一种基于叠层微带结构的紧凑型宽带三极化MIMO天线

本发明涉及宽带三极化mimo天线，具体涉及一种基于叠层微带结构的紧凑型宽带三极化mimo天线。

背景技术：

1、随着超高清视音频传输，高精度导航、定位和智能驾驶等业务的发展，对无线通信系统的传输速率提出了更高的要求，然而电磁频谱资源有限且不可再生，因此最大限度地提高无线通信系统的频谱效率成为必然趋势。多输入多输出(multiple-input multiple-output，mimo)技术通过在发射端和接收端分别使用多个发射和接收天线，可以建立多个并行的空间子信道，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以通过增加天线的数目来成倍提高频谱效率在3g和4g等无线通信系统已经获得了广泛的应用。近年来，大规模和超大规模mimo也成为5g及6g等下一代移动通信系统的核心技术，然而基站及移动端的空间都非常有限，因此迫切需要提出紧凑型、小型化的mimo天线单元结构。采用极化分集的多极化mimo天线在这方面具有明显优势。

2、多极化天线在同一辐射单元上就能实现电磁波极化状态的复用，从而提升了空间特征信道数量，并能适用于不同的应用场景；此外还可以利用多个极化状态来降低极化失配所导致的信道衰落。与单极和双极化mimo系统相比，三极化mimo系统能更充分利用电磁场的矢量特性，有效提高无线信道的空间维度，可以获得更高的信道容量。而另一方面，由香农公式可知，通信系统的信道容量正比于带宽，这意味着提高通信系统的带宽是解决大容量、高速率通信的重要途径。因此，为满足高速率无线通信系统的应用需求，天线作为其收发信息的装置，需要具有宽带特性。

3、虽然宽带单极化和双极化天线的理论与设计已经较为成熟，但宽带三极化天线的实现仍存在许多问题与挑战。现有宽带三极化天线设计的缺点主要表现在已有宽带三极化天线的结构较复杂、横向尺寸大，整体尺寸大于半波长，且馈电复杂，剖面较高，集成难度高，严重限制了其在相控阵等紧凑型大规模天线阵列中的应用。

技术实现思路

1、发明目的：为解决现有三极化天线无法同时满足边长小于半波长、工作带宽大、剖面低、馈电简单的问题，本发明公开了一种基于叠层微带结构的紧凑型宽带三极化mimo天线。

2、技术方案：一种基于叠层微带结构的紧凑型宽带三极化mimo天线，包括基于叠层结构的双极化微带天线和基于微带结构顶部负载的低剖面单极子天线；

3、所述基于叠层结构的双极化微带天线包括：第一层介质基板、位于所述第一层介质基板上表面的下层微带辐射器、位于所述第一层介质基板下表面的天线接地板、位于所述第一层介质基板上方的第二层介质基板和位于所述第二层介质基板上表面的上层微带辐射器；所述上层微带辐射器为刻蚀有圆环缝隙的金属贴片，该基于叠层结构的双极化微带天线具有两个相近的谐振点，扩展双极化微带天线的工作带宽；

4、所述基于微带结构顶部负载的低剖面单极子天线包括：单极子天线、微带结构顶部负载和阻抗变换加载；所述微带结构顶部负载与基于叠层结构的双极化微带天线中的上层微带辐射器进行结构复用，增大单极子天线顶端对地的分布电容，降低单极子天线的剖面高度；所述阻抗变换加载用于调节单极子天线的阻抗匹配。

5、进一步的，所述下层微带辐射器和上层微带辐射器的尺寸不同；当天线激励时，能量通过下层微带辐射器耦合到上方的上层微带辐射器上，由于下层微带辐射器和上层微带辐射器的尺寸不同，谐振频率不同，使得基于叠层结构的双极化微带天线具有双谐振点的工作特性，拓展双极化微带天线的工作带宽。

6、进一步的，通过刻蚀圆环缝隙，将上层微带辐射器分割为两部分，分割后，圆环缝隙内部的圆形贴片部分充当单极子天线的有效顶部加载，可以在保持上层微带辐射器尺寸不变的条件下，通过调节圆环缝隙的尺寸，单独调节单极子天线的谐振频率，而不影响双极化微带天线的谐振频率。

7、进一步的，所述阻抗变换加载包括四个金属柱和金属环形贴片；四个金属柱位于第一层介质基板和第二层介质基板之间的空气层中，所述金属环形贴片位于第二层介质基板的下表面，四个金属柱的顶部通过金属圆环贴片相连，四个金属柱的底部连接下层微带辐射器。在本发明中，四个金属柱与中间的馈电探针构成的整体等效为一段沿z方向的类同轴结构，用于调节单极子天线的阻抗匹配。

8、进一步的，所述基于叠层结构的双极化微带天线和基于微带结构顶部负载的低剖面单极子天线工作于同一频带。

9、进一步的，还包括第一馈电端口、第二馈电端口和第三馈电端口；所述第一馈电端口和第二馈电端口通过在不同位置激励下层微带辐射器，获得两个相互正交的水平极化模式，所述第三馈电端口激励单极子天线，获得一个垂直极化模式。

