CN104269614B

CN104269614B - 基于时间反演的sierpinski分形MIMO天线

Info

Publication number: CN104269614B
Application number: CN201410466227.5A
Authority: CN
Inventors: 王任; 王秉中; 龚志双; 丁霄
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2014-09-12
Filing date: 2014-09-12
Publication date: 2017-01-11
Anticipated expiration: 2034-09-12
Also published as: CN104269614A

Abstract

该发明针公开了一种基于时间反演的sierpinski分形MIMO天线，属于电子技术领域。该天线具有三个端口，其中两个MIMO端口的工作频段可以覆盖移动通信GSM/WCDMA常用频段，一个补充端口的工作频段可以覆盖无线网络WLAN/WiMAX常用频段，本发明利用两个sierpinski分形三角形近距离排列，因为sierpinski分形三角形具有亚波长结构，可以构成近场散射体，从而在时间反演电磁环境下可以具有超分辨率特性，可以在时间反演电磁环境下自然地改善端口的隔离度。设计时，由于采用整体设计的思想，考虑了耦合效应，从而避免了辐射效率下降。

Description

基于时间反演的sierpinski分形MIMO天线

技术领域

本发明属于电子技术领域，特别涉及一种用于无线通信终端的时间反演多入多出(MIMO)天线技术。

背景技术

随着个人业务需求的不断增长，移动终端面临着通信容量和通信速率亟待提高的巨大需求。在移动终端上设计多个天线单元，增加独立的无线信道数量是未来移动通信提高移动终端通信性能的主要手段之一。根据传统理论，为使多天线系统(阵列天线)获得良好的空间分集增益和空间复用增益，要求天线单元间距不小于半个工作波长。如果在有限空间内使得天线单元间距远小于半个工作波长，将导致单元间的耦合增大，各天线对应的无线信道的相关性大大提高，导致移动终端系统的通信容量和通信速率极大地降低，严重损害了通信质量，从而失去了引入多天线系统的意义。尽管人们对天线单元小型化进行了诸多研究，由于移动终端平台的尺寸有限，要将多个用于不同信道的天线集成在移动终端上，所占用的空间仍然较大。随着时间反演技术的日益成熟，利用时间反演电磁波自适应的空间、时间同步聚焦特性，可以解决许多传统方法无法解决的难题。时间反演(Time Reversal)需要在信源的附近布置散射体以构成多径信道。发射信号经过散射体散射后由远场放置的时间反演镜(TRM)接收，接收到的信号经过时间反演后，再重新发射。重发射的信号就可以在源点附近实现空间与时间聚焦。

2011年王秉中等人提出了“一种无线移动终端用时间反演亚波长阵列天线”(专利申请号：201110066620.1；申请公布日：2011.06.29；发明人：王秉中，葛广顶，臧锐)，可以展示远场亚波长超分辨率聚焦特性。该天线阵由间距在1/40～1/2波长之间的多个刻蚀凹槽的单极子天线单元层叠而成。每个天线单元由位于矩形介质基片正反两面金属贴片构成；正面金属贴片包括中间的椭圆形单极子辐射单元和彼此相连的两个侧面金属贴片；反面金属贴片由彼此相连的矩形金属贴片和直角梯形金属贴片构成；所有金属贴片上都均匀分布得有刻蚀凹槽。该天线阵可以在单元间距为1/40～1/2波长的情况下具有超分辨率特性。但是该天线阵未考虑到各个单元间的互耦效应，因此单元在层叠排布之后辐射效率变差。并且现在通行的移动终端大多是扁平状的，这种层叠布阵方式使得天线阵占用的空间较大，不能满足扁平状移动终端对空间排布的要求。

发明内容

本发明针对背景技术的不足改进设计了一种基于时间反演的sierpinski(谢尔宾斯基)分形MIMO天线，该天线具有三个端口，其中两个MIMO端口的工作频段可以覆盖移动通信GSM/WCDMA常用频段，一个补充端口的工作频段可以覆盖无线网络WLAN/WiMAX常用频段，本发明利用两个sierpinski分形三角形近距离排列，因为sierpinski分形三角形具有亚波长结构，可以构成近场散射体，从而在时间反演电磁环境下可以具有超分辨率特性，可以在时间反演电磁环境下自然地改善端口的隔离度。设计时，由于采用整体设计的思想，考虑了耦合效应，从而避免了辐射效率下降。

因而本发明基于时间反演的sierpinski分形MIMO天线，包括层叠贴合设置的矩形第一介质基板、第二介质基板，设于第一介质基板上表面的第一辐射体、第二辐射体、第一馈线、第二馈线，设于第二介质基板下表面的第三馈线，设于第一介质基板和第二介质基板之间的接地板及匹配线，

