本发明属于无线通讯领域，涉及一种高隔离度对称折叠短路偶极子二单元mimo天线。
背景技术：
伴随着5g无线移动通信技术的落地，人们对无线移动通信系统的依赖越来越大。以大容量、高速率和超短延时为特性的5g无线移动通信系统，与4g无线移动通信系统在网络结构、关键技术等方面有着很大的不同。多输入多输出(mimo)技术虽然已经在4g无线移动通信系统中得到了应用，但是5g通信系统中mimo天线单元的数量将会有大幅度提高，发送端和接收端完成同一数据传输任务的天线数量多达几百根，实现数据同时传输的独立路径也会达到几百条，这样的mimo天线技术称为大规模(massive)mimo技术。
虽然massivemimo天线系统中单元天线的个数较多，天线的结构也更加复杂，单元天线也将呈现三维或者更多维的空间分布。但是其中涉及的主要问题还是减小单元天线间的相关性，即降低单元天线端口间能量耦合，减小mimo天线几何尺寸等，和4g系统中mimo天线设计面临同样的问题。其中的分集技术：极化分集、频率分集、方向图分集和空间分集依然是5g无线移动通信系统mimo天线设计过程中利用的主要技术。
应用于无线移动通信系统的平面结构mimo天线，已经有很多相关文献发表，其中应用的天线结构非常多；有微带贴片天线、微带缝隙天线，单平面天线等。能够提高mimo系统中单元天线端口间隔离度的技术包括增加金属隔离结构，即接地金属结构或非接地金属结构、利用ebg结构、dgs结构、电磁超表面结构、分集技术、添加耦合能量中和结构等。其中分集技术主要通过隔离单元天线的某个特性参数来减小天线间的相关性，例如极化分集技术是通过几何配置将过个天线间极化方向正交，并且优化天线的主极化和交叉极化比，实现两个或者多个单元天线间的极化方向隔离，最终提高了隔离度。而其他大多数技术主要通过抵消或者降低单元天线间无线或者有线电磁能量传输路径来提高单元天线中的独立性。
除了mimo天线中涉及的独特相关性、隔离度问题之外，天线频带宽度、辐射效率和辐射方向图同样也将是massivemimo天线关注的问题。在保证单元天线间相关性满足要求的前提下，也要尽可能优化上述特性。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对上述现有技术中5g无线移动通信系统mimo天线结构比较复杂、带宽较窄、辐射方向性高、辐射效率低等问题，提供一种高隔离度对称折叠短路偶极子二单元mimo天线，降低天线复杂度，拓展带宽，使能量均匀辐射，提高辐射效率。
为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
一种高隔离度对称折叠短路偶极子二单元mimo天线，包括两个对称放置的折叠短路偶极子天线单元以及一个哑铃形的接地金属隔离器，两个折叠短路偶极子天线单元分别位于接地金属隔离器的两侧，并且关于接地金属隔离器的竖直臂中心连线轴对称，两个折叠短路偶极子天线单元共用一个矩形介质基板。
优选的，折叠短路偶极子天线单元包括位于矩形介质基板上表面的半封闭矩形金属结构，半封闭矩形金属结构上下水平臂内侧连接竖直金属臂，连接处设置矩形金属化过孔；两个竖直金属臂分别通过矩形金属化过孔与金属接地板的竖直金属臂连接，金属接地板及其竖直金属臂设置在矩形介质基板的下表面；半封闭矩形金属结构的竖直臂中间位置设置非金属化过孔，金属接地板上加工圆形非金属区域，圆形非金属区域和非金属化圆形过孔的圆心重合。
优选的，半封闭矩形金属结构的上下水平臂与竖直臂由三个宽度相等的金属贴片制成。
优选的，半封闭矩形金属结构以矩形介质基板的水平中线为轴上下对称。
优选的，所述金属接地板的竖直金属臂长度等于半封闭矩形金属结构水平臂内沿与金属接地板外沿之间的距离；所述半封闭矩形金属结构上下水平臂连接的竖直金属臂长度大于金属接地板的竖直金属臂长度，并且小于半封闭矩形金属结构的竖直臂长度的一半长度。
优选的，所述半封闭矩形金属结构上下水平臂连接的竖直金属臂与半封闭矩形金属结构竖直臂的间距以及金属接地板的竖直金属臂与半封闭矩形金属结构竖直臂的间距相等。
