ЧЕТЫРЕХЭЛЕМЕНТНАЯ MIMO-АНТЕННА С РАЗЛИЧНЫМИ СОСТОЯНИЯМИ ПОЛЯРИЗАЦИИ И ДИАГРАММАМИ НАПРАВЛЕННОСТИ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ПОЛЕЗНАЯ МОДЕЛЬ
Настоящая полезная модель относится к области техники пассивных устройств с волнами микроволнового и миллиметрового диапазона, а более конкретно к четырехэлементной MIMO-антенне с различными состояниями поляризациями и диаграммами направленности.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
В связи с быстрым развитием современных систем связи люди все чаще требуют увеличения скорости передачи данных между устройствами. В то же время для того, чтобы адаптироваться к коммерческим требованиям контуров волн микроволнового и миллиметрового диапазона, устройства связи также должны обладать признаками миниатюризации, легким весом и низкой стоимостью. Многополосная миниатюризированная антенна с многоканальным входом - многоканальным выходом (MIMO) представляет собой компактную и недорогую антенну, которую мы получаем в этой ситуации. MIMO-антенна может увеличить пропускную способность канала связи, используя технологии нескольких антенн, тем самым эффективно увеличивая скорость передачи данных системы.
Однако требование миниатюризации оборудования связи оставляет очень мало места для конструирования антенны. Размещение нескольких антенн близко друг к другу может эффективно уменьшить размер всей антенной системы. Однако взаимная связь между антеннами в ограниченном пространстве является сильной, и каждая антенна имеет высокий коэффициент корреляции, в результате чего резко ухудшаются характеристики разнесения MIMO-антенны. Существует множество технологий развязки в существующей миниатюризированной конструкции с несколькими антеннами, например, использование дефектной структуры грунта (ДСГ), введение электромагнитных структур с запрещенной зоной, развязка согласованных сетей, использование структур с грибообразной головкой и тому подобное. Однако эти технологии имеют определенные недостатки. Например, ДСГ будет разрушать структуру основания и ограничивать область применения антенны. Последние три способа увеличат занимаемое пространство антенны, и они не подходят для миниатюризированной конструкции. Кроме того, эти технологии, в основном, предназначены для развязки двух антенн, и реализовать проблему развязки для нескольких антенн или нескольких полос частот действительно сложнее. Поэтому при конструировании миниатюризированных MIMO-антенн с высокой развязкой еще предстоит решить многие проблемы.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Для того, чтобы решить технические проблемы предшествующего уровня техники настоящая полезная модель ставит своей целью предложить четырехэлементную MIMO-антенну с различными состояниями поляризации и диаграммами направленности для преодоления недостатков существующих MIMO-антенн, включая низкую развязку конструкции, тяжелый вес, большой объем, высокую стоимость обработки сигналов и сложную интеграцию.
С этой целью в описании предложена четырехэлементная MIMO-антенна с различными состояниями поляризации и диаграммами направленности, содержащая диэлектрическую подложку, основание, нанесенное печатным методом на заднюю сторону диэлектрической подложки, MIMO-антенну, нанесенную печатным методом на переднюю сторону диэлектрической подложки, и изолирующий стержень. MIMO-антенна формируется путем поворота четырех одинаковых антенных элементов на 90 градусов по центру; изолирующий стержень расположен вертикально над диэлектрической подложкой, а центр изолирующего стержня совпадает с центром MIMO-антенны.
Кроме того, четырехэлементная MIMO-антенна состоит из микрополосковой фидерной линии, симметричной согласованной щели, излучающего металлического патча, L-образного зазора нагрузки и короткозамкнутых металлических патч-стоек; микрополосковая фидерная линия вставляется в излучающий металлический патч с боковой стороны для формирования симметричной согласованной щели; короткозамкнутые металлические патч-стойки расположены с обеих сторон симметричной согласованной щели; L-образный зазор нагрузки расположен на излучающем металлическом патче, одна сторона L-образного зазора нагрузки находится рядом с короткозамкнутой металлической патч-стойкой и параллельно микрополосковой фидерной линии, в то время как другая сторона L-образного зазора нагрузки находится на расстоянии от короткозамкнутой металлической патч-стойки и перпендикулярно микрополосковой фидерной линии.