其特征在于所述第一辐射体、第二辐射体为尺寸相同的三阶Sierpinski分形三角形，两辐射体之间相邻边互相平行，另有一条边平行于介质基板的长边；

所述接地板由一直角三角形金属贴片和一矩形金属贴片构成，矩形金属贴片的两窄边、一长边位于介质基板的边，直角三角形金属贴片的一个角为30度，其一条直角边位于介质基板的窄边，另一条直角边与矩形金属贴片相连接；

所述匹配线为长条形金属贴片，其平行于接地板矩形金属贴片部分的长边；

所述第一馈线、第二馈线、第三馈线均为特征阻抗是50Ω的金属贴片；所述第一馈线的一端位于介质基板的边，另一端连接第一辐射体一边的中点；所述第二馈线的一端位于介质基板的边，另一端连接第二辐射体一边的中点；所述第三馈线为倒“L”形馈线，其一端位于接地板正下方介质基板的边，另一端背向接地板直角三角形金属贴片部分；

所述第一馈线、第二馈线、第三馈线在对应的介质基板上表面或下表面设置有一矩形贴片焊盘，焊盘通过金属通孔连接接地板。

近场的亚波长结构可以将凋落波转化为传播波，转化之后的传播波经时间反演透镜处理后发射，经过相同的亚波长结构可以将该传播波恢复出原凋落波，从而达到超分辨率的效果。为了将凋落波有效地转化为传输波，并且便于工程上的应用和实现，本发明使用规律性亚波长结构的Sierpinski分形三角形作为辐射体。天线的三个端口共用这两个分形三角形构成的辐射体，只是各个端口的激励位置和方式不同，这种不区分辐射体的设计方法节约了空间，使天线更加紧凑。两个分形三角形分别引出端口1和端口2，这两个端口馈电时，天线具有宽带特性，可以工作在移动通信GSM/WCDMA常用频段。端口3位于第二介质基板下表面，通过一个倒“L”形的馈线对顶层辐射体进行耦合馈电，调节两层介质基板间的匹配线可以使端口3达到最佳匹配。端口3馈电时，天线具有多带特性，可以工作在无线网络WLAN/WiMAX频段。三个端口的阻抗均为50Ω，与之相连的馈线的特征阻抗也是50Ω。由于地板位于两层介质基板之间，为了端口焊接方便，在与每个端口相对的位置利用一个矩形贴片焊盘和接地通孔将地板引出。

附图说明

图1为背景技术一种无线移动终端用时间反演亚波长阵列天线示意图；

图2为本发明实施例基于时间反演的宽带sierpinski分形MIMO天线结构示意图；

图3为本发明实施例基于时间反演的宽带sierpinski分形MIMO天线的反射系数；

图4为本发明实施例基于时间反演的宽带sierpinski分形MIMO天线的方向图；

其中图4(a)为端口1馈电时xoy面方向图；图4(b)为端口1馈电时yoz面方向图；图4(c)为端口2馈电时xoy面方向图；图4(d)为端口2馈电时yoz面方向图；图4(e)为端口3馈电时xoy面方向图；图4(f)为端口3馈电时yoz面方向图；

图5为本发明实施例基于时间反演的宽带sierpinski分形MIMO天线在时间反演通信中各端口接收信号的归一化电压峰峰值。

图中：1.第一辐射体，2.第二辐射体，3.第一馈线，4.第二馈线，5.第三馈线，6.匹配线，7.接地板，8.接地通孔，9.贴片焊盘，10.第一介质基板，11.第二介质基板。

具体实施方式

本实施例天线的结构如图2所示。

第一介质基板10和第二介质基板11的尺寸均为57*40mm²，厚度为1mm，相对介电常数为2.2。

第一辐射体1和第二辐射体2位于第一介质基板10上表面，其外形为等边三角形，边长为30mm，其各阶分形三角形的边长依次为前一阶边长的一半。

端口1位于第一馈线3末端，第一馈线包括水平部分和倾斜部分组成，其水平部分尺寸为5.7*3.1mm²，倾斜部分为7*3.1mm²，倾斜部分与水平线的夹角为30°。端口2位于第二馈线4的末端，第二馈线由竖馈线和横馈线组成，竖馈线的尺寸为8.9*3.1mm²，横馈线的尺寸为15.5*3.1mm²。端口3位于第三馈线5的末端，第三馈线包括竖直部分和水平部分，其竖直部分为16*3.1mm²，水平部分为9.1*2mm²，其竖直部分的右侧距离介质基板右边沿28.5mm。三个端口的阻抗均为50Ω，与之相连的馈线的特征阻抗也是50Ω。