优选的，接地金属隔离器的竖直臂中心处两侧设置有两个矩形金属化过孔，两个矩形金属化过孔将接地金属隔离器和两个折叠短路偶极子天线单元的金属接地板连接起来。
优选的，两个折叠短路偶极子天线单元的金属接地板间距等于接地金属隔离器的竖直臂宽度。
优选的，接地金属隔离器的竖直臂与连接在竖直臂两端的水平臂的臂宽相同，所述接地金属隔离器的竖直臂与矩形介质基板的上表面中心重合。
优选的，矩形介质基板的组成材料为fr4，材料相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02。
相较于现有技术，本发明至少具有如下的有益效果：利用哑铃形的接地金属隔离器将两个折叠短路偶极子天线单元的端口隔离度提高到20db以上，利用平面偶极子天线作为基本的天线结构，将偶极子天线的两个臂折叠并且通过金属化过孔将两臂短路，拓展了天线频带宽度，改善了天线远场辐射方向图和提高了天线远场辐射效率。本发明降低了天线复杂度、拓展了带宽，能量辐射均匀，提高了天线的辐射效率，天线综合性能较为优秀。
附图说明
图1为本发明设计的二单元mimo天线透视结构示意图；
图2为本发明设计的二单元mimo天线俯视结构示意图；
图3为本发明设计的二单元mimo天线仰视结构示意图；
图4为利用三维电磁仿真软件对本发明设计天线的一种实施例分析所得端口散射参数虽频率变化曲线图，其中a曲线为天线端口1和2的反射系数随频率变化特性，曲线b为天线端口1和2之间耦合系数随频率变化特性；
图5为利用三维电磁仿真软件对本发明设计天线的一种实施例分析所得单元天线1和2远程辐射效率随频率变化曲线图；
图6为利用三维电磁仿真软件对本发明设计天线的一种实施例分析所得频率f＝3.85ghz处单元天线1和2远场辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
为了解决应用于最新无线移动通信系统中mimo天线结构复杂、单元天线端口间隔离度不高、辐射效率较低、辐射方向图定向性强而不利于无线信号的空间覆盖等问题，本发明高隔离度对称折叠短路偶极子二单元mimo天线利用最简单的天线结构平面偶极子天线作为基本天线单元，并且在两个单元天线间增加了一个“哑铃”形接地金属隔离器，实现了一个具有高端口隔离度、辐射效率极高、几乎具有全向辐射特性的宽带二单元平面mimo天线。
参见图1-3，本发明有两个单元天线，分别为单元天线1、单元天线2和一个哑铃形的接地金属隔离器32。单元天线1和单元天线2共用一个矩形介质基板10，矩形介质基板10左侧分布单元天线1的所有结构，右侧分布单元天线2的所有结构。单元天线1由位于矩形介质基板10上表面的一个半封闭矩形金属结构即第一
单元天线2与单元天线1在结构上以矩形介质基板10竖直中线为轴对称。位于矩形介质基板10上表面右侧区域的一个半封闭矩形金属结构即
位于矩形介质基板10上表面中间位置的接地金属隔离器32为哑铃形，竖直臂中心处有两个矩形金属化过孔31、33。这两个矩形金属化过孔31、32宽度较小，长度远远大于宽度，高度等于矩形介质基板10厚度。矩形介质基板10背面两个矩形金属接地板20、30间距刚好等于接地金属隔离器32竖直臂的宽度。两个矩形金属化过孔31、33将接地金属隔离器32和两个矩形金属接地板20、30连接起来，使接地金属隔离器32连接两个单元天线的接地板。
本发明天线的具体制作过程如下：
如图1-3所示，首先，选择一块组成材料为fr4，长、宽、高分别为50mm、30mm和1.6mm，矩形介质板作为天线的矩形介质基板10，组成材料fr4相对介电常数为4.4、损耗角正切为0.02。在矩形介质基板10的中间位置处，利用电路板印刷技术印刷一个哑铃形的接地金属隔离器32，哑铃形的接地金属隔离器32的竖直臂和末端两个水平臂宽度相同，为2mm。竖直臂的长度为16mm，两个水平臂长度相同，为6mm。哑铃形的接地金属隔离器32的竖直臂中心两侧加工两个矩形金属化过孔31、32，矩形金属化过孔的宽度为0.4mm，长度为2mm，高度为1.6mm，两个矩形金属化过孔31、32的长边与接地金属隔离器32相连接。
