本發(fā)明涉及一種基于分段線的高隔離度雙極化MIMO環(huán)天線，屬于通信技術(shù)的天線設(shè)計(jì)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近些年來(lái)，隨著人們對(duì)高速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，多輸入多輸?MIMO)系統(tǒng)以其可以大幅度提高通信系統(tǒng)的可靠性和吞吐量，在實(shí)際通信領(lǐng)域里有著廣泛的應(yīng)用。無(wú)線電波在有多徑的室內(nèi)或者室外傳播時(shí)，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的反射、散射和繞射等作用，其極化方式可能會(huì)產(chǎn)生很大的變化，為了有效地發(fā)射和接收信號(hào)，收、發(fā)端采用具有極化分集特性的天線所構(gòu)成的MIMO系統(tǒng)就顯得尤為重要，與單極化天線構(gòu)成的MIMO系統(tǒng)相比，利用雙極化天線構(gòu)成的MIMO系統(tǒng)最大可以獲得兩倍的信道容量。

傳統(tǒng)的雙極化MIMO天線一般是利用兩個(gè)正交的電場(chǎng)分量獲得低相關(guān)性的信號(hào)，但理論研究表明，在多徑豐富的環(huán)境中，能夠獲得相互正交的電場(chǎng)分量和磁場(chǎng)分量的空間共點(diǎn)的電偶極子和磁偶極子天線也可以獲得兩個(gè)獨(dú)立的信道。然而設(shè)計(jì)這種共點(diǎn)正交的電、磁偶極子天線存在如下挑戰(zhàn)：

1)距離很近的天線之間易產(chǎn)生較大的耦合，從而影響天線的輻射效率，因此如何通過(guò)天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)獲得低耦合且共點(diǎn)正交的雙極化電、磁偶極子天線存在較大困難；

2)為了獲得具有接近理想磁偶極子的輻射特性，要求環(huán)天線上具有均勻電流分布，而一個(gè)電大尺寸的環(huán)天線上的電流一般并不具有均勻的分布特性；

3)共點(diǎn)正交的電、磁偶極子天線工作于相同頻帶。

為了同時(shí)滿足上述三個(gè)條件，需要對(duì)電、磁偶極子天線的結(jié)構(gòu)和饋電方式進(jìn)行合理的選擇和設(shè)計(jì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種基于分段線結(jié)構(gòu)的高隔離度雙極化MIMO環(huán)天線，由共點(diǎn)正交并具有正交方向圖的電、磁偶極子構(gòu)成。

一種基于分段線的高隔離度雙極化MIMO環(huán)天線，利用同一個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)，通過(guò)不同的激勵(lì)點(diǎn)位置和結(jié)構(gòu)來(lái)得到兩種正交的輻射模式，實(shí)現(xiàn)共點(diǎn)正交且具有正交方向圖的電、磁偶極子；在第一端口利用共面的平行傳輸線饋電時(shí)，基于等效電容加載的分段周期結(jié)構(gòu)的環(huán)天線會(huì)形成幅度均勻且同向的環(huán)電流，其輻射特性可以等效為磁偶極子；在第二端口利用“T”型微帶饋線結(jié)構(gòu)，在端口輸入等幅反相的激勵(lì)電流，此時(shí)環(huán)天線的輻射特性可以等效為電偶極子。

環(huán)天線為一個(gè)基于分段線的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，還包括兩個(gè)饋電結(jié)構(gòu)。

環(huán)天線是基于一種分段線的周期結(jié)構(gòu)，由內(nèi)外兩個(gè)環(huán)組成，外環(huán)和內(nèi)環(huán)均位于介質(zhì)層的上表面，它們具有相似的結(jié)構(gòu)，均由周期分布的第一分段線、第二分段線組成，但可以具有不同的線寬和線長(zhǎng)。

分段線的兩個(gè)周期單元之間可看作容性負(fù)載加載，這樣可以使相鄰周期單元的電流不產(chǎn)生相位偏移，并使環(huán)天線在電大結(jié)構(gòu)時(shí)也可以獲得均勻的電流分布。

在介質(zhì)層底部，放置兩個(gè)饋電端口，分別位于環(huán)天線的兩端，以保證兩端口之間的高隔離度。

其中內(nèi)環(huán)使用共面的平行傳輸線激勵(lì)其兩個(gè)相鄰周期單元，獲得一個(gè)磁偶極子；外環(huán)使用一種T型饋線，激勵(lì)其單個(gè)周期結(jié)構(gòu)單元，獲得一個(gè)電偶極子，T型饋線是一種微帶傳輸線，需要在內(nèi)環(huán)中間添加金屬地結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：

