阅读说明：本技术 一种全极化可重构mimo天线 (Full-polarization reconfigurable MIMO antenna ) 是由 韩丽萍 刘宇峰 平艺伟 陈新伟 马润波 张文梅 于 2019-09-29 设计创作，主要内容包括：一种全极化可重构MIMO天线,属于通信系统的天线技术领域,主要解决无线通信系统信道容量低的技术难题。它由两个并排放置的天线单元构成,天线单元包括从上到下依次层叠的辐射贴片、第一介质基板、接地板、第二介质基板以及微带馈线；所述辐射贴片位于第一介质基板的上面,辐射贴片四个角分别刻蚀倾斜缝隙,接地板设置十字缝隙,每条缝隙中加载一个PIN二极管；通过控制辐射贴片的PIN二极管的导通或断开使得天线产生左旋和右旋圆极化工作模式；通过控制接地板的PIN二极管的导通或断开使得天线产生线极化工作模式和圆极化工作模式。本发明可用于增加MIMO通信系统的信道容量,结构简单,成本低、可靠性好。(A full-polarization reconfigurable MIMO antenna belongs to the technical field of antennas of communication systems and mainly solves the technical problem of low channel capacity of a wireless communication system. The antenna unit comprises a radiation patch, a first dielectric substrate, a ground plate, a second dielectric substrate and a microstrip feeder line which are sequentially stacked from top to bottom; the radiation patch is positioned on the first medium substrate, four corners of the radiation patch are respectively etched with inclined gaps, the ground plate is provided with cross gaps, and each gap is loaded with a PIN diode; the antenna generates left-hand and right-hand circular polarization working modes by controlling the connection or disconnection of the PIN diode of the radiation patch; the antenna generates a linear polarization working mode and a circular polarization working mode by controlling the connection or disconnection of the PIN diode of the grounding plate. The invention can be used for increasing the channel capacity of the MIMO communication system, and has the advantages of simple structure, low cost and good reliability.)

一种全极化可重构MIMO天线

技术领域

本发明涉及通信系统综合设计中的天线技术领域，特别涉及一种全极化可重构MIMO天线。

背景技术

随着无线通信技术的飞速发展，频谱资源日益紧缺，用户对通信速率和通信质量的需求不断增加，多输入多输出（MIMO）通信系统应运而生。MIMO系统将多个天线单元放置于信号发射端和接收端，在空间搭建并行传输通道，可大幅度提高频谱利用效率。极化可重构天线根据不同环境的使用要求改变天线的极化方式，增加额外的收发信道。极化可重构天线应用于MIMO系统能够通过极化分集降低系统子信道之间的相关性，提升系统的信道容量。全极化可重构天线可以在两种正交的线极化和两种正交的圆极化之间自由切换，能够实时地选择最佳信号，从而大幅度提升系统性能。

国内外学者提出几种全极化可重构天线的设计方案，利用可重构馈电网络实现全极化可重构。但它们的共同缺点是采用馈电网络增加了天线结构的复杂度。此外，这些全极化可重构天线针对单天线系统设计，不适用于MIMO系统。如何设计出结构简单的全极化可重构MIMO天线是一个有待于解决的技术难题，目前尚未见到全极化可重构MIMO天线的报道。因此，研究全极化可重构MIMO天线是解决无线通信系统信道容量低技术难题的有效途径。

发明内容

本发明的目的是解决MIMO通信系统信道容量低的技术问题，进而解决现有的全极化可重构天线结构复杂问题，提供一种全极化可重构MIMO天线。

本发明是采用以下技术方案实现的：一种全极化可重构MIMO天线，由两个并排放置的天线单元构成，天线单元包括从上到下依次层叠的辐射贴片、第一介质基板、接地板、第二介质基板及微带馈线，辐射贴片位于第一介质基板的上面，接地板位于第一介质基板和第二介质基板的中间，微带馈线位于第二介质基板的下面；所述辐射贴片的四个角分别刻蚀一条贯穿贴片的倾斜缝隙，四个PIN二极管分别加载于四条倾斜缝隙之上；所述接地板的中心位置刻蚀一个十字型缝隙，四个PIN二极管分别加载于缝隙的四个枝节之上；所述微带馈线以第二介质基板的一条中心线为轴对称。

通过控制接地板上四个PIN二极管同时断开使天线产生圆极化工作模式，控制接地板一条缝隙上两个PIN二极管同时导通或者断开使天线产生+45°线极化和-45°线极化工作模式；通过控制辐射贴片的对角线上两个PIN二极管同时导通或者断开使天线产生左旋圆极化和右旋圆极化工作模式。

接地板十字型缝隙的四个枝节分别各加载一个PIN二极管（第五PIN二极管10-1、第六PIN二极管10-2、第七PIN二极管10-3和第八PIN二极管10-4），通过控制四个PIN二极管同时断开使天线产生圆极化工作模式，控制接地板一条缝隙上两个PIN二极管（10-1、10-3或者10-2、10-4）同时导通或者断开使得天线产生+45°线极化和-45°线极化工作模式；

