CN104901006B - 基于分形结构的多频带微带mimo天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于二阶Koch分形结构的多频带微带MIMO天线，用于解决现有多频带微带MIMO天线尺寸过大的问题。本发明由两个多频带微带MIMO天线单元垂直置中放置，每个天线单元包括辐射贴片、介质基板、地板和馈电端口，辐射贴片和地板分别印制在介质基板的上下表面，馈电端口安装在介质基板的侧面，并与辐射贴片相连，每个天线单元的辐射贴片由三个相互连接的单极子辐射贴片组成，且每个单极子辐射贴片都部分采用了二阶Koch分形技术，所述地板采用截短的结构，印制在介质基板下表面的底端。本发明利用分形结构减小了天线的尺寸，且能够实现同时工作在多频带的结果，可应用于现代无线通信***。

Description

基于分形结构的多频带微带MIMO天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，特别是涉及一种基于二阶Koch分形结构的多频带微带MIMO天线。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展，频率资源的严重不足日益成为遏制无线通信事业发展的瓶颈。无线通信正朝着大容量、高传输率和高可靠性方向发展，针对目前有限的频谱资源，如何最大限度的提高频谱利用率，是当前研究的一个热门课题，MIMO技术无疑是众多方法中最具潜力和最具优势的一项技术。
MIMO***是一种用来描述多天线无线通信***的抽象数学模型，能利用发射端的多个天线各自独立发送信号，同时在接收端用多个天线接收并恢复原信息。由于MIMO可以在不需要增加带宽或总发送功率耗损的情况下大幅地增加***的数据吞吐量及发送距离，使得此技术于近几年受到许多瞩目。
在MIMO天线的设计中，阵列单元的数目、阵列结构、阵列放置的方式、天线单元的设计等因素直接影响MIMO信道的空间相关性。MIMO***要求阵列中各天线单元具有较小的相关性，这样才能保证MIMO信道响应矩阵接近满秩，但是由于受到接收机或发射机尺寸及结构的限制，往往要在有限的空间尽可能多的布置天线单元。
由于微带天线具有体积小、重量轻、剖面薄、结构简单、易于加工制作的特点，所以微带天线是构成MIMO天线的实现形式之一。微带天线是在一块厚度远小于工作波长的介质基片的一面敷以金属辐射贴片、一面敷以金属薄层做接地板而成的天线，利用微带线或同轴线馈电，在导体贴片与接地板之间激励起电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。随着无线通信技术的发展，用于无线通信应用的天线要比以往任何时候都要处理更多的频带。
目前，微带天线实现多频工作的方式主要有：
1、采用单一贴片，利用两种不同的模式来实现工作；
2、采用多层重叠贴片结构；
3、采用单层基板、多个贴片的结构；
4、在矩形贴片辐射边附近蚀刻缝隙等。
2014年4月28～30日，在第三十一届国家无线电科学会议上，Mohamed MamdouhM.Ali等人发表的论文Design and Implementation of Reconfigurable Quad——BandMicrostrip Antenna for MIMO Wireless Communication Application，该论文公开了一种四频带微带MIMO天线，其采用单极子贴片结合的方式实现了多频带工作，但由于单极子贴片工作的频率依赖于其物理尺寸，此时单极子辐射贴片尺寸较大，该天线可以实现多频带工作的特性，但天线整体尺寸过大。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提出了一种基于分形结构的多频带微带MIMO天线，用于解决现有多频带微带MIMO天线尺寸大的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于分形结构的多频带微带MIMO天线，由两个多频带微带MIMO天线单元排列而成，该天线单元包括辐射贴片、介质基板、地板和馈电端口，辐射贴片和地板分别印制在介质基板的上下表面，馈电端口安装在介质基板的侧面，并与辐射贴片相连；每个天线单元的辐射贴片由三个单极子辐射贴片组成，且该三个单极子辐射贴片均部分采用分形结构，其中，第一单极子辐射贴片1由主枝节和在其顶端加载的U型枝节构成，第二单极子辐射贴片2和第三单极子辐射贴片3均采用L型结构，并与第一单极子辐射贴片1相连；所述地板4采用截短的结构，印制在介质基板5下表面的底端。