本發(fā)明是首次提出了一種基于分段線的高隔離度雙極化MIMO環(huán)天線，利用同一個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)，通過(guò)不同的激勵(lì)點(diǎn)位置和結(jié)構(gòu)來(lái)得到兩種正交的輻射模式，實(shí)現(xiàn)共點(diǎn)正交且具有正交方向圖的電、磁偶極子。這種雙極化天線本身具有很高的隔離度，不需要附加額外降耦合結(jié)構(gòu)，并且整個(gè)天線為單層平面結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，緊湊，易于加工和實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

當(dāng)結(jié)合附圖考慮時(shí)，通過(guò)參照下面的詳細(xì)描述，能夠更完整更透徹地理解本發(fā)明以及容易得知其中許多伴隨的優(yōu)點(diǎn)，但此處所說(shuō)明的附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本發(fā)明的一部分，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定，如圖其中：

圖1為本發(fā)明提供的基于分段線的高隔離度雙極化環(huán)天線三維圖。

圖2為圖1的俯視圖即上表面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為圖1的仰視圖即下表面的兩個(gè)端口饋電結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4(a)為實(shí)施例2中電偶極子天線的表面電流分布。

圖4(b)為實(shí)施例2中磁偶極子天線的表面電流分布。

圖5(a)為實(shí)施例2正面尺寸圖，分別以印刷電路板的上下表面表示，單位均為毫米(mm)。

圖5(b)為實(shí)施例2背面尺寸圖，分別以印刷電路板的上下表面表示，單位均為毫米(mm)。

圖6為實(shí)施例2的基于分段線的高隔離度雙極化環(huán)天線的回波損耗(S₁₁，S₂₂)。

圖7為實(shí)施例2基于分段線的高隔離度雙極化環(huán)天線的隔離度(S₁₂)。

圖8(a)為實(shí)施例2的基于分段線的高隔離度雙極化環(huán)天線第一端口饋電時(shí)工作于2.4GHz的XY面輻射方向圖。

圖8(b)為實(shí)施例2的基于分段線的高隔離度雙極化環(huán)天線第一端口饋電時(shí)工作于2.4GHz的YZ面輻射方向圖。

圖9(a)為實(shí)施例2的基于分段線的高隔離度雙極化環(huán)天線第二端口饋電時(shí)工作于2.4GHz的XY面輻射方向圖。

圖9(b)為實(shí)施例2的基于分段線的高隔離度雙極化環(huán)天線第二端口饋電時(shí)工作于2.4GHz的YZ面輻射方向圖。

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做近一步的詳細(xì)說(shuō)明。

實(shí)施例1：

一種基于分段線的高隔離度雙極化MIMO環(huán)天線，是由一個(gè)基于分段線的環(huán)狀結(jié)構(gòu)和兩個(gè)饋電結(jié)構(gòu)構(gòu)成。

一種基于分段線的高隔離度雙極化MIMO環(huán)天線，基于一種分段線的周期結(jié)構(gòu)，由內(nèi)、外兩個(gè)環(huán)組成，如圖1所示，外環(huán)20和內(nèi)環(huán)30均位于介質(zhì)層的上表面，它們具有相似的結(jié)構(gòu)，均由周期分布的第一外環(huán)分段線21、第二外環(huán)分段線22、第三外環(huán)分段線23、第四外環(huán)分段線24、第五外環(huán)分段線25、第六外環(huán)分段線26、第七外環(huán)分段線27、第八外環(huán)分段線28、第一內(nèi)環(huán)分段線31、第二內(nèi)環(huán)分段線32、第三內(nèi)環(huán)分段線33、第四內(nèi)環(huán)分段線34、第五內(nèi)環(huán)分段線35、第六內(nèi)環(huán)分段線36、第七內(nèi)環(huán)分段線37、第八內(nèi)環(huán)分段線38組成，但可以具有不同的線寬和線長(zhǎng)。

分段線的兩個(gè)周期單元之間可看作容性負(fù)載加載，這樣可以使相鄰周期單元的電流不產(chǎn)生相位偏移，并使環(huán)天線在電大結(jié)構(gòu)時(shí)也可以獲得均勻的電流分布部，放置兩個(gè)饋電端口，分別位于環(huán)天線的兩端，以保證兩端口之間的高隔離度。