Кроме того, изолирующий стержень формируется крестообразным металлическим стержнем, крестообразной металлической микрополосковой линией, нанесенной печатным методом на поверхность диэлектрической подложки, и короткозамкнутым металлизированным сквозным отверстием; и крестообразный металлический стержень соединен с основанием посредством крестообразной металлической микрополосковой линии и короткозамкнутого металлизированного сквозного отверстия.
По сравнению с предшествующим уровнем техники, настоящая полезная модель имеет следующие преимущества.
1. Структура является компактной, и MIMO-антенна формируется путем поворота четырех одинаковых антенных элементов на 90 градусов по центру, и применяется способ нагрузки короткозамкнутых металлических патч-стоек, в результате чего площадь антенны уменьшается наполовину, по сравнению с традиционной патч-антенной, у которой длина равна половине длины волны;
2. Антенна имеет более высокую степень интеграции, более легкий вес, более низкую стоимость и более короткий цикл обработки сигнала с использованием технологии микрополосковой печати;
3. Коэффициенты корреляции между портами антенны уменьшаются за счет использования вертикального изолирующего стержня, который, по сравнению с другими технологиями развязки, делает структуру более компактной на основе обеспечения эффекта высокой развязки; и
4. Использование способа L-образного зазора нагрузки позволяет дополнительно увеличить одну полосу рабочей частоты в оригинальной миниатюризированной антенне, в результате чего антенна приобретает двухполосную характеристику, и одновременно можно обеспечить хорошую производительность обеих полос частот; регулируя длину согласованной щели, можно достичь предпочтительного согласованного состояния двух полос частот одновременно.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Для более ясной иллюстрации технических решений в вариантах осуществления настоящей полезной модели, чертежи, используемые в описании вариантов осуществления настоящей полезной модели, будут кратко описаны ниже. Безусловно, чертежи, приведенные в нижеследующем описании, представляют собой лишь некоторые варианты осуществления настоящей полезной модели. Специалисты в данной области техники также могут получить и другие чертежи на основе этих чертежей без осуществления какой-либо творческой деятельности.
На Фигуре 1 показана принципиальная структурная схема MIMO-антенны с различными состояниями поляризации и диаграммами направленности, при этом:
1 означает диэлектрическую подложку, 2 означает основание, 3 означает MIMO-антенну, а 4 означает изолирующий стержень;
31 означает микрополосковую фидерную линию, 32 означает симметричную согласованную щель, 33 означает излучающий металлический патч, 34 означает L-образный зазор нагрузки 34, а 35 означает короткозамкнутую металлическую патч-стойку; и
41 означает крестообразный металлический стержень, 42 означает крестообразную металлическую микрополосковую линию, а 43 означает короткозамкнутое металлизированное сквозное отверстие.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Для того, чтобы цели, технические решения и преимущества настоящей полезной модели были более понятны, ниже приведено подробное описание вариантов осуществления настоящей полезной модели со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Как показано на Фигуре 1, в одном варианте осуществления настоящей полезной модели предложена четырехэлементная MIMO-антенна с различными состояниями поляризации и диаграммами направленности, содержащая диэлектрическую подложку 1, основание 2, нанесенное печатным методом на заднюю сторону диэлектрической подложки 1, MIMO-антенну 3, нанесенную печатным методом на переднюю сторону диэлектрической подложки 1, и изолирующий стержень 4. MIMO-антенна 3 формируется путем поворота четырех одинаковых антенных элементов на 90 градусов по центру; изолирующий стержень 4 расположен вертикально над диэлектрической подложкой 1, а центр изолирующего стержня 4 совпадает с центром MIMO-антенны 3.
Структура каждого антенного элемента состоит из микрополосковой фидерной линии 31, симметричной согласованной щели 32, излучающего металлического патча 33, L-образного зазора нагрузки 34 и короткозамкнутых металлических патч-стоек 35. L-образный зазор нагрузки 34 получает нагрузку рядом с наиболее выступающим краем MIMO-антенны 3 и крестообразным металлическим стержнем 41, и длина L-образного зазора нагрузки 34 может быть изменена, в соответствии с требуемой частотой.
