CN112701473B - 一种端射滤波mimo天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种端射滤波MIMO天线。所述天线包括四个端射滤波天线单元，端射滤波天线单元包括第一介质基板和第二介质基板；第一介质基板位于第二介质基板上方；第一介质基板的上表面设置有引向器、驱动偶极子和反射器，驱动偶极子位于引向器和反射器之间，通过引向器和反射器的辐射作用使得端射滤波天线单元能够产生端射方向的辐射；第二介质基板的上表面设置有谐振器，下表面设置有金属地板；第二介质基板中间设置有连接上下表面的同轴探针；谐振器由同轴探针进行馈电，通过谐振器耦合激励第一介质基板上的引向器、驱动偶极子和反射器。本发明结构简单，剖面低，面积小，带内增益高且稳定，能够满足现5G通信中的sub‑6GHz等频段的应用。

Description

一种端射滤波MIMO天线
技术领域
本发明涉及滤波天线和MIMO天线的技术领域，具体涉及一种端射滤波MIMO天线。
背景技术
随着5G通信技术的发展，对天线的性能要求越来越高。端射天线具有增益高、抗干扰能力、定向辐射的特点；而对于滤波器和天线集成化一体设计，也使得滤波天线广泛的应用起来；MIMO天线一直都是现代无线通信中的重要组成部分，其可以成倍的增加通信容量，从而满足现在日益增长的通信服务需求。
对现有技术进行调查了解,具体如下：
2016年，Hao-Tao Hu等人提出了一款缝隙性定向性天线，并使用该定向性缝隙天线单元，构建了一个四单元的MIMO天线阵列，由于四个天线单元的方向图成正交辐射，因此单元间的相关性被大大降低，具有很高的隔离度，但是该天线不具有滤波效果。(H.Hu,F.Chen and Q.Chu,"A Compact Directional Slot Antenna and Its Application inMIMO Array,"in IEEE Transactions on Antennas and Propagation,vol.64,no.12,pp.5513-5517,Dec.2016.)
2018年，Jian-Feng Qian等人提出了一款新型电磁间隙耦合宽带贴片天线，并将其设计成MIMO天线阵列，四个天线单元采用旋转放置，每两个单元之间相互正交。该MIMO天线不仅具有较高的隔离度而且也具有良好的滤波性能，但是该天线为边射天线而不是端射天线。(J.Qian,F.Chen,Q.Chu,Q.Xue and M.J.Lancaster,"A Novel Electric andMagnetic Gap-Coupled Broadband Patch Antenna With Improved Selectivity andIts Application in MIMO System,"in IEEE Transactions on Antennas andPropagation,vol.66,no.10,pp.5625-5629,Oct.2018.)
总的来说，现今关于滤波或端射的MIMO天线有很多，但同时具有端射和滤波特性的MIMO天线却很少，本发明设计了一种新型端射滤波天线，并将其应用到了MIMO天线***中，弥补了相关方面研究的不足，十分具有研究意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种端射滤波MIMO天线。端射滤波天线单元主要是通过带短路柱的枝节加载谐振器和驱动偶极子在带外分别产生左右边沿辐射零点，使得天线具有较好的滤波特性；并通过引入引向器和反射器，使得天线形成端射方向的辐射，并且带内具有较高和平坦的增益；接着将该天线单元设计成四个天线单元构成的端射滤波MIMO天线，不仅增加了通信容量，而且不需要添加额外的去耦结构，端口之间也具有较高的隔离度。该天线具有结构简单、低剖面、面积小等优点。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
一种端射滤波MIMO天线，包括四个端射滤波天线单元，端射滤波天线单元包括第一介质基板和第二介质基板；
其中，第一介质基板位于第二介质基板上方；第一介质基板的上表面设置有引向器、驱动偶极子和反射器，驱动偶极子位于引向器和反射器之间，通过引向器和反射器的辐射作用使得端射滤波天线单元能够产生端射方向的辐射；
第二介质基板的上表面设置有谐振器，下表面设置有金属地板；第二介质基板中间设置有连接上下表面的同轴探针；
谐振器由同轴探针进行馈电，通过谐振器耦合激励第一介质基板上的引向器、驱动偶极子和反射器。
进一步地，第一介质基板和第二介质基板之间无空气层。
进一步地，第一介质基板的材料为RT5880。
进一步地，第二介质基板的材料为RO4003C。
进一步地，所述谐振器为带短路柱的枝节加载谐振器，短路柱位于第二介质基板内，其将谐振器的中心枝节与金属地板相连接。
进一步地，四个端射滤波天线单元采用正交旋转排列。
进一步地，通过带短路柱的枝节加载谐振器产生左边沿辐射零点，驱动偶极子产生右边沿辐射零点，使得端射滤波天线单元具有滤波特性。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、与已有的端射滤波天线相比，本发明天线单元通过耦合激励辐射单元，无需传统巴伦结构来起到平衡-不平衡之间的转换作用，得以实现了一种无需巴伦的端射滤波天线。
2、与已有的端射滤波天线相比，本发明天线单元的带短路柱的枝节加载谐振器，不仅是作为一种谐振器产生了左边沿辐射零点，同时作为一种辐射元件，将能量辐射给驱动偶极子，使其产生了右边沿辐射零点，使该天线单元实现了滤波功能。
3、与已有的端射滤波天线相比，本发明天线单元设计结构简单，体积小。根据电磁仿真的结果来看，带内具有更高且平坦的增益，约为7dBi左右，带外更好的带外抑制水平，约为20dB左右。