其中內(nèi)環(huán)使用共面的平行傳輸線激勵(lì)其兩個(gè)相鄰周期單元，獲得一個(gè)磁偶極子；外環(huán)使用一種T型饋線，激勵(lì)其單個(gè)周期結(jié)構(gòu)單元，獲得一個(gè)電偶極子，T型饋線是一種微帶傳輸線，需要在內(nèi)環(huán)中間添加金屬地12結(jié)構(gòu)。

實(shí)施例2：

一種基于分段線的高隔離度雙極化MIMO環(huán)天線，要獲得可以等效為理想磁偶極子的環(huán)天線，其環(huán)上的電流分布應(yīng)該是大小相等且同向的。通過(guò)采用周期結(jié)構(gòu)的分段線天線，當(dāng)環(huán)天線上的電流方向反向時(shí)，如圖4(a)所示，其輻射可等效為一個(gè)電偶極子天線，當(dāng)環(huán)上電流等幅同向時(shí)，如圖4(b)所示，其輻射等效為一個(gè)磁偶極子天線。

參閱圖1，為本發(fā)明的所述的基于分段線的雙極化環(huán)天線的三維圖，具體包括上表面分段金屬環(huán)的第一外環(huán)分段線21、第二外環(huán)分段線22、第三外環(huán)分段線23、第四外環(huán)分段線24、第五外環(huán)分段線25、第六外環(huán)分段線26、第七外環(huán)分段線27、第八外環(huán)分段線28、第一內(nèi)環(huán)分段線31、第二內(nèi)環(huán)分段線32、第三內(nèi)環(huán)分段線33、第四內(nèi)環(huán)分段線34、第五內(nèi)環(huán)分段線35、第六內(nèi)環(huán)分段線36、第七內(nèi)環(huán)分段線37、第八內(nèi)環(huán)分段線38，圓形微波介質(zhì)基板11，金屬地12以及第一下表面饋電結(jié)構(gòu)42、第二下表面饋電結(jié)構(gòu)41。

其中第一下表面饋電端口100為平行饋線，與上表面通過(guò)金屬通孔103相連，第二下表面是T型結(jié)構(gòu)饋電端口101，位于第一下表面饋電端口的相反方向。

本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：采用周期性分布的分段線環(huán)結(jié)構(gòu)，可以引入串聯(lián)電容，利用共面的平行傳輸線饋電實(shí)現(xiàn)分段線金屬環(huán)面上的電流等幅、同相分布，其激勵(lì)模式相當(dāng)于一個(gè)磁偶極子。利用T型微帶線結(jié)構(gòu)，可以在天線上激勵(lì)出等幅反向的電流。

這種天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工，第一端口100和第二端口101之間隔離度較高。第一端口100可以產(chǎn)生XY面全向的輻射特性，第二端口101會(huì)產(chǎn)生YZ面全向的輻射特性。通過(guò)調(diào)節(jié)饋電微帶線和雙平行傳輸線的尺寸可以獲得良好的阻抗匹配。

該結(jié)構(gòu)具體說(shuō)明如下：

介質(zhì)基板采用介電常數(shù)4.6，厚度為0.8mm，半徑為34mm的環(huán)氧樹(shù)脂板Fr4。饋電端口采用特性阻抗為50Ω的同軸饋電，其余結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)圖5(a)和圖5(b)，單位均為毫米(mm)。

如圖5(a)和圖5(b)所示的基于分段線的雙極化環(huán)天線模型的回波損耗的仿真結(jié)果如圖6所示，S₁₁和S₂₂均小于-10dB的帶寬為2.27-2.5GHz(230MHz)，其工作帶寬可以覆蓋2.4GHz的無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)頻段。

圖7為實(shí)施例基于分段線的雙極化環(huán)天線的端口之間的隔離度S₁₂的仿真結(jié)果，可見(jiàn)其隔離度>65dB，可以看出基于該結(jié)構(gòu)的天線端口之間有很高的隔離度。

圖8(a)和圖8(b)分別為基于分段線的雙極化環(huán)天線第一端口100饋電時(shí)，工作于2.4GHz時(shí)的XY面輻射方向圖和YZ面輻射方向圖。

圖9(a)和圖9(b)分別為基于分段線的雙極化環(huán)天線第二端口101饋電時(shí)，工作于2.4GHz時(shí)的XY面輻射方向圖和YZ面輻射方向圖。從圖8(a)和圖8(b)和圖9(a)和圖9(b)可見(jiàn)，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的雙極化天線具有非常接近理想電、磁偶極子的輻射特性。

如上所述，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)地說(shuō)明，但是只要實(shí)質(zhì)上沒(méi)有脫離本發(fā)明的發(fā)明點(diǎn)及效果可以有很多的變形，這對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的。因此，這樣的變形例也全部包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。