CN105958191A - 基于非周期人工磁导体结构的双极化高增益mimo天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于非周期人工磁导体结构的双极化高增益MIMO天线，采用双层叠放的介质基板组成，包括印制于上层介质基板上表面的贴片天线，印制于下层介质基板下表面的金属地板，印制于下层介质基板上表面的人工磁导体反射板，及从下层介质基板下表面插入人工磁导体反射板和上层介质基板的四根同轴馈电探针，所述四个同轴馈电探针与十字型贴片天线连接；所述贴片天线为十字型结构，所述人工磁导体反射板被分割为若干个大小不一且呈中心对称设置的人工磁导体单元，每个人工磁导体单元为矩形金属贴片。本发明能实现双极化、高增益、高效率、高隔离的辐射特性。

Description

基于非周期人工磁导体结构的双极化高增益MIMO天线

技术领域

本发明涉及一种微带天线，特别是一种基于非周期人工磁导体结构的双极化高增益MIMO天线。

背景技术

近几年来，人工磁导体是微波毫米波领域研究的热点之一。利用其具有独特的表面波带隙特性以及对平面波同相反射特性，可以有效地改善天线的性能。F.Yang与Y.Rahmat-Samii等人将人工磁导体结构应用于微带天线周围，用以抑制表面波的传播，提高天线的增益，降低背瓣。同时，将其作为偶极子天线和螺旋线圈天线的反射面，可以使天线紧贴人工磁导体结构表面，实现低剖面天线。此外，A.Foroozesh等人将人工磁导体结构应用到贴片天线上，带宽及辐射增益都得到了很大的改善。

但是，当若干个相同的人工磁导体单元组成反射板位于天线下方时，由于每个单元与天线的距离不同，每个单元表面的电流强度分布也不一致，因此不能最大程度地增强天线的辐射增益。W.Yang等人提出支节加载人工磁导体(Stub-loaded artificial magnetic conductor，SLAMC)结构，并将其作为探针馈电贴片天线的地板，使得天线的工作频带、辐射增益和辐射效率都有很大的提高。但辐射效率仅有83％，且交叉极化抑制效果较差。为了改善天线的性能，他们紧接着提出了一种基于非周期人工磁导体结构的高效率微带天线，能实现高效率的辐射特性和较好的交叉极化抑制，但是这种结构仅仅能实现单极化特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于非周期人工磁导体结构的双极化高增益MIMO天线，能实现双极化、高增益、高效率、高隔离的辐射特性。

一种基于非周期人工磁导体结构的双极化高增益MIMO天线，采用双层叠放的介质基板组成，包括十字型贴片天线、金属地板、人工磁导体反射板、同轴馈电探针。十字型贴片天线印制于上层介质基板上表面，金属地板印制于下层介质基板下表面，人工磁导体反射板印制于下层介质基板上表面，同轴馈电探针从下层介质基板下表面插入人工磁导体反射板和上层介质基板，所述四个同轴馈电探针与十字型贴片天线连接。所述人工磁导体反射板被分割为多个独立的呈矩阵式排列的人工磁导体单元，相邻的两个人工磁导体单元之间设有窄型缝隙，在此需要说明的是，当对角线上相邻的两个人工磁导体单元的尺寸差距过大时，会出现对角线上相邻的两个单元重合的现象，这可以通过微小剪切来避免，同时基本不会影响超材料结构的电磁特性。因此，每个人工磁导体单元可能为常规的矩形金属贴片，也可能是带有微小剪切的矩形金属贴片。所述矩阵式排列的人工磁导体单元关于水平轴线和垂直轴线均对称设置。此外，考虑到角落边缘处的电流较弱，可以将地板的四角切除，这样既保证了天线的辐射性能，又增强了波束在方位面的一致性。

作为本发明的一种改进，所述贴片天线为十字型结构，具有水平极化和垂直极化的双极化特性，两个维度的耦合度都会受到距离的影响，都可以通过尺寸变化和排布变化来补偿。

作为本发明的一种改进，所述人工磁导体反射板呈中心对称，人工磁导体单元在两个维度上即水平轴线和垂直轴线上均为对称设置。

作为本发明的一种改进，所述相邻的两个人工磁导体单元之间设有窄型缝隙。若出现对角线上相邻的两个单元重合的现象，可通过微小剪切来避免，同时基本不会影响超材料结构的电磁特性。

