一种极近距离MIMO天线的超材料去耦方法技术

本发明专利技术涉及一种极近距离MIMO天线的超材料去耦方法，属于无线通信技术领域。本方法所述极近距离是指MIMO天线内部单元间距小于0.1λ，通过利用具有单负特性的超材料，设计制作超材料覆层结构，在MIMO天线的正上方垂直放置多层超材料覆层，降低MIMO天线之间的耦合，实现高隔离的极近距离MIMO天线，展宽天线隔离带宽。

【技术实现步骤摘要】
一种极近距离MIMO天线的超材料去耦方法
本专利技术涉及一种极近距离MIMO天线的超材料去耦方法，属于无线通信

技术介绍
随着无线通信的飞速发展，未来的移动通信容量将呈指数倍增长，实现移动通信高速率大容量的传输是一项难题，而MIMO(Multiple-InputMultiple-Output，多输入多输出系统)技术能够有效的解决这一难题，故MIMO技术受到了科研人员的广泛关注。MIMO技术指的是在输入端和输出端同时使用多个天线来接收和发射信号，能够在不增加工作带宽的情况下，提高信道容量。但是在MIMO天线中，单元间的耦合是一个十分严重的问题，特别是在目前系统平台日益追求小型化的情况下，需要在有限的空间内安排多个天线，故需要让天线之间彼此靠的更近来减小空间，但天线靠的越近，耦合水平越高。单元间的耦合会导致天线失配，降低天线的辐射效率。在MIMO天线中，现存的去耦合方法包括中和线技术、无源去耦合网络及EBG(电磁带隙)技术等，但天线之间的距离绝大部分都比较远，大于0.1λ，且天线的工作带宽通常都较窄。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术中的问题，为满足MIMO通信中小型化、高隔离、宽带宽的要求，提出一种极近距离MIMO天线的超材料去耦方法。本方法利用多层超材料覆层，降低MIMO天线之间的耦合，实现高隔离的极近距离MIMO天线，展宽天线隔离带宽；适用于包含多个天线单元的MIMO天线。所述极近距离是指MIMO天线内部单元间距小于0.1λ。(λ为MIMO天线中心工作波长)所述超材料在MIMO天线的工作频带范围内，具有单负特性(即负磁导率和正介电常数，或负介电常数和正磁导率)，广泛应用于各类微波器件中。本专利技术方法具体包含如下步骤：步骤一，设计超材料覆层结构。超材料覆层包含多个相同且中心对称的金属超材料单元，周期排列形成m×n(m>＝3,n>＝3)的阵列。相邻超材料单元之间无缝紧贴，超材料单元阵列的面积能覆盖MIMO天线的所有天线单元面积，利用超材料单元负磁导率接近0的频段范围进行MIMO天线的去耦合。步骤二，在PCB(PrintedCircuitBoard)板上制作超材料覆层。按照步骤一所述的超材料覆层结构，在PCB板上覆铜制作超材料覆层。步骤三，在MIMO天线的正上方垂直放置多层超材料覆层。每层超材料覆层的结构相同，面积能完全覆盖MIMO天线。距离MIMO天线最近的一层超材料覆层与MIMO天线的间距小于0.1λ，相邻两层超材料覆层的间距小于0.05λ，超材料覆层和MIMO天线之间以及相邻超材料覆层之间用介质柱支撑，支撑位置在不遮挡天线单元和超材料单元的前提下可任意选择。超材料覆层层数越多，隔离带宽会更宽，隔离效果会更好，但剖面高度更高，覆层层数根据需要的带宽、隔离效果、尺寸等因素选择。有益效果本专利技术利用多层超材料覆层有效实现MIMO天线单元的极近距离，降低了MIMO天线单元的耦合，展宽了天线的隔离带宽。附图说明图1是本专利技术具体实施方式中的原始MIMO天线结构示意图；图2是本专利技术具体实施方式中的超材料单元结构示意图；图3是本专利技术具体实施方式中的超材料的磁导率特性曲线；图4是本专利技术具体实施方式中的超材料单元排列方式及加载超材料覆层的MIMO天线侧视图，(a)超材料单元排列方式；(b)加载超材料覆层的MIMO天线侧视图；图5是本专利技术具体实施方式中的MIMO天线加载超材料覆层前后反射系数的比较；图6是本专利技术具体实施方式中的MIMO天线加载超材料覆层前后隔离度的比较；标号说明:1a-第一微带天线，1b-第二微带天线，2a-第一FR4介质板，2b-第二FR4介质板，2c-第三FR4介质板，3-同轴线，4-超材料单元，5a-第一超材料覆层，5b-第二超材料覆层，6-介质柱。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步的详细说明。如图1所示，MIMO天线包括两个尺寸结构相同天线单元，即第一微带天线1a和第二微带天线1b，第一微带天线1a和第二微带天线1b对称等大放置，且第一微带天线1a的边缘到最近的第二微带天线1b的边缘的距离d＝1mm。第一微带天线1a的长度l1＝12.4mm，宽度w1＝14mm，第一微带天线1a印刷在第一FR4介质板2a上，介电常数为4.4，厚度为3mm，第一FR4介质板2a长度ls＝42mm,宽度ws＝26mm。