CN106684527A - 一种具有自互补结构的陷波uwb‑mimo可穿戴天线 - Google Patents

一种具有自互补结构的陷波uwb‑mimo可穿戴天线 Download PDF

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Abstract

一种具有自互补结构的陷波UWB‑MIMO可穿戴天线，涉及天线。设有长方形介质基板，长方形介质基板上表面设有2个关于中轴左右对称的正方形辐射贴片，2个辐射贴片下端均连接有矩形的金属馈线；长方形介质基板上表面中部设有“工”字型地板，长方形介质基板上表面左右两侧下方关于中轴对称设有矩形地板，“工”字型金属地板与2个正方形辐射贴片之间的正方形缝隙及2个正方形辐射贴片构成自互补结构，所述长方形介质基板上表面所设2个天线馈线的中间均开有矩形槽，矩形槽内加载单支节开路谐振器。利用自互补结构的带宽优势，同时在馈线附近加载谐振器使其具有陷波特性，通过变化天线曲面角度来验证可应用于穿戴之中。

Description

一种具有自互补结构的陷波UWB-MIMO可穿戴天线
技术领域
本发明涉及天线，尤其是涉及一种具有自互补结构的陷波UWB-MIMO可穿戴天线。
背景技术
超宽带(UWB)是一种无载波通信技术，利用纳秒至皮秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。通过在超宽的频谱上传送极低功率的信号，能在10米左右的范围内传输数百Mbit/s至数Gbit/s的数据。超宽带技术具有高传输速率、强抗干扰、***容量大、低成本等优点，而且发射功率非常小，大大延长***电源工作时长，其电磁波辐射对人体影响也较小。
MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技术利用多天线***的空时处理技术，通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，成倍提高***信道容量，改善传输质量。应用MIMO技术可以有效的解决UWB***存在的多径衰落现象，对UWB***可提供多路复用增益和分集增益，大大提高UWB通信***的性能。文献(Liu X L,Wang Z D,Yin Y Z,et al.A Compact Ultrawideband MIMO Antenna Using QSCA forHigh Isolation[J].Antennas and Wireless Propagation Letters,IEEE,2014,13:1497-1500.)将MIMO技术应用在自互补天线的设计中，提出了一款四端口高隔离度的小型化超宽带天线。该MIMO天线包括两个准自身互补单极，从而容易实现超宽带操作。通过设置两个对称单极，使得其主要辐射方向取向相反，利用单极的互补特性和不对称结构的优势，在不使用任何其他的去耦方法的情况下，实现了超宽带MIMO天线的高隔离度。
自互补结构天线具有很宽的阻抗带宽，不受频率和天线的拓扑结构所影响[1]。自互补结构天线主要有两种互补方式：旋转对称和轴对称。近几年，研究学者设计出各种新型的自互补结构天线，广泛应用于超宽带通信***中。文献(Huang C Y,Su J Y.A printedband-notched UWB antenna using quasi-self-complementary structure[J].IETMicrow.Antennas Propag,2011,5:1613-1618.)设计出一款应用于超宽带通信***的自互补结构天线，同时还通过一段与地板结构同样互补的谐振枝节实现了WLAN频段的陷波；文献(Ur-Rehman M,Abbasi Q H,Akram M,et al.Design of band-notched ultra widebandantenna for indoor and wearable wireless communications[J].Microwaves,Antennas&Propagation,IET,2014,9(3):243-251.)利用自互补结构设计出可穿戴超宽带天线，同时还对频段进行陷波，经过弯曲形变及人体测试，验证了天线能很好的应用于室内可穿戴无线通信***。
由于自然环境中充斥着大量的电磁波，而WLAN等通信频段的电磁波会对天线性能产生较大的影响，因此在保证可穿戴天线超宽带特性的同时，如何进行陷波设计，使其免受干扰成了一个重要的研究方向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有自互补结构的陷波UWB-MIMO可穿戴天线，该天线利用自互补结构的带宽优势，同时在馈线附近加载谐振器使其具有陷波特性，通过变化天线曲面角度来验证可应用于穿戴之中，很好的解决了超宽带天线所面临的一些问题。
一种具有自互补结构的陷波UWB-MIMO可穿戴天线，设有长方形介质基板，长方形介质基板上表面设有2个关于中轴左右对称的正方形辐射贴片，2个辐射贴片下端均连接有矩形的金属馈线；长方形介质基板上表面中部设有“工”字型地板，长方形介质基板上表面左右两侧下方关于中轴对称设有矩形地板，“工”字型金属地板与2个正方形辐射贴片之间的正方形缝隙及2个正方形辐射贴片构成自互补结构，所述长方形介质基板上表面所设2个天线馈线的中间均开有矩形槽，矩形槽内加载单支节开路谐振器。
进一步：
所述长方形介质基板上表面2个天线馈线的两边均开有等宽的缝隙。
所述长方形介质基板采用Kapton聚酰亚胺薄膜。