作为本发明的一种改进，考虑到角落边缘处的电流较弱，可以将地板的四角切除，这样既保证了天线的辐射性能，又增强了波束在方位面的一致性。

作为本发明的一种改进，同轴馈电探针采用两组差分同轴馈电方式为贴片天线馈电，来实现较好的交叉极化抑制。

采用上述的微带天线，贴片天线1为十字型，印制于上层介质基板2上表面中心，其长为0.1λ_g,0.75λ_g，宽为0.1λ_g,0.5λ_g，其中λ_g为上层介质基板2的介质有效波长。

采用上述的微带天线，人工磁导体单元的长和宽为0.03λ,0.26λ，窄型缝隙的宽度为0.001λ,0.015λ，微小剪切的长和宽为0.001λ,0.015λ。

采用上述的微带天线，上层介质基板和下层介质基板的介电常数ε_r均为2.2,10.2，厚度H均为0.01λ,0.1λ，其中λ为自由空间波长。

采用上述的微带天线，贴片天线为十字型结构，印制于上层介质基板上表面中心，其长为0.1λ_g,0.75λ_g，宽为0.1λ_g,0.5λ_g，其中λ_g为上层介质基板的介质有效波长。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：(1)本发明可实现两种极化方式，该结构采用十字型贴片天线，具有水平极化和垂直极化的双极化特性，并设置人工磁导体面中心对称，两个维度的耦合度都会受到距离的影响，都可以通过尺寸变化和排布变化来补偿；(2)本发明提出的基于非周期人工磁导体结构的双极化高增益MIMO天线，通过适当调节其尺寸来控制矩形金属贴片的长度分布，最终可以有效地改善天线表面的电场强度分布，实现宽带、高效率、高隔离的辐射特性，与此同时，口径效率也可提高到105％；(3)本发明提出的基于非周期人工磁导体结构的双极化高增益MIMO天线，考虑到角落边缘处的电流较弱，可以将地板的四角切除，这样既保证了天线的辐射性能，又增强了波束在方位面的一致性；(4)本发明提出的基于非周期人工磁导体结构的双极化高增益MIMO天线，仍然保留了基于非周期人工磁导体结构的高效率微带天线相比的低剖面特性，整体结构只有0.05λ的厚度；(5)本发明提出的基于非周期人工磁导体结构的双极化高增益MIMO天线，采用双层微波介质板，结构简单，加工容易，成本和重量都相对较小，因而可以大规模生产。

下面结合说明书附图对本发明做进一步描述。

附图说明

图1为本发明基于非周期人工磁导体结构的双极化高增益MIMO天线的三维图、俯视图和侧视图，其中图(a)为三维图，图(b)为俯视图，图(c)为侧视图。

图2为本发明非周期人工磁导体单元的三维图和俯视图，其中图(a)为矩形人工磁导体单元的三维图，图(b)为矩形人工磁导体单元的俯视图。

图3为本发明32个独立的人工磁导体单元的矩形金属贴片的长l_m、宽l_n的分布图。

图4为基于图3在人工磁导体单元不同长度l_n下的反射相位图。

图5为基于图3在十字型金属贴片的长度分布为l₁＝9mm，l₂＝8.8mm，l₃＝4.5mm时的反射系数和增益以及隔离和口径效率曲线，其中(a)为反射系数和增益的曲线，(b)为隔离和口径效率曲线。

图6为基于图3在十字型金属贴片的长度分布为l₁＝9mm，l₂＝8.8mm，l₃＝4.5mm时的最大增益点处的辐射方向图。

图7为本发明16个独立的人工磁导体单元的矩形金属贴片的长l_m、宽l_n分布图。

图8为基于图7在矩形金属贴片的长度分布为l₁＝8.5mm，l₂＝8mm时的反射系数和增益以及隔离和口径效率曲线，其中(a)为反射系数和增益的曲线，(b)为隔离和口径效率曲线。