上述基于分形结构的多频带微带MIMO天线，所述三个单极子辐射贴片1，2，3中，第一单极子辐射贴片1的主枝节的上半部分和U型枝节、第二单极子辐射贴片2和第三单极子辐射贴片3的L型结构的竖枝节均采用二阶Koch分形结构，用于增加辐射贴片表面电流的路径。
上述基于分形结构的多频带微带MIMO天线，所述辐射贴片采用表面镀银的铜材。
上述基于分形结构的多频带微带MIMO天线,所述介质基板采用矩形有机高分子聚合物材料，其相对介电常数为2.95。
上述基于分形结构的多频带微带MIMO天线，所述三个单极子辐射贴片的宽度相等，且第一单极子辐射贴片1、第二单极子辐射贴片2和第三单极子辐射贴片3的长度依次减小，用于实现同时在不同频段工作的效果。
上述基于分形结构的多频带微带MIMO天线，所述地板4的高度不大于第二单极子辐射贴片2的L型结构的横枝节下沿与介质基板5下端的距离。
上述基于分形结构的多频带微带MIMO天线，所述相邻天线单元以相互垂直的方式置中放置。
本发明与现有的技术相比，具有以下优点：
1、本发明的多频带微带MIMO天线单元中的辐射贴片由于采用了由三个单极子辐射贴片组合而成的结构，其中第一单极子辐射贴片是由主枝节和在其顶端加载的U型贴片构成，两者组合后的贴片长度最长，因此能够工作在较低的两个频带，第二单极子辐射贴片的长度大于第三单极子辐射贴片，能够工作在较高的两个频带,因此多频带微带MIMO天线单元能够同时工作在四个频带。
2、本发明的多频带微带MIMO天线单元中的三个单极子辐射贴片由于均采用了二阶Koch分形线结构，增加了每个单极子辐射贴片上电流的表面路径，减小了单个单极子辐射贴片的长度，从而有效地减少了整个天线的结构尺寸。
3、本发明的多频带微带MIMO天线单元中的地板采用了截短的结构，且该地板的高度不大于第二单极子辐射贴片与介质基板下端的距离，减小了地板对天线的阻抗带宽的影响，因此使得天线达到良好的匹配效果。
附图说明
图1是本发明中两个多频带微带MIMO天线单元的整体结构示意图；
图2是本发明中多频带微带MIMO天线单元的结构示意图；
图3是本发明中多频带微带MIMO天线单元的S11图；
图4是本发明中多频带微带MIMO天线的S参数图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图和具体实例对本发明作进一步地详细描述。
参照图1，本发明由两个多频带微带MIMO天线单元组成，该两个多频带微带MIMO天线单元的辐射贴片相互垂直置中放置，印制在介质基板的上表面上，两者的间距为8.75mm；为了加工方便，右侧的多频带微带MIMO天线单元中的地板的长度与介质基板的宽度相等；右侧的多频带微带MIMO天线单元中的介质基板采用边长与其长度相同的正方形，并与左侧的多频带微带MIMO天线单元中的介质基板相连，所采用的介质基板的大小为100mm×55mm×1.6mm。
参照图2，多频带微带MIMO天线单元包括：辐射贴片、馈电端口、地板4和介质基板5，所述辐射贴片和地板4分别印制在介质基板5的上下表面上，馈电端口安装在介质基板5的侧面。