所述长方形介质基板的宽度为L＝25mm±2mm，长度为W＝50mm±4mm，厚度为H＝60um±4um，长方形介质基板上表面所设结构为铜层，铜层厚度为Hcu＝35um±2um，相对介电常数为3.4，损耗正切角为0.0009；所述正方形辐射贴片边长为W1＝8mm±0.2mm，正方形自互补结构的边长为W2＝11mm±0.5mm，天线馈线宽度为Wf＝3mm±0.1mm，矩形地板的宽度为Wg＝7.5±0.2mm，矩形地板与天线馈线之间的缝隙宽度为d＝0.5mm±0.2mm，与辐射贴片之间的缝隙宽度为dg＝2.5±0.2mm；“工”字型地板的长度为W3＝27mm±2mm，上段宽度为Lf＝5.5mm±0.2mm,下段宽度为Lg＝8.5mm±0.2mm；馈线中间所开矩形槽的长度为Ls＝11.8mm±0.4mm，与长方形介质基板边沿的距离为dt＝1.5mm±0.1mm，宽度为Ws＝1.6±0.1mm，矩形槽内加载的单支节开路谐振器的长度为Lr＝10.8mm±0.4mm，宽度为S＝0.8mm±0.1mm。
与现有技术比较，本发明具有以下突出的优点和显著的效果：
本发明采用上述技术方案，经测试，工作频带为2.77～11.46GHz，隔离度在-18dB以下，陷波频段为4.9～5.85GHz。其稳定的工作频带范围及隔离度使得本发明所述天线能适用于可穿戴无线通信***中。
附图说明
图1为本发明实施例的整体结构示意图。
图2为本发明实施例的板层厚度方向结构示意图。
图3为本发明实施例的天线两个端口的回波损耗曲线图。其中曲线a是回波损耗S11的曲线图，曲线b是回波损耗S22的曲线图。
图4为本发明实施例所述天线两个端口间隔离度的曲线图。
图5为本发明实施例所述天线在不同频点的E面方向图。其中曲线a1是在4GHz时的E面方向图；曲线b1是在6GHz时的E面方向图；c1曲线是在8GHz时的E面方向图。
图6为本发明本发明实施例所述天线在不同频点的H面方向图。其中曲线a 2是在4GHz时的H面方向图；曲线b2是在6GHz时的H面方向图；曲线c2是在8GHz时的H面方向图。
图7为本发明实施例所述天线VSWR随弯曲程度变化的曲线图。其中a是弯曲度为15°时的曲线；b是弯曲度为30°时的曲线；c是弯曲度为45°时的曲线；d是弯曲度为60°时的曲线；e是弯曲度为75°时的曲线；f是弯曲度为90°时的曲线。
图8为本发明实施例所述天线隔离度随弯曲程度变化的曲线图。其中a是弯曲度为0°时的曲线，b是弯曲度为15°时的曲线，c是弯曲度为30°时的曲线，d是弯曲度为45°时的曲线，e是弯曲度为60°时的曲线，f是弯曲度为75°时的曲线，g是弯曲度为90°时的曲线。
具体实施方式
以下结合附图及实施例，对本发明作进一步详细说明。
参见图1和2，是本发明实施例提供的一种具有自互补结构的陷波UWB-MIMO可穿戴天线。所述一种具有自互补结构的陷波UWB-MIMO可穿戴天线为长方形对称结构。长方形介质基板6上表面设有2个左右对称的正方形UWB辐射贴片2和4，辐射贴片2和4下端均连接有矩形的金属馈线。“工”字型地板3与辐射贴片2之间的正方形缝隙同辐射贴片2构成自互补结构，“工”字型地板3与辐射贴片4之间的正方形缝隙同辐射贴片4构成自互补结构，同时在两个馈线中间均开有矩形槽，矩形槽内加载有单支节开路谐振器。
所述长方形介质基板采用Kapton聚酰亚胺薄膜。长方形介质基板6的宽度L＝25mm±2mm，长度为W＝50mm±4mm，厚度为H＝60um±4um，介质基板上表面敷铜层厚度为Hcu＝35um±2um，相对介电常数为3.4，损耗正切角为0.0009。
所述辐射贴片2和4的边长为W1＝8mm±0.2mm。正方形自互补结构的边长为W2＝11mm±0.5mm。天线馈线宽度为Wf＝3mm±0.1mm。矩形地板1和5的宽度均为Wg＝7.5±0.2mm，地板与天线馈线之间的缝隙宽度为d＝0.5mm±0.2mm，与辐射贴片之间的缝隙宽度为dg＝2.5±0.2mm。“工”字型地板3的长度为W3＝27mm±2mm，下段宽度为Lg＝8.5mm±0.2mm。馈线中间所开矩形槽的长度Ls＝11.8mm±0.4mm，与介质基板边缘的距离为dt＝1.5mm±0.1mm，宽度为Ws＝1.6±0.1mm。矩形槽内加载的单支节开路谐振器的长度Lr＝10.8mm±0.4mm，宽度为S＝0.8mm±0.1mm。
参见图3，是天线两个端口的回波损耗曲线图。其中曲线a是回波损耗S11的曲线图，曲线b是S22的曲线图。由于天线结构的对称性，天线两个端口的回波损耗曲线理论上是相同的。由仿真曲线可见，-10dB回波损耗带宽范围是2.77～11.46GHz。
参见图4，是天线两个端口间隔离度的曲线图。在所测频段，天线端口之间隔离度均在-18dB以下，同时天线两个端口均在4.9～5.85GHz频段内产生很好的陷波特性。
参见图5，是天线在不同频点的E面方向图。其中曲线a1是在4GHz时的E面方向图，曲线b1是在6GHz时的E面方向图，曲线c1是在8GHz时的E面方向图。
参见图6，是天线在不同频点的H面方向图。其中曲线a2是在4GHz时的H面方向图，曲线b2是在6GHz时的H面方向图，曲线c2是在8GHz时的H面方向图。
参见图7，是天线的VSWR在不同弯曲程度时的变化值。其中a是弯曲度为15°时的曲线，b是弯曲度为30°时的曲线，c是弯曲度为45°时的曲线，d是弯曲度为60°时的曲线，e是弯曲度为75°时的曲线，f是弯曲度为90°时的曲线。由图可以看出天线的陷波频段(VSWR>2)受弯曲角度影响比较大，但大部分工作频带改变微小，基本满足超宽带天线在可穿戴应用领域对频带的要求。
参见图8，是天线的隔离度在不同弯曲程度时的变化值。其中a是弯曲度为0°时的曲线，b是弯曲度为15°时的曲线，c是弯曲度为30°时的曲线，d是弯曲度为45°时的曲线，e是弯曲度为60°时的曲线，f是弯曲度为75°时的曲线，g是弯曲度为90°时的曲线。从隔离度对比曲线来看，天线弯曲度程度对端口隔离度并没有质的变化，在整个超宽带频段内隔离度都在-16dB以下。因此该超宽带天线不仅满足可穿戴无线通信***的应用，同时也满足MIMO通信***的应用。