图9为基于图7在矩形金属贴片的长度分布为l₁＝8.5mm，l₂＝8mm时的最大增益点处的辐射方向图。

具体实施方式

结合图1，一种基于非周期人工磁导体结构的双极化高增益MIMO天线，采用双层叠放的介质基板组成，包括十字型贴片天线1、金属地板6、人工磁导体反射板4、同轴馈电探针3。贴片天线1印制于上层介质基板2上表面，金属地板印制于下层介质基板7下表面，人工磁导体反射板4印制于下层介质基板7上表面，同轴馈电探针3从下层介质基板7下表面插入人工磁导体反射板4和上层介质基板2，所述两组同轴馈电探针3分别与贴片天线1连接并分别馈电，其中水平轴线上的两个同轴探针之间为差分信号，垂直轴线上的两个同轴探针之间为差分信号。所述人工磁导体反射板4被分割为多个独立的呈矩阵式排列的人工磁导体单元5，每个人工磁导体单元为常规的或带有微小剪切的矩形金属贴片，同时微小剪切基本不会影响超材料结构的电磁特性；矩阵式排列的人工磁导体单元为中心对称设置。考虑到角落边缘处的电流较弱，可以将地板的四角切除，这样既保证了天线的辐射性能，又增强了波束在方位面的一致性。

结合图2，所述相邻的两个人工磁导体单元5之间设有窄型缝隙9，若对角线上相邻的两个人工磁导体单元5的尺寸差距过大，会出现对角线上相邻的两个单元重合的现象，这可以通过微小剪切8来避免，同时基本不会影响超材料结构的电磁特性，此时的人工磁导体单元5上面存在微小剪切8。

所述上层介质基板2和下层介质基板7的介电常数ε_r均为2.2,10.2，厚度H均为0.01λ,0.1λ，其中λ为自由空间波长。

所述的十字型贴片天线1的长a为0.1λ_g,0.75λ_g，宽b为0.1λ_g,0.5λ_g，其中λ_g为上层介质基板2的介质有效波长。

所述矩形金属贴片的长l_m和宽l_n均为0.03λ,0.26λ，窄型缝隙9的宽度G为0.001λ,0.015λ，微小剪切8的长宽t为0.001λ,0.015λ。

实施例一

结合图3，所述非周期人工磁导体反射板4被分割为32个独立的人工磁导体单元5，所述矩阵式排列的人工磁导体反射板4为中心对称设置，也就是说，所述矩阵式排列的32个独立的人工磁导体单元5在两个维度上均呈对称，即关于水平轴线和垂直轴线均对称设置。对于水平极化，人工磁导体单元5沿y轴方向的每排各单元长度一致，但不同排的长度不同，记为l_n，从中心向外每排长度依次是l₁、l₂、l₃，上下各排的结构分别对称。同样地，对于垂直极化来说，沿x轴方向的每列各单元长度一致，但不同列的长度不同，从中心向外每列长度也依次是l₁、l₂、l₃。因此，对角线上的人工磁导体单元5的长宽均一致，是正方形结构。因为当l₁、l₂、l₃的差距较大时，会出现对角线上相邻的两个单元重合的现象，所以通过微小剪切8来避免，同时微小剪切基本不会影响超材料结构的电磁特性。此外，考虑到角落边缘处的电流较弱，可以将地板的四角切除，这样既保证了天线的辐射性能，又增强了波束在方位面的一致性。

人工磁导体单元5的长和宽为0.03λ,0.26λ，窄型缝隙9的宽度为0.001λ,0.015λ，微小剪切8的长宽t为0.001λ,0.015λ；上层介质基板2和下层介质基板7的介电常数ε_r均为2.2,10.2，厚度H均为0.01λ,0.1λ，其中λ为自由空间波长；贴片天线1为十字型，印制于上层介质基板2上表面中心，其长b为0.1λ_g,0.75λ_g，宽a为0.1λ_g,0.5λ_g，其中λ_g为上层介质基板2的介质有效波长。

实验中，取十字型贴片天线1的长a为4mm，宽b为12.7mm；矩形金属贴片6的长l_m和宽l_n在4到10mm范围内，窄型缝隙9的宽度G为0.4mm；上层介质基板2和下层介质基板7的材料均为Rogers RT/Duroid 5880，介电常数ε_r为2.2，介质损耗角为0.0009，厚度H均为1mm，约为0.025λ₀(其中λ₀为7.7GHz处的自由空间波长)。