Микрополосковая фидерная линия 31 вставляется в излучающий металлический патч с боковой стороны для формирования симметричной согласованной щели 32; короткозамкнутые металлические патч-стойки 35 расположены с обеих сторон симметричной согласованной щели 32; L-образный зазор нагрузки 34 расположен на излучающем металлическом патче 33, одна сторона L-образного зазора нагрузки находится рядом с короткозамкнутой металлической патч-стойкой 35 и параллельно микрополосковой фидерной линии 31, в то время как другая сторона L-образного зазора нагрузки находится на расстоянии от короткозамкнутой металлической патч-стойки 35 и перпендикулярно микрополосковой фидерной линии 31.
Изолирующий стержень 4 формируется крестообразным металлическим стержнем 41, крестообразной металлической микрополосковой линией 42, нанесенной печатным методом на поверхность диэлектрической подложки 1, и короткозамкнутым металлизированным сквозным отверстием 43; и крестообразный металлический стержень 41 соединен с основанием 2 посредством крестообразной металлической микрополосковой линии 42 и короткозамкнутого металлизированного сквозного отверстия 43.
Принцип работы антенны заключается в том, что: MIMO-антенна 3 формируется путем поворота четырех одинаковых антенных элементов на 90 градусов, достигая состояний линейной поляризации в четырех направлениях 0 градусов, 90 градусов, 180 градусов и 270 градусов; путем нагрузки короткозамкнутых металлических патч-стоек 35, размер антенны уменьшается наполовину, по сравнению с традиционной патч-антенной, у которой длина равна половине длины волны, тем самым достигая цели миниатюризации; благодаря L-образному зазору нагрузки 34 на антенном элементе, антенна приобретает двухполосную характеристику, и согласование нагрузок двух полос частот может быть произведено одновременно путем регулирования длины симметричной согласованной щели 32; в изолирующем стержне 4 крестообразный металлический стержень 41 соединен с основанием 2 посредством крестообразной металлической микрополосковой линии 42 и короткозамкнутого металлизированного сквозного отверстия 43, и эффект отражения изолирующего стержня 4 эффективно уменьшает изоляцию портов в двух полосах частот; одновременно направление максимального излучения диаграммы направленности имеет отклонение 30 градусов от нормального направления плоской поверхности подложки.
Для дальнейшей иллюстрации возможности осуществления вышеупомянутых технических решений ниже приводится пример конкретной конструкции. Предлагается четырехэлементная MIMO-антенна с различными состояниями поляризации и диаграммами направленности, при этом размер всей системы MIMO-антенны составляет 36 мм × 36 мм × 4 мм; диэлектрическая подложка печатной антенны представляет собой лист F4B толщиной 1,96 мм, относительная диэлектрическая проницаемость составляет 2,55, а тангенс угла потерь составляет 0,002. Размер радиатора одного антенного элемента составляет 12 мм × 12 мм, общая длина фидера составляет 9,7 мм, общая длина L-образного зазора нагрузки составляет 18,5 мм, а расстояние до края патча составляет 2 мм. В изолирующем стержне металлические полосы, нанесенные печатным методом с обеих сторон подложки, заменяют крестообразный металлический стержень, а лист F4B толщиной 0,8 мм используется в качестве крестообразной подложки, высота изолирующего стержня составляет 2 мм, а длина изолирующего стержня составляет 26 мм. Результаты испытаний показывают, что две рабочие полосы антенны составляют от 3,471 ГГц до 3,529 ГГц и от 5,678 ГГц до 5,721 ГГц, максимальный коэффициент усиления антенны варьируется от 2,65 дБи до 2,85 дБи; максимальная эффективность в низкочастотной полосе составляет 63%, а максимальная эффективность в высокочастотной полосе составляет 65%; изоляция в низкочастотной полосе превышает 18,4 дБ, а изоляция в высокочастотной полосе превышает 22,7 дБ.
Вышеописанное представляет лишь предпочтительные варианты осуществления настоящей полезной модели, но они не ограничивают настоящую полезную модель. Все модификации, равноценные изменения и улучшения, сделанные без отхода от принципа настоящей полезной модели, подпадают под объем правовой охраны настоящей полезной модели.