)等效磁导率；

图7为两单元平面单极子mimo天线结构图，其中(a)正面，(b)背面；

图8为两单元平面单极子mimo天线s参数仿真结果图；

图9为两单元平面单极子mimo天线方向图，其中(a)e面方向图，(b)h面方向图；

图10为四单元平面单极子mimo天线结构图，其中(a)正面，(b)背面；

图11为四单元平面单极子mimo天线s参数仿真结果图；

图12为四单元平面单极子mimo天线方向图，其中(a)e面方向图，(b)h面方向图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。

本实施例提供一种宽带超材料谐振环单元，其结构示意图如图4所示，包括谐振环、介质基板和金属地板；谐振环位于介质基板的上表面；金属地板的大小与介质基板相同，且位于介质基板的下表面；谐振环包括圆环和十字结构；十字结构的中心与圆环的圆心重合；十字结构的四周与圆环连接；谐振环在竖直对称轴的左右两侧的圆环和十字结构的相同位置处均开有相同宽度的缝隙；

通过调节圆环半径和缝隙的尺寸来调节其谐振频段，从而使得谐振环单元应用于不同频段。

本实施例选3.5ghz为中心频点设计该开口谐振环的尺寸。内环的直径为8.8mm，d＝4.4mm,d2＝0.48mm,c＝0.15mm,e＝0.14mm,d1＝3.8mm，将该超材料结构在电磁仿真软件hfss中建模仿真(采用波端口馈电，边界条件设置为理想电壁和理想磁壁)得到传输系数如图5所示，通过参数提取法，得出该超材料单元结构的等效介电常数和等效磁导率实部和虚部曲线,分别如图6(a)、(b)所示。从图中可以看出，在3.25-6.60ghz频段内，介电常数实部为负数，证明所设计的单元结构具有单负超材料的特性，通过使其谐振频段与天线工作频段重合可以用来改善天线的工作性能，提高隔离度。

谐振环单元在其谐振频段内的等效介电常数的实部为负值，等效磁导率的实部为正值，即具有单负超材料的特性，所以可以将该超材料单元应用于提高mimo天线单元的隔离度。

一种两单元平面单极子mimo天线，其结构示意图如图7所示，包括两个平面单极子天线、两个谐振环单元、介质基板和金属地板；平面单极子天线和谐振环单元位于介质基板的上表面；金属地板的竖直长度小于介质基板的长度，且位于介质基板的下表面；两个平面单极子天线结构相同，均由馈线和单极子辐射贴片构成，馈电的下端与介质基板的下端平齐，馈线的上端与单极子辐射贴片连接；两个平面单极子天线平行对称放置于介质基板竖直对称轴的两侧；两个平面单极子天线之间放置有两个谐振环单元；两个谐振环单元上下排列放置，且其竖直对称轴与介质基板竖直对称轴重合。馈线的宽度略宽于单极子辐射贴片的宽度。介质基板材料选用fr4(介电常数为4.4的环氧树脂)。单极子辐射贴片的长度为λ/4，λ为中心频率的介质波长。天线端口均采用微带馈电方式，端口的输入阻抗为50欧姆。相邻两天线单元中心间距为λ0/4，λ0为中心频率的自由空间波长。c1＝10.95mm,w＝4.2mm,n＝17.7mm,t＝17.2mm,d3＝0.83mm,a＝18mm,l＝10.4mm,ws＝3mm,f＝14.3mm。

在电磁仿真软件hfss中建模仿真得到s参数和辐射方向图分别如图8、图9所示。天线的整体尺寸仅为47.5mm×40mm×1.6mm，天线工作在3.35-3.78ghz频段内隔离度大于15db且s11参数均低于-10db，相对带宽达到了12.3％，隔离度大于20db的相对带宽达到了6.6％。天线结构紧凑，实现了天线小型化、宽带、高隔离的良好工作性能。

一种四单元平面单极子mimo天线，包括四个平面单极子天线、四个谐振环单元、介质基板和金属地板；平面单极子天线和谐振环单元位于介质基板的上表面；金属地板呈工字型，位于介质基板的下表面；四个平面单极子天线结构相同，均由馈线和单极子辐射贴片构成，馈电的一端与介质基板的边缘平齐，馈线的上端与单极子辐射贴片连接；四个平面单极子天线以2×2呈中心对称放置；四个谐振环单元上下排列放置，且其竖直对称轴与介质基板竖直对称轴重合；相邻谐振环单元之间的间距相同。馈线的宽度略宽于单极子辐射贴片的宽度。介质基板材料选用fr4(介电常数为4.4的环氧树脂)。d＝67mm，单极子辐射贴片的长度为λ/4，λ为中心频率的介质波长。天线端口均采用微带馈电方式，端口的输入阻抗为50欧姆。相邻两天线单元中心间距为λ0/4，λ0为中心频率的自由空间波长。

在电磁仿真软件hfss中建模仿真得到s参数和辐射方向图分别如图11、12所示。天线的整体尺寸仅为47.5mm×67mm×1.6mm，天线工作在3.35-3.9ghz频段内隔离度大于15db且s11参数均低于-10db，相对带宽达到了15.7％。隔离度大于20db的相对带宽为2.8％。天线结构紧凑，实现了天线小型化、宽带、高隔离的良好工作性能。

所提出的两种mimo天线，和现有同类型平面单极子mimo天线相比，具有更小的尺寸、更宽的带宽、良好的隔离等性能。所提出的两个天线也验证了本发明所设计的开口谐振环单元，可以应用于mimo天线中提高隔离度，并具有宽带特性。