4、与已有的MIMO天线相比，本发明MIMO天线是同时具有端射和滤波特性的MIMO天线，而且无需额外的去耦结构，端口之间也具有大于18dB的隔离度，可应用于5G通信中的sub-6GHz(4.8-4.9GHz)等频段。
附图说明
图1为本发明实施例中端射滤波天线单元的侧视图。
图2为本发明实施例中端射滤波天线单元第一介质基板的俯视图。
图3为本发明实施例中端射滤波天线单元第二介质基板的俯视图。
图4为本发明实施例中端射滤波天线单元第二介质基板的仰视图。
图5为本发明实施例中端射滤波MIMO天线的俯视图。
图6为本发明实施例中端射滤波天线单元的S11和端射方向增益仿真结果示意图。
图7为本发明实施例中端射滤波天线单元在5GHz时的辐射方向图(XOZ)仿真结果示意图。
图8为本发明实施例中端射滤波MIMO天线的S11和端射方向增益仿真结果示意图。
图9为本发明实施例中端射滤波MIMO天线的S21、S31仿真结果图。
图10为本发明实施例中端射滤波MIMO天线在5GHz时的辐射方向图(XOZ)仿真结果示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例：
一种端射滤波MIMO天线，包括四个端射滤波天线单元，如图1所示，端射滤波天线单元包括第一介质基板a和第二介质基板b；
其中，如图2所示，第一介质基板a位于第二介质基板b上方；第一介质基板的上表面设置有引向器1、驱动偶极子2和反射器3，驱动偶极子2位于引向器1和反射器3之间，通过引向器1和反射器3的辐射作用使得端射滤波天线单元能够产生端射方向的辐射；
第二介质基板b的上表面设置有谐振器4，下表面设置有金属地板7；如图3、图4所示，第二介质基板b中间设置有连接上下表面的同轴探针6；
谐振器4由同轴探针6进行馈电，通过谐振器4耦合激励第一介质基板a上的引向器1、驱动偶极子2和反射器3。
所述谐振器4为带短路柱5的枝节加载谐振器，如图3、4所示，短路柱5位于第二介质基板b内，其将谐振器4的中心枝节与金属地板7相连接。
如图5所示，四个端射滤波天线单元采用正交旋转排列。
第一介质基板a和第二介质基板b之间无空气层，本实施例中，第一介质基板a的材料为RT5880，其相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009；第二介质基板b的材料为RO4003C，其相对介电常数为3.38，损耗角正切为0.0027。
通过带短路5枝节加载谐振器4产生左边沿辐射零点，驱动偶极子2产生右边沿辐射零点，使得端射滤波天线单元具有滤波特性。
本实施例中，端射滤波天线单元的尺寸为25*22*3.099mm3，MIMO端射滤波天线的尺寸为56*56*3.099mm3。通过HFSS软件对本实施例的端射滤波天线单元和MIMO端射滤波天线进行了验证仿真。如图6所示，给出了端射滤波天线单元在3-6.7GHz频率范围内的S11参数(输入端口回波损耗)和端射方向增益仿真结果的曲线；可以看到S11≤-10dB的频段为4.5～5.18GHz，相对带宽为14.05％，带内增益约为7dBi左右，带外抑制水平可达20dB。如图7所示，给出了端射滤波天线单元在5GHz时的主平面辐射方向图，从图7可知该端射滤波天线单元具有端射性能，且交叉极化水平小于27dB。如图8所示，给出了由该端射滤波天线单元构成的MIMO端射滤波天线在3-6.7GHz频率范围内的S11参数和端射方向增益仿真结果的曲线；可以看到由于使用的端射滤波天线单元带外辐射零点的存在，该MIMO端射滤波天线也具有滤波功能。如图9所示，给出了MIMO端射滤波天线的S21、S31仿真结果，可以看出无需额外的去耦结构，S21、S31均大于18dB。如图10所示，给出了MIMO端射滤波天线在5GHz时的主平面辐射方向图，与已有的MIMO天线相比，通常会出现方向图倾斜的现象，但该端射滤波天线仍具有的稳定的端射辐射性能。因此，仿真结果表明本发明的端射滤波MIMO天线具有稳定的端射特性和很好的滤波功能，带内增益稳定，带外抑制水平高，结构简单，体积小，能够满足应用于现5G通信中的sub-6GHz(4.8-4.9GHz)等频段的要求，值得推广。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种端射滤波MIMO天线，包括四个端射滤波天线单元，其特征在于，端射滤波天线单元包括第一介质基板(a)和第二介质基板(b)；
其中，第一介质基板(a)位于第二介质基板(b)上方；第一介质基板的上表面设置有引向器(1)、驱动偶极子(2)和反射器(3)，驱动偶极子(2)位于引向器(1)和反射器(3)之间，通过引向器(1)和反射器(3)的辐射作用使得端射滤波天线单元能够产生端射方向的辐射；
第二介质基板(b)的上表面设置有谐振器(4)，下表面设置有金属地板(7)；第二介质基板(b)中间设置有连接上下表面的同轴探针(6)；
谐振器(4)由同轴探针(6)进行馈电，通过谐振器(4)耦合激励第一介质基板(a)上的引向器(1)、驱动偶极子(2)和反射器(3)；
所述谐振器(4)为带短路柱(5)的枝节加载谐振器；短路柱(5)位于第二介质基板(b)内，其将谐振器(4)的中心枝节与金属地板(7)相连接；
通过带短路柱(5)的枝节加载谐振器(4)产生低频辐射零点，驱动偶极子(2)产生高频辐射零点，使得端射滤波天线单元具有滤波特性；
第一介质基板(a)和第二介质基板(b)之间无空气层；
四个端射滤波天线单元采用正交旋转排列。
2.根据权利要求1所述的一种端射滤波MIMO天线，其特征在于：第一介质基板(a)的材料为RT5880。
3.根据权利要求1所述的一种端射滤波MIMO天线，其特征在于：第二介质基板(b)的材料为RO4003C。
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