匹配线6的尺寸为16*2mm²，其右端距离介质基板右边沿为19mm，下边沿距离矩形地板为14mm。

接地板7中的矩形部分宽为10mm，长与介质基板相同，为57mm，直角三角形金属贴片一个角为30度，其短边与矩形地板相连，长度为16mm。

接地通孔8连接贴片焊盘9，半径为0.25mm，贴片焊盘尺寸为5*3mm²。

所述第一辐射体1、第二辐射体2、第一馈线3、第二馈线4、第三馈线5、匹配线6、接地板7、贴片焊盘9均为刻蚀于介质基板上的铜箔。

对该天线进行建模仿真，其仿真反射系数如图3所示，图中标示出了-6dB和-10dB两条基准线，其分别对应的工作频段如表1所示。当端口1或端口2馈电时，天线具有宽带特性，可以工作在1-4G的移动通信常用频段；当端口3馈电时，天线具有多带特性，可以工作在WLAN/WiMAX频段。

表1天线的工作频带(单位：GHz)

天线各个端口馈电时的方向图如图4所示。由于天线的三个端口不区分辐射体，因此这里将端口1、2、3分别馈电成为天线的三种状态，分别记为状态1、2、3。如图4所示，状态1和状态2在yoz面的方向图具有比较稳定的全向性，状态3时天线的方向图在各个频段波动较大，但是考虑到时间反演通信的多径环境，这种波动对通信质量的影响比较小。

时间反演通信的基本过程为：终端天线发射探测信号，TRM接收后进行反演，然后再由TRM进行发射，该信号将在源终端天线产生时空聚焦。为了便于说明，将收(终端)发(TRM)天线每个端口工作在每个频段时记为一种工作状态，因此本发明天线共具有5种工作状态，分别为端口1工作在2.5G(1-4G)频段、端口2工作在2.5G(1-4G)频段、端口3工作在2.5G(2-2.7G)频段、端口3工作在3.5G(3.2-3.8G)频段、端口3工作在5.2G(4.7-6G)频段，以上各工作状态分别记为P1F2.5、P2F2.5、P3F2.5、P3F3.5、P3F5.2，将本发明天线在每个工作状态中发射探测信号的端口成为源端口。

图5为各种工作状态下，接收天线各个端口接收到信号的归一化电压峰峰值。图5显示，在各种工作状态下，除源端口之外的其他端口接收到的信号归一化电压峰峰值都小于0.5，即都小于源端口接收信号峰峰值的一半。这说明信号在源端口实现了聚焦，不会对其他端口产生大幅度的串扰。

Claims

1.一种基于时间反演的sierpinski分形MIMO天线，包括层叠贴合设置的矩形第一介质基板、第二介质基板，设于第一介质基板上表面的第一辐射体、第二辐射体、第一馈线、第二馈线，设于第二介质基板下表面的第三馈线，设于第一介质基板和第二介质基板之间的接地板及匹配线，其特征在于所述第一辐射体、第二辐射体为尺寸相同的三阶Sierpinski分形三角形，两辐射体之间相邻边互相平行，另有一条边平行于介质基板的长边；

所述第一馈线的一端位于介质基板的边，另一端连接第一辐射体一边的中点；所述第二馈线的一端位于介质基板的边，另一端连接第二辐射体一边的中点；

馈电端口1位于第一馈线末端，端口2位于第二馈线末端，端口3位于第三馈线3末端。

2.如权利要求1所述的一种基于时间反演的sierpinski分形MIMO天线，所述接地板由一直角三角形金属贴片和一矩形金属贴片构成，矩形金属贴片的两窄边、一长边位于介质基板的边，直角三角形金属贴片的一个角为30度，其一条直角边位于介质基板的窄边，另一条直角边与矩形金属贴片相连接。

3.如权利要求1所述的一种基于时间反演的sierpinski分形MIMO天线，所述匹配线为长条形金属贴片，其平行于接地板矩形金属贴片部分的长边。

4.如权利要求1所述的一种基于时间反演的sierpinski分形MIMO天线，所述第一馈线、第二馈线、第三馈线均为特征阻抗是50欧姆的金属贴片；所述第三馈线为倒“L”形馈线，其一端位于接地板正下方介质基板的边，另一端背向接地板直角三角形金属贴片部分。

5.如权利要求1所述的一种基于时间反演的sierpinski分形MIMO天线，所述第一馈线、第二馈线、第三馈线在对应的介质基板上表面或下表面设置有一矩形贴片焊盘，焊盘通过金属通孔连接接地板。