多端口MIMO天线的设计与研究

摘要

随着无线通信技术的快速发展，有限的频谱资源与不断增加的通信容量之间的矛盾日益突出。由于频谱资源和香农容量限制，传统通信技术难以解决这个问题。在多径传输环境中，MIMO(Multi-Input Multi-Output)技术可以在不增加工作带宽和发射功率的情况下提高通信系统的信道容量和传输速率。天线是MIMO系统的关键器件，其性能的优劣决定了无线通信系统是否能够稳定运行。
　　本论文以WLAN为主要应用背景，针对MIMO天线的去耦合、低相关性和小型化等要求，设计了三款结构新颖、分集特性较佳的多端口MIMO天线。
　　论文首先提出了一款基于H形缝隙的双极化天线，通过结构对称性处理，达到了较高的端口隔离度和辐射场极化纯度。在此基础上，结合容性加载单极子，实现了三极化天线结构，并通过电磁光子带隙(EBG)结构提高了端口间的隔离特性。三极化天线的-10dB阻抗带宽范围为2.31～2.54GHz，可覆盖WLAN的2.4GHz频段，缝隙天线元间及缝隙元与单极子间的隔离度分别在20dB和16dB以上。
　　然后设计了一款高度为5.2mm的低剖面环形共面三端口微带天线。结构上，三个开口缝隙在圆形介质基板边缘互成120度角均匀分布，并通过对缝隙辐射元接地面的缝隙加载等分分隔，提高了三个馈电端口的隔离度。同时还通过底侧反射面的加载，实现了三个辐射元的共方向性。天线的-10dB阻抗频率范围是2.39～2.47GHz，也可工作在WLAN的2.4GHz频段，中心频点处端口隔离度大于20dB。
　　论文最后构建了一款同时具有空间分集和极化分集的5端口天线。它首先利用单锥结构产生一锥体方向线极化的端口天线，然后利用锥腔侧面的四个缝隙辐射元实现与锥体端口天线极化正交的另外四个端口天线。为提高正对缝隙元间的端口隔离度，在腔体对角线方向插入一带有缝隙的隔板，同时还对锥体每个侧面加载C形缝隙以提高相邻缝隙元间的隔离度。天线的中心频点为5.25GHz，单锥天线与缝隙元的隔离度达到了25dB，缝隙元间的隔离度为16dB左右。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 背景及意义

1．2 MIMO天线研究现状

1．2．1 双极化天线

1．2．2 三极化天线

1．2．3 多端口天线

1．3 论文主要内容

参考文献

第二章 天线设计基础

2．1 MIMO技术

2．2 MIMO天线指标

2．2．1 端口隔离度

2．2．2 相关性系数

2．2．3 平均有效增益

2．2．4 分集增益

2．3 多极化天线

2．3．1 极化复用

2．3．2 极化分集

2．3．3 分集天线与MIMO天线

2．3．4 交叉极化隔离度与鉴别率

2．4 移动终端和基站MIMO天线

2．5 提升隔离度的方法

2．5．1 加载寄生单元

2．5．2 加载地板枝节

2．5．3 正交极化

2．5．4 引入中和线

2．5．5 EBG结构

2．6 天线设计流程

2．6．1 类型与结构确定

2．6．2 仿真验证

2．6．3 制作版图

2．6．4 转印

2．6．5 湿法蚀刻

2．6．6 焊接测试

2．7 小结

参考文献

第三章 基于H形缝隙的MIMO天线

3．1 H形缝隙天线

3．2 单极子天线

3．3 H形缝隙双极化天线

3．3．1 天线结构

3．3．2 结构参数影响

3．3．3 量终结构天线端口参数

3．3．4 电流分布

3．3．5 天线方向性

3．3．6 感应片不接地时天线特性

3．3．7 感应片接地天线测试结果

3．4 三极化天线

3．4．1 容性加载单极子

3．4．2 三极化天线结构

3．4．3 端口散射参数

3．4．4 电流分布

3．4．5 天线方向性

3．4．6 单极子位置影响

3．4．7 两介质基板距离影响

3．5 小结

参考文献

第四章 基于开口缝隙的三端口MIMO天线

4．1 开口缝隙天线

4．2 三端口天线

4．2．1 天线结构

4．2．2 天线表面电流分布

4．2．3 端口散射参数

4．2．4 相关系数

4．2．5 辐射特性

4．3 天线性能分析

4．3．1 分割缝隙对端口隔离度影响

4．3．2 反射板对原型天线的影响

4．3．3 反射板对无分隔离缝隙天线的影响

4．3．4 基于缝隙面馈电时天线特性

4．4 小结

参考文献

第五章 五端口MIMO天线

5．1 单锥天线与缝隙谐振腔

5．1．1 双锥天线

5．1．2 单锥天线

5．1．3 缝隙谐振器

5．2 五端口天线

5．2．1 天线结构

5．2．2 电流分布

5．2．3 端口散射参数

5．2．4 相关系数

5．2．5 辐射特性

5．3 缝隙端口天线特性分析

5．3．1 没有隔离板时天线性能

5．3．2 隔离板不存在开口缝隙时天线性能

5．3．3 矩形壁不存在C形缝隙时天线性能

5．4 四端口天线

5．4．1 基于5端口天线的四端口缝隙天线

5．4．2 结构优化四端口天线

5．5 小结

参考文献

第六章 总结与展望

攻读硕士学位期间的科研成果

致谢