馈电采用的是SMA同轴线3底馈的形式，同轴线3内导体直径r1＝1.3mm，外导体直径r2＝4.1mm内外导体填充聚四氟乙烯(teflon)介质，介电常数为2.1。馈电点距离第一微带天线1a上边缘的距离d1＝3.7mm。如图2所示，单个超材料单元4采用传统的ELC(Electric-inductor-capacitor)单元结构的形式。该超材料单元4结构关于原点对称，分别沿x方向和y方向按7×5的排列方式印刷在第二FR4介质基板2b上，形成第一超材料覆层5a,介电常数为4.4，厚度为1.6mm。超材料单元4的周期p＝8.5mm，金属线宽w＝0.5mm，金属线开口缝隙距离c＝0.4mm，中间金属线纵向长度l1＝7mm，金属线边长a＝8mm，纵向金属线臂长b＝3.8mm，横向金属线臂长l2＝1.8mm。图3给出了超材料单元4在1～10GHz范围内的磁导率特性曲线。由图3可知，该单元在3GHz产生谐振，具有最大的负磁导率，但为了获得更大的带宽，利用了负磁导率接近0的频段范围进行去耦合，在4.3～5.5GHz范围内磁导率的实部的提取值在-1～0之间，可用于MIMO天线的去耦合。将超材料单元4分别沿x方向和y方向按7×5的排列方式进行排列形成第二超材料覆层5b，如图4(a)所示，超材料单元均印刷在第三FR4介质板2c上，介电常数为4.4，厚度为1.6mm，介质板的长度ls1＝59.5mm，宽度ws1＝56.5mm。将两层排列好的超材料覆层5加载到MIMO天线上方，如图4(b)所示，通过HFSS(HighFrequencyStructureSimulator)优化第一超材料覆层5a和第二超材料覆层5b之间的高度h1以及第二超材料覆层5b与MIMO天线之间的高度h2，达到最优去耦合效果。最终h1＝2mm，h2＝3mm时，耦合效果最好。第一超材料覆层5a和第二超材料覆层5b之间以及第二超材料覆层5b与MIMO天线之间均用介质柱支撑，介质柱6材料为teflon，介电常数为2.1。介质柱的半径及支撑点位置可根据实际情况调节。MIMO天线加载两层超材料覆层前后的反射系数(S11)对比如图5所示，由图可知，加载后的MIMO天线带宽有一定的展宽，加载前MIMO天线的工作频段为4.5～5.1GHz，谐振点为4.9GHz，加载后MIMO天线由于超材料覆层及MIMO天线的耦合作用，出现了多个谐振点，展宽了带宽，工作频段为4.1GHz～5.4GHz。MIMO天线加载超材料覆层前后的耦合系数(S12)的比较如图6所示。由图6可知，加载超材料覆层后，在4.4～5.3GHz频段范围内天线单元间的耦合都有大幅度的减小，在4.5～5.25GHz频带范围内的隔离度均小于-15dB，在4.9GHz处，天线单元间的耦合减小了30dB。以上所述仅为本专利技术的较佳实施例，并非对本专利技术作任何形式上的限定，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种极近距离MIMO天线的超材料去耦方法，其特征在于：具体包含如下步骤：步骤一，设计超材料覆层结构；超材料覆层包含多个相同且中心对称的金属超材料单元，周期排列形成m×n，m>＝3,n>＝3的阵列；相邻超材料单元之间无缝紧贴，超材料单元阵列的面积能覆盖MIMO天线的所有天线单元面积，利用超材料单元负磁导率接近0的频段范围进行MIMO天线的去耦合；步骤二，在PCB板上制作超材料覆层；按照步骤一所述的超材料覆层结构，在PCB板上覆铜制作超材料覆层；步骤三，在MIMO天线的正上方垂直放置多层超材料覆层；每层超材料覆层的结构相同，面积能完全覆盖MIMO天线；距离MIMO天线最近的一层超材料覆层与MIMO天线的间距小于0.1λ，λ为MIMO天线中心工作波长；相邻两层超材料覆层的间距小于0.05λ，超材料覆层和MIMO天线之间以及相邻超材料覆层之间用介质柱支撑。

【技术特征摘要】
1.一种极近距离MIMO天线的超材料去耦方法，其特征在于：具体包含如下步骤：步骤一，设计超材料覆层结构；超材料覆层包含多个相同且中心对称的金属超材料单元，周期排列形成m×n，m>＝3,n>＝3的阵列；相邻超材料单元之间无缝紧贴，超材料单元阵列的面积能覆盖MIMO天线的所有天线单元面积，利用超材料单元负磁导率接近0的频段范围进行MIMO天线的去耦合；步骤二，在PCB板上制作超材料覆层；按照步骤一所述的超材料覆层结构，在PCB板上覆铜制作超材料覆层；步骤三，在MIMO天线的正上方垂直放置多层超材料覆层；每层超材料覆层的结构相同，面积能完全覆盖MIMO天线；距离MIMO天线最近的一层超材料覆层与MIMO天线的间距小于0.1λ，λ为MIMO天线中心工作波长；相邻...

【专利技术属性】
技术研发人员：司黎明，江海鑫，吕昕，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11