本发明属于无线通讯领域，具体涉及一种宽带加载圆形贴片的二单元折叠短路单极子mimo天线，适用于5g无线通信系统。
背景技术：
第五代移动通信技术与第四代移动通信虽然只在数据传输速率、网络容量和延时等三个方面得到优化。但是5g移动通信支持0.1～1gpbs的用户体验速率，每平方公里一百万的连接数密度，毫秒级的端延时，每平方公里数10tbps的流量密度，500km/h以上的移动性能和20gbps的峰值速率。上述指标相对于4g移动通信系统，是根本性的值变。
以往无线移动通信技术更新换代主要是为了改善人们手持终端的接入体验，但是5g移动通信系统的目标并不是改善接入，而是涉及人类的全部生产生活方式。根据itu-r(国际电信联盟无线电通信部门)为5g定义了embb(enhancemobilebroadband)、urllc(ultrareliablelowlatencycommunications)及mmtc(massivemachinetypecommunications)三大应用场景。其中，embb即增强移动宽带，主要是指4k/8k高清视频、ar/vr游戏、3d全息、智慧金融等移动互联网大流量类级应用。urllc即超高可靠和低延时，主要是指工业制造、远程医疗、自动驾驶、智慧交通、智能电网、智慧工厂、智慧矿山等对可靠性和时延有极高要求的行业应用。mmtc即海量机器类通信，主要是指智能家居、智慧城市及大面积环境监控等以海量传感器为主的应用场景。大数据高速传输的保障技术之一为massivemimo技术，即无线通信收发设备间通过增加天线数量建立多条数据传输通路，即增加数量的传输通道，从而极大地提高数据的传输速率。mimo技术，即多输入多输出技术在4g无线移动通信系统中已经得到了一定的应用，但是在4g系统中的智能移动终端的天线单元个数往往比较少，在基站端的天线数目已经较多。而5g系统中的massivemimo技术，要求天线的数量达到几十、甚至几百个，若不改变当前5g无线移动通信频率，要在5g智能移动终端布置几十、甚至几百个天线，几乎不太可能。基站端几乎没有空间的限制，天线的数目可以实现系统的要求。虽然4g和5g的mimo系统区别很大，但是要解决的很多技术问题却是相同的，比如降低天线单元间的耦合度，增加天线单元间的独立性是相同的。而且massivemimo天线系统间的独立性问题首先要考虑任意两个天线间的独立性问题，只有系统中任意两个天线单元间都实现了低耦合和高隔离才算是高隔离度。低频段(3.4ghz～3.6ghz)5g系统天线设计所面临的问题与4g系统差不多，也是增加隔离度、多频段谐振、小型化、宽带化等。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对上述现有技术中降低mimo天线天线单元间的隔离度、提高平面天线的辐射效率、拓展mimo天线的工作频带等问题，提供一种宽带加载圆形贴片的二单元折叠短路单极子mimo天线，拓展天线的谐振带宽，并且增加天线单元间的隔离度。
为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
一种宽带加载圆形贴片的二单元折叠短路单极子mimo天线，包括介质基板，介质基板的上表面设置一个y型金属隔离器以及两个相同结构的天线单元，介质基板的下表面设置两个连接的矩形金属贴片，两个矩形金属贴片沿介质基板的相邻两条边设置，端部重合连接，组成天线的接地板；天线单元包括由介质基板外沿延伸向内的第一竖直辐射臂，与第一竖直辐射臂端部相连的水平辐射臂，由水平辐射臂的另一端连接至矩形金属化过孔的第二竖直辐射臂，矩形金属化过孔将第二竖直辐射臂与天线的接地板连接；水平辐射臂上设置圆形加载金属贴片；y型金属隔离器包括竖直臂以及连接在竖直臂端部的两个分支臂，竖直臂与介质基板上表面的一条对角线重合，两个天线单元关于该对角线轴对称，两条分支臂分别与介质基板上表面的两条邻边平行，y型金属隔离器将两个天线单元隔开。
优选的，所述的介质基板为正方形基板。
优选的，介质基板的组成材料是损耗角正切为0.02，相对介电常数为4.4的聚四氟乙烯。
优选的，圆形加载金属贴片的圆心位于水平辐射臂的中轴线上。
优选的，所述圆形加载金属贴片的直径为水平辐射臂宽度的三倍。
优选的，矩形金属贴片长度等于介质基板边长，宽度为介质基板边长的1/6。