其中辐射贴片由第一单极子辐射贴片1、第二单极子辐射贴片2和第三单极子辐射贴片3组成，该三个单极子辐射贴片1，2和3的宽度均为4mm，且均部分采用二阶Koch分形结构，Koch分形切角的边长为2/3mm，其角度为60度，所述第一单极子辐射贴片1由主枝节和加载在其顶端的U型枝节构成，其中主枝节的长度为52mm，从距离介质基板下端21.67mm处以上将主枝节两边替换为分形边界，主枝节的下端与馈电端口相连，U型枝节的左壁和右臂的长度分别为24mm和18mm，将其两臂边界替换为分形边界，连接部分的长度为33.5mm，亦将其两边替换为分形边界；第二单极子辐射贴片2采用L型结构，该L型结构的横枝节长度为5.25mm，竖枝节的长度为29mm，其中竖枝节的两边替换为分形边界；第三单极子辐射贴片3是一个长度更短的L型结构，其中L型结构的横直接长度为5.25mm，竖枝节的长度为16mm，其中竖枝节的两边替换为分形边界；第二单极子辐射贴片2和第三单极子辐射贴片3的横枝节一端与第一单极子辐射贴片1的主枝节相连，其中第二单极子辐射贴片2在距离介质基板5下边界13mm处与第一单极子辐射贴片1的主枝节相连，第三单极子辐射贴片3在距离介质基板7的下边界22.67mm处与第一单极子辐射贴片1的主枝节相连，第一单极子辐射贴片可以在0.95GHz和1.98GHz工作，第二单极子辐射贴片可以在2.5GHz工作，第三单极子辐射贴片可以在3.4GHz工作。介质基板5的尺寸为55mm×45mm×1.6mm，相对介电常数为2.95；地板4位于介质基板5下表面的底端，尺寸为45mm×10.5mm。
本发明的技术效果可结合仿真结果作进一步说明：
1、仿真内容
1.1利用利用商业仿真软件HFSS_13.0对采用分形结构的多频段微带MIMO天线单元的S11参数进行仿真计算，结果如图3所示。
1.2利用商业仿真软件HFSS_13.0对采用分形结构的多频段微带MIMO天线单元S参数进行仿真计算，结果如图4所示。
2、仿真结果
参照图3，以S11≤-10dB为标准，采用分形结构的多频段微带MIMO天线单元可以同时在0.95GHz，1.98GHz，2.5GHz以及3.4GHz工作。
参照图4，采用分形结构的多频带微带MIMO天线的S11参数与其单元的基本相同S11参数，MIMO天线单元之间的隔离度基本保持在-20db以下，具有良好的隔离效果。
本发明使用三个单极子辐射贴片结合的结构实现了四频带的结果，并利用二阶Koch分形结构减小了天线的尺寸。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制。显然对于本领域的专业人员来说，在了解本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于分形结构的多频带微带MIMO天线，由两个多频带微带MIMO天线单元排列而成，该天线单元包括辐射贴片、介质基板、地板和馈电端口，辐射贴片和地板分别印制在介质基板的上下表面，馈电端口安装在介质基板的侧面，并与辐射贴片相连，其特征在于：每个天线单元的辐射贴片由三个单极子辐射贴片组成，且该三个单极子辐射贴片均部分采用分形结构，其中，第一单极子辐射贴片(1)由主枝节在其顶端加载的U型枝节构成，第二单极子辐射贴片(2)和第三单极子辐射贴片(3)均采用L型结构，并与第一单极子辐射贴片(1)相连；第一单极子辐射贴片(1)的主枝节的上半部分和U型枝节、第二单极子辐射贴片(2)和第三单极子辐射贴片(3)L型结构的竖枝节均采用二阶Koch分形结构，用于增加辐射贴片表面电流的路径；所述地板(4)采用截短的结构，印制在介质基板(5)的下表面的底端。
2.根据权利要求1所述的基于分形结构的多频带微带MIMO天线，其特征在于所述辐射贴片采用表面镀银的铜材。
3.根据权利要求1所述的基于分形结构的多频带微带MIMO天线，其特征在于所述介质基板(5)采用矩形有机高分子聚合物材料，其相对介电常数为2.95。
4.根据权利要求1所述的基于分形结构的多频带微带MIMO天线，其特征在于所述三个单极子辐射贴片的宽度相等，且第一单极子辐射贴片(1)、第二单极子辐射贴片(2)和第三单极子辐射贴片(3)的长度依次减小，用于实现同时在不同频段工作的效果。
5.根据权利要求1所述的基于分形结构的多频带微带MIMO天线，其特征在于所述地板(4)的高度不大于第二单极子辐射贴片(2)L型结构的横枝节下沿与介质基板(5)下端的距离。
6.根据权利要求1所述的基于分形结构的多频带微带MIMO天线，其特征在于所述两个天线单元之间以相互垂直的方式置中排列。
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