辐射贴片的倾斜缝隙分别加载一个PIN二极管（第一PIN二极管8-1、第二PIN二极管8-2、第三PIN二极管8-3和第四PIN二极管8-4），通过控制辐射贴片对角线上两个PIN二极管（8-1、8-3或者8-2、8-4）同时导通或者断开使天线产生左旋圆极化和右旋圆极化工作模式。

在第五PIN二极管10-1、第六PIN二极管10-2、第七PIN二极管10-3和第八PIN二极管10-4同时断开的情形下，天线工作在圆极化模式，当第一PIN二极管8-1和第三PIN二极管8-3同时断开，第二PIN二极管8-2和第四PIN二极管8-4同时导通时（模式1），贴片上-45°方向的切角对天线产生微扰，天线工作在左旋圆极化模式；当第一PIN二极管8-1和第三PIN二极管8-3同时导通，第二PIN二极管8-2和第四PIN二极管8-4同时断开时（模式2），贴片上+45°方向的切角对天线产生微扰，天线工作在右旋圆极化模式。

在第一PIN二极管8-1、第二PIN二极管8-2、第三PIN二极管8-3和第四PIN二极管8-4同时导通的情形下，天线工作在线极化模式，当第五PIN二极管10-1和第七PIN二极管10-3同时断开，第六PIN二极管10-2和第八PIN二极管10-4同时导通时（模式3），电磁能量通过接地板上-45°方向的缝隙耦合到贴片，天线工作在+45°线极化模式（模式3）；第五PIN二极管10-1和第七PIN二极管10-3同时导通，第六PIN二极管10-2和第八PIN二极管10-4同时断开时（模式4），电磁能量通过接地板上+45°方向的缝隙耦合到贴片，天线工作在-45°线极化模式。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

（1）通过直接在天线结构上加载开关实现全极化可重构，降低了全极化可重构天线的复杂度；

（2）通过控制接地板上二极管实现+45°/-45°线极化工作模式及圆极化工作模式，进一步通过控制辐射贴片上二极管实现左旋圆极化和右旋圆极化工作模式；

（3）本发明能在+45°\-45°线极化模式以及左旋\右旋圆极化四种辐射模式之间任意切换，天线结构简单，成本低、可靠性好，为MIMO通信系统高信道容量提供行之有效的解决途径。

附图说明

图1为本发明所述的全极化可重构MIMO天线的侧视图。

图2为本发明所述的全极化可重构MIMO天线单元的贴片平面图。

图3为本发明所述的全极化可重构MIMO天线单元的接地板和馈线平面示意图。

图4为本发明所述的全极化可重构MIMO天线模式1的S参数曲线。

图5为本发明所述的全极化可重构MIMO天线模式1的轴比曲线。

图6为本发明所述的全极化可重构MIMO天线模式2的S参数曲线。

图7为本发明所述的全极化可重构MIMO天线模式2的轴比曲线。

图8为本发明所述的全极化可重构MIMO天线模式3的S参数曲线。图9为本发明所述的全极化可重构MIMO天线模式4的S参数曲线。图10为本发明所述的全极化可重构MIMO天线模式1的辐射方向图。

图11为本发明所述的全极化可重构MIMO天线模式2的辐射方向图。图12为本发明所述的全极化可重构MIMO天线模式3的辐射方向图。

图13为本发明所述的全极化可重构MIMO天线模式4的辐射方向图。

图中，1为天线单元，2为天线单元的贴片，3为天线单元的第一介质基板，4为天线单元的接地板，5为天线单元的第二介质基板，6为天线单元的馈线，7为倾斜缝隙，8-1为第一PIN二极管，8-2为第二PIN二极管，8-3为第三PIN二极管，8-4为第四PIN二极管，9为十字型缝隙，10-1为第五PIN二极管，10-2为第六PIN二极管，10-3为第七PIN二极管，10-4为第八PIN二极管。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

图1所示，一种全极化可重构MIMO天线，该天线由两个并排放置的天线单元1构成，天线单元1包括从上到下依次层叠的辐射贴片2、第一介质基板3、接地板4、第二介质基板5和微带馈线6。

图2所示，所述辐射贴片2的四个角分别刻蚀一条贯穿贴片的倾斜缝隙7，第一PIN二极管8-1、第二PIN二极管8-2、第三PIN二极管8-3和第四PIN二极管8-4分别加载于四条倾斜缝隙之上。

图3所示，所述接地板4的中间刻蚀一个十字型缝隙9，第五PIN二极管10-1、第六PIN二极管10-2、第七PIN二极管10-3和第八PIN二极管10-4分别加载于十字型缝隙的四个枝节之上；所述微带馈线6以第二介质基板的一条中心线为轴对称。

所述倾斜缝隙7沿辐射贴片2边缘水平和垂直方向距离正方形辐射贴片2的顶点均为12mm，倾斜缝隙7的宽度为1mm；四个PIN二极管8-1、8-2、8-3和8-4分别加载于倾斜缝隙7的中间位置。