10、有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

11、(1)本发明提出的一种基于叠层微带结构的边长小于半波长的紧凑型宽带三极化mimo天线，首先，设计了一种基于叠层结构的双极化微带天线，利用叠层结构，使双极化微带天线获得两个相近的谐振点，扩展双极化微带天线的工作带宽；然后通过单极子天线来实现第三个正交的极化模式，将单极子天线的微带结构顶部负载与基于叠层结构的双极化微带天线的上层微带辐射器进行结构复用，来降低单极子天线的剖面，从而降低了三极化天线整体的剖面高度；

12、(2)本发明提出的一种基于叠层微带结构的紧凑型宽带三极化mimo天线，通过在上层微带辐射器上刻蚀圆环缝隙，将上层微带辐射器分割为两部分，分割后，缝隙圆环内部的圆形贴片部分充当有效顶部加载，可以在保持顶部负载贴片尺寸不变的条件下调节单极子天线的谐振频率，而不影响双极化微带天线的谐振频率；

13、(3)本发明提出的一种基于叠层微带结构的紧凑型宽带三极化mimo天线可以同时满足边长小于半波长、宽带化以及低剖面的应用需求，以及本发明所提出的一种基于叠层微带结构的紧凑型宽带三极化mimo天线的整体尺寸为0.33×0.33×0.12λ03，λ0代表工作频段中心频率对应的波长；

14、(4)本发明提出的一种基于叠层微带结构的紧凑型宽带三极化mimo天线，具有结构紧凑、剖面低、利于集成、结构简单、工作带宽宽等优点，可用于无线通信、大规模mimo天线阵等领域。

技术特征：

1.一种基于叠层微带结构的紧凑型宽带三极化mimo天线，其特征在于：包括基于叠层结构的双极化微带天线和基于微带结构顶部负载的低剖面单极子天线；

2.根据权利要求1所述的一种基于叠层微带结构的紧凑型宽带三极化mimo天线，其特征在于：所述下层微带辐射器和上层微带辐射器的尺寸不同，使基于叠层结构的双极化微带天线具有两个相近的谐振点，扩展双极化微带天线的工作带宽。

3.根据权利要求1所述的一种基于叠层微带结构的紧凑型宽带三极化mimo天线，其特征在于：通过调节上层微带辐射器上刻蚀的圆环缝隙的尺寸，对单极子天线的谐振频率进行单独的调节。

4.根据权利要求1所述的一种基于叠层微带结构的紧凑型宽带三极化mimo天线，其特征在于：将基于叠层结构的双极化微带天线中的上层微带辐射器作为单极子天线的顶部负载，增大单极子天线顶端对地的分布电容，降低单极子天线的剖面高度。

5.根据权利要求1所述的一种基于叠层微带结构的紧凑型宽带三极化mimo天线，其特征在于：所述阻抗变换加载包括四个金属柱和金属环形贴片；四个金属柱位于第一层介质基板和第二层介质基板之间的空气层中，所述金属环形贴片位于第二层介质基板的下表面，四个金属柱的顶部通过金属圆环贴片相连，四个金属柱的底部连接下层微带辐射器。

6.根据权利要求1所述的一种基于叠层微带结构的紧凑型宽带三极化mimo天线，其特征在于：所述基于叠层结构的双极化微带天线和基于微带结构顶部负载的低剖面单极子天线工作于同一频带。

7.根据权利要求1所述的一种基于叠层微带结构的紧凑型宽带三极化mimo天线，其特征在于：还包括第一馈电端口、第二馈电端口和第三馈电端口；所述第一馈电端口和第二馈电端口通过在不同位置激励下层微带辐射器，获得两个相互正交的水平极化模式，所述第三馈电端口激励单极子天线，获得一个垂直极化模式。

技术总结
本发明公开了一种基于叠层微带结构的紧凑型宽带三极化MIMO天线，包括基于叠层结构的双极化微带天线和基于微带结构顶部负载的低剖面单极子天线；基于叠层结构的双极化微带天线包括：第一层介质基板、下层微带辐射器、天线接地板、第二层介质基板和上层微带辐射器；该基于叠层结构的双极化微带天线具有两个相近的谐振点，扩展双极化微带天线的工作带宽；基于微带结构顶部负载的低剖面单极子天线包括：单极子天线、微带结构顶部负载和阻抗变换加载；微带结构顶部负载与基于叠层结构的双极化微带天线中的上层微带辐射器进行结构复用，降低单极子天线的剖面高度；阻抗变换加载用于调节单极子天线的阻抗匹配；上层微带辐射器为刻蚀有圆环缝隙的贴片，圆环缝隙用于调节单极子天线谐振频率。

技术研发人员：朴大志,王轶珏,杜青
受保护的技术使用者：中国传媒大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/9