结合图4，当平面波垂直入射到非周期人工磁导体反射板4时，反射波的反射相位会随着频率变化而连续变化，相位变化范围为180°～-180°，这与普通的人工磁导体的反射相位特性是一致的；随着矩形金属贴片6的长度l_n从7mm增加到9mm，零反射相位点逐渐向低频移动。

结合图5，由基于非周期人工磁导体结构的双极化高增益MIMO天线可以得到，反射系数低于-10dB的工作频带为6.9GHz～8.1GHz，相对带宽为15.7％，最大增益可以达到13.7dBi；而通过隔离和口径效率图可以发现，隔离可高达55dB，且在其工作频带内，辐射效率可高达105％。

结合图6，由基于非周期人工磁导体结构的双极化高增益MIMO天线的最大增益点处的辐射方向图可以发现，基于非周期人工磁导体结构的双极化高增益MIMO天线的交叉极化抑制效果较好，可达到35dB左右。

由上可知，本发明的基于非周期人工磁导体结构的双极化高增益MIMO天线能实现双极化、高增益、高口径效率以及较好的隔离。

表1为本发明基于非周期人工磁导体结构的双极化高增益MIMO天线在矩形金属贴片的长度分布为l₁＝9mm，l₂＝8.8mm，l₃＝4.5mm时与矩形金属贴片的长度分布为L₁＝6mm，l₂＝7mm时的性能。

结合表1，该基于非周期人工磁导体结构的双极化高增益MIMO天线在保持阻抗带宽、增益仍较高的情况下，实现了双极化特性，同时将口径效率提高至105％。另一方面，隔离也较好，可高达60dB。

表1

实施例二

结合图7，所述人工磁导体反射板4被分割为16个独立的人工磁导体单元5，所述矩阵式排列的人工磁导体反射板4为中心对称设置，也就是说，所述矩阵式排列的16个独立的人工磁导体单元5在两个维度上均呈对称，即关于水平轴线和垂直轴线均对称设置。对于水平极化，人工磁导体单元5沿y轴方向的每排各单元长度一致，但不同排的长度不同，记为l_n，从中心向外每排长度依次是l₁、l₂，上下各排的结构分别对称。同样地，对于垂直极化来说，沿x轴方向的每列各单元长度一致，但不同列的长度不同，从中心向外每列长度也依次是l₁、l₂。因此，对角线上的人工磁导体单元5的长宽均一致，是正方形结构。这里需要说明的是，当l₁、l₂的差距较大时，会出现对角线上相邻的两个单元重合的现象，所以对其通过微小剪切8来避免，同时基本不会影响超材料结构的电磁特性。

人工磁导体单元5的长和宽为0.03λ,0.26λ，窄型缝隙9的宽度为0.001λ,0.015λ，微小剪切8的长宽t为0.001λ,0.015λ；上层介质基板2和下层介质基板7的介电常数ε_r均为2.2,10.2，厚度H均为0.01λ,0.1λ，其中λ为自由空间波长；贴片天线1为十字型，印制于上层介质基板2上表面中心，其长b为0.1λ_g,0.75λ_g，宽a为0.1λ_g,0.5λ_g，其中λ_g为上层介质基板2的介质有效波长。

实验中，取十字型贴片天线1的长a为3.5mm，宽b为13mm；矩形金属贴片6的长l_m和宽l_n在6到10mm范围内，窄型缝隙9的宽度G为0.4mm；上层介质基板2和下层介质基板7的材料均为Rogers RT/Duroid 5880，介电常数ε_r为2.2，介质损耗角为0.0009，厚度H均为1mm，约为0.025λ₀(其中λ₀为7.7GHz处的自由空间波长)。

结合图4，当平面波垂直入射到小型化非周期人工磁导体反射板4时，反射波的反射相位会随着频率变化而连续变化，相位变化范围为180°～-180°，这与普通的人工磁导体的反射相位特性是一致的；随着矩形金属贴片6的长度l_n从7mm增加到9mm，零反射相位点逐渐向低频移动。

结合图8，由基于非周期人工磁导体结构的双极化高增益MIMO天线的反射系数和增益曲线图可以得到，反射系数低于-10dB的工作频带为7.5GHz～8.8GHz，相对带宽为16.4％；辐射增益最大值为12.8dBi；通过隔离和口径效率图可以发现，在其工作频带内，隔离可高达60dB，且辐射效率可高达104％。