所述十字形缝隙9位于接地板4的中心位置，十字形缝隙的长度L和宽度M分别为20mm和2mm；四个PIN二极管10-1、10-2、10-3和10-4分别加载于缝隙的四个枝节，距离缝隙的对称中心2mm。

所述第一介质基板3和第二介质基板5均采用介电常数为4.4的FR4环氧树脂材料，第一介质基板3的尺寸为50mm × 50mm，厚度为0.8mm，第二介质基板5的尺寸为75mm ×75mm，厚度为1.6mm。

所述微带馈线6以第二介质基板5的一条中心线为轴对称，距离第二介质基板5的上边缘32mm，长度和宽度分别为43mm和2.98mm。

本发明的优点可以通过实施例的仿真结果进一步说明。对本发明实施例中的全极化可重构MIMO天线进行建模仿真，通过控制接地板上二极管实现+45°/-45°线极化以及圆极化工作模式。在圆极化模式情况下通过进一步控制辐射贴片上二极管实现左旋圆极化和右旋圆极化工作模式。

附图4示出了全极化可重构MIMO天线在第二PIN二极管8-2和第四PIN二极管8-4导通，其它二极管均断开时的S参数曲线，其中横坐标代表频率变量，单位为GHz，纵坐标代表幅度变量，单位为dB。由图可知，当天线工作在模式1时（8-2和8-4导通，8-1、8-3、10-1、10-2、10-3和10-4断开），天线的工作中心频率为2.45GHz，在2.3~2.7GHz范围内回波损耗低于-10dB，端口间的隔离度大于25.6dB。附图5示出了全极化可重构MIMO天线在模式1时的轴比曲线，其中横坐标代表频率变量，单位为GHz，纵坐标代表幅度变量，单位为dB。从图中可以看出，在2.4~2.47GHz范围内轴比小于3dB。

附图6示出了全极化可重构MIMO天线在第一PIN二极管8-1和第三PIN二极管8-3导通，其它二极管均断开时的S参数曲线。由图可知，当天线工作在模式2时（8-1和8-3导通，8-2、8-4、10-1、10-2、10-3和10-4断开），天线的工作中心频率为2.45GHz，在2.3~2.7GHz范围内回波损耗低于-10dB，端口间的隔离度大于25.6dB。附图7示出了全极化可重构MIMO天线在模式2时的轴比曲线，可见在2.4~2.46GHz范围内轴比小于3dB。

附图8示出了全极化可重构MIMO天线在第六PIN二极管10-2和第八PIN二极管10-4导通，其它二极管均断开时的S参数曲线。由图可知，当天线工作在模式3时（10-2和10-4导通，8-1、8-2、8-3、8-4、10-1和10-3断开），天线的工作中心频率为2.45GHz，在2.4~2.5GHz范围内回波损耗低于-10dB，端口间的隔离度大于27.3dB。

附图9示出了全极化可重构MIMO天线在第五PIN二极管10-1和第七PIN二极管10-3导通，其它二极管均断开时的S参数曲线。从图中可以看出，当天线工作在模式4时（10-1和10-3导通，8-1、8-2、8-3、8-4、10-2和10-4断开），天线的工作中心频率为2.45GHz，在2.4~2.5GHz范围内|S ₁₁|<-10dB，端口间的隔离度大于27.2dB。

附图10和11分别示出了全极化可重构MIMO天线在模式1和2时的辐射方向图。由图可知，在第五PIN二极管10-1、第六PIN二极管10-2、第七PIN二极管10-3和第八PIN二极管10-4同时断开时，天线工作在圆极化模式。当第一PIN二极管8-1和第三PIN二极管8-3同时断开，第二PIN二极管8-2和第四PIN二极管8-4同时导通时（模式1），贴片上-45°方向的切角对天线产生微扰，天线工作在左旋圆极化模式；当第一PIN二极管8-1和第三PIN二极管8-3同时导通，第二PIN二极管8-2和第四PIN二极管8-4同时断开时（模式2），贴片上+45°方向切角对天线产生微扰，天线工作在右旋圆极化模式。

附图12和13分别示出了全极化可重构MIMO天线在模式3和4时的辐射方向图。由图可知，在第一PIN二极管8-1、第二PIN二极管8-2、第三PIN二极管8-3和第四PIN二极管8-4同时导通的情形下，天线工作在线极化模式。当第五PIN二极管10-1和第七PIN二极管10-3同时断开，第六PIN二极管10-2和第八PIN二极管10-4同时导通时（模式3），电磁能量通过接地板上-45°方向的缝隙耦合到贴片，天线工作在+45°线极化模式；第五PIN二极管10-1和第七PIN二极管10-3同时导通，第六PIN二极管10-2和第八PIN二极管10-4同时断开时（模式4），电磁能量通过接地板上+45°方向的缝隙耦合到贴片，天线工作在-45°线极化模式。