优选的，第一竖直辐射臂为矩形金属贴片宽度的2倍，水平辐射臂的宽度与第一竖直辐射臂的宽度相同，长度小于介质基板边长的一半，第二竖直辐射臂的宽度与第一竖直辐射臂、水平辐射臂的宽度相同。
优选的，y型金属隔离器的两条分支臂分别与介质基板上表面两个对边中心点连线重合。
优选的，竖直臂的长度小于介质基板的对角线长度的一半，两条分支臂长度小于介质基板上表面边长的一半。
相较于现有技术，本发明组成mimo天线系统的天线单元结构简单，天线单元将每个单极子天线的辐射臂折叠，通过矩形过孔将每个单极子天线辐射臂与接地板连接实现短路，每个单极子天线水平折叠臂中加载一个圆形金属贴片。最后在两个天线单元间放置一个y型金属隔离器，实现了高隔离度、宽带、高辐射效率的二单元mimo天线。本发明涉及的mimo天线中两个天线单元具有完全相同的端口和辐射特性。每个天线单元的工作带宽能够达29.3％，工作频带内的辐射效率大于88.1％，两个天线单元间的端口隔离度大于15.5db。
附图说明
图1本发明二单元折叠短路单极子mimo天线的透视结构示意图；
图2本发明二单元折叠短路单极子mimo天线的俯视结构示意图；
图3本发明二单元折叠短路单极子mimo天线的仰视结构示意图；
图4利用三维电磁仿真软件hfss分析本发明mimo天线所得端口散射参数随频率变化曲线，其中曲线a为天线端口1和端口2反射系数(s11/s22)随频率变化特性图，曲线b为天线端口1和2之间的传输系数或者端口隔离度(s12/s21)随频率变化特性图；
图5利用三维电磁仿真软件hfss分析本发明天线所得远场辐射效率随频率变化特性图。
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5g无线移动通信系统中mimo天线单元结构复杂，工作频带较窄，天线单元间隔离度高、远场辐射效率低的问题，本发明设计的mimo天线中，每个天线单元均采用微带线馈电，每个天线单元折叠辐射臂中间加载一个圆形贴片，折叠辐射臂末端通过一个矩形过孔短路。两个天线单元间放置一个“y”型金属非接地隔离器，实现了一个结构简单、端口隔离度高、远程辐射效率高、工作频带较宽的二单元mimo天线结构。
参见图1-3，本发明所设计的天线有一块正方形的介质基板10，一个位于介质基板10上表面的y型金属隔离器30，两个相互连接的矩形金属贴片20，天线单元1和天线单元2的馈电辐射臂11、21，两个圆形加载贴片13、23，天线单元1和天线单元2的水平辐射臂14、24，天线单元1和天线单元2的末端竖直辐射臂15、25，两个矩形金属化过孔12、22。
在一块由fr4组成的正方形介质基板10下表面下边、右边处刻蚀两块矩形金属贴片20，长度等于介质基板10的边长，宽度约为正方形介质基板10边长的1/6，两块矩形金属贴片20右下角端点处重合连接，形成“l”型结构，且“l”的两个边长度和宽度都相等，该“l”型贴片作为本发明天线的共用接地板。介质基板10下表面没有其他的任何结构。
在介质基板10的上表面下边沿、右边沿中心点处分别刻蚀两个矩形金属贴片11、21，矩形金属贴片11、21的短边与介质基板10的上表面边沿重合，长边垂直于边沿，并且长度大于金属接地板20的宽度，约为接地板宽度的2倍。矩形金属贴片11末端，刻蚀一个宽度与矩形金属贴片11相同，长度小于介质基板10边长一半，并且与矩形金属贴片11垂直的水平金属贴片14。矩形金属贴片21的末端刻蚀一个类似的水平金属贴片24。水平金属贴片14末端，再刻蚀一个竖直金属贴片15，其宽度与金属贴片14、11相同。类似的刻蚀一个矩形金属贴片25。在天线单元1和天线单元2的水平矩形金属贴片中分别加载一个圆形金属贴片13、23，圆金属贴片的13、23的直径约为水平矩形金属贴片宽度的三倍。
在介质基板10上表面刻蚀一个y型金属隔离器30，y型金属隔离器30的两个斜臂与竖直臂的宽度可以不等，也可以相等。一个竖直臂平行于连接右下角与左上角的对角线，两个斜臂与上表面两组对边的中心点连线重合。竖直臂的长度小于介质基板10对角线长度的一半，两个斜臂长度小于介质基板10上表面边长的一半。
本发明天线的实施例具体制备方法为：
首先，选择一块边长为50mm，厚度为1.6mm的正方形介质基板，基板的组成材料是损耗角正切为0.02，相对介电常数为4.4的聚四氟乙烯(fr4)。介质基板下表面下边沿、右边沿处分别加工两个长度为50mm，宽度为8mm的矩形金属贴片，两个矩形金属贴片在介质基板右下角端点处重合，形成“l”型金属结构，为本发明天线的接地板。