其次，在矩形介质基板10左侧区域距离左侧边沿9mm处，印刷一个长24mm、宽2mm的竖直金属贴片，竖直金属贴片上端印刷一个宽度为2mm，长度为10mm的水平金属贴片，竖直金属贴片下端印刷一个宽度为2mm，长度为10mm的水平金属贴片，上述两个水平金属贴片与竖直金属贴连接形成一个
利用三维电磁仿真软件hfss对本发明mimo天线进行仿真分析得知，如图4所示，该mimo天线的-10db相对阻抗带宽达到了18.8％，而且在整个工作带宽内，两个单元天线端口间隔离度小于-20db，即本发明mimo天线是一个宽频带天线。在整个工作频带内，本发明天线的远场辐射效率大于85.2％，最大值达到了96.1％，即本发明天线的辐射效率较高，如图5所示。在谐振频带f＝3.85ghz处，垂直于天线所在平面方向上，天线的上下两个方向都有较大能量辐射，而且在平行于天线平面所在方向上，天线也有一定的能量辐射，如图6所示，所以本发明天线是一个空间辐射均匀的近似全向辐射天线。总之，本发明设计的mimo天线在工作带宽、辐射效率和辐射能量空间覆盖等方面都有良好的性能。
以上所述仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均会落入由权利要求所划定的保护范围之内。
1.一种高隔离度对称折叠短路偶极子二单元mimo天线，其特征在于：包括两个对称放置的折叠短路偶极子天线单元以及一个哑铃形的接地金属隔离器(32)，两个折叠短路偶极子天线单元分别位于接地金属隔离器(32)的两侧，并且关于接地金属隔离器(32)的竖直臂中心连线轴对称，两个折叠短路偶极子天线单元共用一个矩形介质基板(10)。
2.根据权利要求1所述的高隔离度对称折叠短路偶极子二单元mimo天线，其特征在于：折叠短路偶极子天线单元包括位于矩形介质基板(10)上表面的半封闭矩形金属结构，半封闭矩形金属结构上下水平臂内侧连接竖直金属臂，连接处设置矩形金属化过孔；两个竖直金属臂分别通过矩形金属化过孔与金属接地板的竖直金属臂连接，金属接地板及其竖直金属臂设置在矩形介质基板(10)的下表面；半封闭矩形金属结构的竖直臂中间位置设置非金属化过孔，金属接地板上加工圆形非金属区域，圆形非金属区域和非金属化圆形过孔的圆心重合。
3.根据权利要求2所述的高隔离度对称折叠短路偶极子二单元mimo天线，其特征在于：半封闭矩形金属结构的上下水平臂与竖直臂由三个宽度相等的金属贴片制成。
4.根据权利要求2所述的高隔离度对称折叠短路偶极子二单元mimo天线，其特征在于：半封闭矩形金属结构以矩形介质基板(10)的水平中线为轴上下对称。
5.根据权利要求2所述的高隔离度对称折叠短路偶极子二单元mimo天线，其特征在于：所述金属接地板的竖直金属臂长度等于半封闭矩形金属结构水平臂内沿与金属接地板外沿之间的距离；所述半封闭矩形金属结构上下水平臂连接的竖直金属臂长度大于金属接地板的竖直金属臂长度，并且小于半封闭矩形金属结构的竖直臂长度的一半长度。
6.根据权利要求5所述的高隔离度对称折叠短路偶极子二单元mimo天线，其特征在于：所述半封闭矩形金属结构上下水平臂连接的竖直金属臂与半封闭矩形金属结构竖直臂的间距以及金属接地板的竖直金属臂与半封闭矩形金属结构竖直臂的间距相等。
7.根据权利要求2所述的高隔离度对称折叠短路偶极子二单元mimo天线，其特征在于：接地金属隔离器(32)的竖直臂中心处两侧设置有两个矩形金属化过孔，两个矩形金属化过孔将接地金属隔离器(32)和两个折叠短路偶极子天线单元的金属接地板连接起来。
8.根据权利要求7所述的高隔离度对称折叠短路偶极子二单元mimo天线，其特征在于：两个折叠短路偶极子天线单元的金属接地板间距等于接地金属隔离器(32)的竖直臂宽度。
9.根据权利要求7所述的高隔离度对称折叠短路偶极子二单元mimo天线，其特征在于：接地金属隔离器(32)的竖直臂与连接在竖直臂两端的水平臂的臂宽相同，所述接地金属隔离器(32)的竖直臂与矩形介质基板(10)的上表面中心重合。
10.根据权利要求1所述的高隔离度对称折叠短路偶极子二单元mimo天线，其特征在于：矩形介质基板(10)的组成材料为fr4，材料相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02。
技术总结