结合图9，由基于非周期人工磁导体结构的双极化高增益MIMO天线的最大增益点处的辐射方向图可以发现，该交叉极化抑制效果较好，交叉极化抑制电平可达到50dB。此外，由于天线辐射口径面积较小，该天线带内所有频点均未出现副瓣。

由上可知，本发明的基于非周期人工磁导体结构的双极化高增益MIMO天线确实可以实现双极化、宽带、口径小、高隔离、宽带高效率特性并且能改善交叉极化特性、解决副瓣问题。

结合表1，该基于非周期人工磁导体结构的双极化高增益MIMO天线在实现了双极化特性的同时，不仅带宽、增益较好，还将口径效率提高至104％。与此同时，交叉极化抑制电平可达到50dB。另一方面，隔离也较好，可高达60dB。

Claims (10)

1.一种基于非周期人工磁导体结构的双极化高增益MIMO天线，采用双层叠放的介质基板组成，包括：

印制于上层介质基板[2]上表面的贴片天线[1]，

印制于下层介质基板[7]下表面的金属地板[6]，

印制于下层介质基板[7]上表面的人工磁导体反射板[4]，及

从下层介质基板[7]下表面插入人工磁导体反射板[4]和上层介质基板[2]的四根同轴馈电探针[3]，所述四个同轴馈电探针[3]与十字型贴片天线[1]连接；

其特征在于，

所述贴片天线[1]为十字型结构，

所述人工磁导体反射板[4]被分割为若干个大小不一且呈中心对称设置的人工磁导体单元[5]，每个人工磁导体单元[5]为矩形金属贴片。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述相邻的两个人工磁导体单元[5]之间设有窄型缝隙[9]。

3.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，用微小剪切的矩形金属贴片代替人工磁导体单元[5]。

4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，四根同轴馈电探针[3]分为两组，采用差分同轴馈电方式分别为十字型贴片天线[1]供电，其中水平轴线上的两个同轴探针之间为差分信号，垂直轴线上的两个同轴探针之间为差分信号。

5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，上层介质基板[2]和下层介质基板[7]的介电常数ε_r均为[2.2,10.2]，厚度H均为[0.01λ,0.1λ]，其中λ为自由空间波长。

6.根据权利要求1或3所述的天线，其特征在于，人工磁导体单元[5]的长和宽为[0.03λ,0.26λ]，窄型缝隙[9]的宽度为[0.001λ,0.015λ]，微小剪切[8]的长和宽为[0.001λ,0.015λ]。

7.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，十字型贴片天线[1]长为[0.1λ_g,0.75λ_g]，宽为[0.1λ_g,0.5λ_g]，其中λ_g为上层介质基板[2]的介质有效波长。

8.根据权利要求1或3所述的天线，其特征在于，所述人工磁导体反射板[4]被分割为16或32个独立的人工磁导体单元[5]，所述独立的人工磁导体单元[5]沿水平轴线和垂直轴线均呈对称结构，

对于水平极化，人工磁导体单元[5]沿y轴方向的每排各单元长度一致，但不同排的长度不同，

对于垂直极化，人工磁导体单元[5]沿x轴方向的每列各单元长度一致，但不同列的长度不同，

对角线上的人工磁导体单元[5]的长宽均一致，是正方形结构。

9.根据权利要求8所述的天线，其特征在于，金属地板[6]四角被切除。

10.根据权利要求8或9所述的天线，其特征在于，

人工磁导体单元[5]的长和宽为[0.03λ,0.26λ]，窄型缝隙[9]的宽度为[0.001λ,0.015λ]，微小剪切[8]的长和宽为[0.001λ,0.015λ]；

上层介质基板[2]和下层介质基板[7]的介电常数ε_r均为[2.2,10.2]，厚度H均为[0.01λ,0.1λ]，其中λ为自由空间波长；

贴片天线[1]为十字型结构，印制于上层介质基板[2]上表面中心，其长为[0.1λ_g,0.75λ_g]，宽为[0.1λ_g,0.5λ_g]，其中λ_g为上层介质基板[2]的介质有效波长。