在正方形介质基板上表面下边沿、右边沿中心点附近，加工两个长14mm，宽2mm的金属矩形贴片，金属贴片短边与介质基板上表面边沿重合。上述两个矩形金属贴片末端，加工两个宽度与上述矩形金属贴片宽度相同，长度为19mm，宽度为2mm的水平矩形金属贴片。如图1所示结构连接，上述两个矩形贴片刚好正交。在上述两个水平矩形金属贴片末端再加工两个竖直矩形贴片，宽度与上述所有矩形贴片宽度相同，也为2mm，长度为6.2mm。在最后两个竖直的矩形贴片末端加工两个矩形金属化过孔，过孔高度1.6mm，长度2mm，宽度0.2mm。两个矩形金属化过孔下端连接金属接地板，上端连接着竖直矩形金属臂。上述加工而成的天线单元1和天线单元2的辐射臂以介质基板上表面对角线为轴构成对称结构。
在正方形介质基板上表面再加工一个“y”型金属隔离结构。“y”型金属结构的竖直臂与介质基板上表面对角线重合，宽度为1mm，长度为25.5mm。两个斜臂长度都为20mm，宽度都为0.8mm。上述“y”型结构中心正好处在介质基板上表面的中心处，两个斜臂也正好与过中心、垂直于两组对边中心点的连线重合。即完成了本发明设计天线的加工制作。
利用三维电磁仿真软件hfss进行仿真分析，如图4-5所示，该天线能够在两个不同频点处发生谐振，并且在3.49ghz～4.71ghz频率范围内两个天线端口反射系数都小于-10db，s11/s22最小值达-22.6db，相对带宽达到29.3％。在整个谐振频率范围内，两个天线单元端口间的隔离度s12/s21小于-15.5db。整个谐振频率范围内，天线的辐射效率大于88.1％，最大值达到92.0％，极大的提高了天线的远场辐射效率，本发明设计的天线具有良好的性能。
以上所述仅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。
1.一种宽带加载圆形贴片的二单元折叠短路单极子mimo天线，其特征在于：包括介质基板(10)，介质基板(10)的上表面设置一个y型金属隔离器(30)以及两个相同结构的天线单元，介质基板(10)的下表面设置两个连接的矩形金属贴片(20)，两个矩形金属贴片(20)沿介质基板(10)的相邻两条边设置，端部重合连接，组成天线的接地板；
天线单元包括由介质基板(10)外沿延伸向内的第一竖直辐射臂，与第一竖直辐射臂端部相连的水平辐射臂，由水平辐射臂的另一端连接至矩形金属化过孔的第二竖直辐射臂，矩形金属化过孔将第二竖直辐射臂与天线的接地板连接；水平辐射臂上设置圆形加载金属贴片；
y型金属隔离器(30)包括竖直臂以及连接在竖直臂端部的两个分支臂，竖直臂与介质基板(10)上表面的一条对角线重合，两个天线单元关于该对角线轴对称，两条分支臂分别与介质基板(10)上表面的两条邻边平行，y型金属隔离器(30)将两个天线单元隔开。
2.根据权利要求1所述宽带加载圆形贴片的二单元折叠短路单极子mimo天线，其特征在于：所述的介质基板(10)为正方形基板。
3.根据权利要求1所述宽带加载圆形贴片的二单元折叠短路单极子mimo天线，其特征在于：介质基板(10)的组成材料是损耗角正切为0.02，相对介电常数为4.4的聚四氟乙烯。
4.根据权利要求1所述宽带加载圆形贴片的二单元折叠短路单极子mimo天线，其特征在于：圆形加载金属贴片的圆心位于水平辐射臂的中轴线上。
5.根据权利要求4所述宽带加载圆形贴片的二单元折叠短路单极子mimo天线，其特征在于：所述圆形加载金属贴片的直径为水平辐射臂宽度的三倍。
6.根据权利要求1所述宽带加载圆形贴片的二单元折叠短路单极子mimo天线，其特征在于：矩形金属贴片(20)长度等于介质基板(10)边长，宽度为介质基板(10)边长的1/6。
7.根据权利要求1所述宽带加载圆形贴片的二单元折叠短路单极子mimo天线，其特征在于：第一竖直辐射臂为矩形金属贴片(20)宽度的2倍，水平辐射臂的宽度与第一竖直辐射臂的宽度相同，长度小于介质基板(10)边长的一半，第二竖直辐射臂的宽度与第一竖直辐射臂、水平辐射臂的宽度相同。
8.根据权利要求1所述宽带加载圆形贴片的二单元折叠短路单极子mimo天线，其特征在于：y型金属隔离器(30)的两条分支臂分别与介质基板(10)上表面两个对边中心点连线重合。
9.根据权利要求1所述宽带加载圆形贴片的二单元折叠短路单极子mimo天线，其特征在于：竖直臂的长度小于介质基板(10)的对角线长度的一半，两条分支臂长度小于介质基板(10)上表面边长的一半。
技术总结