Claims (6)

1.一种具有自互补结构的陷波UWB-MIMO可穿戴天线，包括长方形介质基板，其特征在于，长方形介质基板上表面设有2个关于中轴左右对称的正方形辐射贴片，2个辐射贴片下端均连接有矩形的金属馈线；长方形介质基板上表面中部设有“工”字型地板，长方形介质基板上表面左右两侧下方关于中轴对称设有矩形地板，“工”字型金属地板与2个正方形辐射贴片之间的正方形缝隙及2个正方形辐射贴片构成自互补结构，所述长方形介质基板上表面所设2个天线馈线的中间均开有矩形槽，矩形槽内加载单支节开路谐振器。
2.如权利要求1所述一种具有自互补结构的陷波UWB-MIMO可穿戴天线，其特征在于，所述长方形介质基板上表面2个天线馈线的两边均开有等宽的缝隙。
3.如权利要求1所述一种具有自互补结构的陷波UWB-MIMO可穿戴天线，其特征在于，所述长方形介质基板采用Kapton聚酰亚胺薄膜。
4.如权利要求1所述一种具有自互补结构的陷波UWB-MIMO可穿戴天线，其特征在于，所述长方形介质基板宽度为25mm±2mm，长度为50mm±4mm，厚度为60um±4um。
5.如权利要求1所述一种具有自互补结构的陷波UWB-MIMO可穿戴天线，其特征在于，长方形介质基板上表面所设结构为铜层，铜层厚度为Hcu＝35um±2um，相对介电常数为3.4，损耗正切角为0.0009。
6.如权利要求1所述一种具有自互补结构的陷波UWB-MIMO可穿戴天线，其特征在于，所述正方形辐射贴片边长为8mm±0.2mm，正方形自互补结构的边长为11mm±0.5mm，天线馈线宽度为3mm±0.1mm，矩形地板的宽度为7.5±0.2mm，矩形地板与天线馈线之间的缝隙宽度为0.5mm±0.2mm，与辐射贴片之间的缝隙宽度为2.5±0.2mm；“工”字型地板的长为27mm±2mm，上段宽度为5.5mm±0.2mm,下段宽度为8.5mm±0.2mm；馈线中间所开矩形槽的长度为11.8mm±0.4mm，与长方形介质基板边沿的距离为1.5mm±0.1mm，宽度为1.6±0.1mm，矩形槽内加载的单支节开路谐振器的长度为10.8mm±0.4mm，宽度为0.8mm±0.1mm。
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