本發(fā)明屬于無線通信器件領域，具體涉及一種基于人工電磁超材料去耦的mimo天線。
背景技術：
：在無線通信系統(tǒng)的發(fā)展進程中，mimo(multiple-inputmultiple-output)技術發(fā)揮著巨大的作用，因此mimo技術自從出現(xiàn)以來，一直是無線通信領域的研究熱點。而在mimo技術研究中，重點需要突破的問題就是mimo天線單元之間如何提高隔離度的問題。人工電磁超材料是一種人工超材料，當它的幾何結構比它的工作波長更小時，即為亞波長大小，就可以獲得一些特殊的性質，比如負介電常數、負磁導率和負折射率。將超材料單元置于mimo天線陣列之間，利用人工超材料的特性，通過對其結構進行設計，可以調節(jié)其諧振頻率附近的金屬歐姆損耗以及介電損耗，實現(xiàn)對入射電磁波的吸收，從而達到mimo天線單元之間去耦的效果，提高mimo天線單元之間的隔離度。技術實現(xiàn)要素：為了達到上述目的，本發(fā)明提出一種基于人工電磁超材料去耦的mimo天線，通過引入一種新的三角開口諧振環(huán)結構，并成功與mimo天線單元相結合，表現(xiàn)出高增益、低損耗的特點，同時具有體積小、加工方便、裝配簡單等優(yōu)點。實現(xiàn)上述技術目的，達到上述技術效果，本發(fā)明通過以下技術方案實現(xiàn)：一種基于人工電磁超材料去耦的mimo天線，包括介質基板、設于介質基板上表面的輻射單元陣列和設于介質基板下表面的地板，還包括至少一個三角開口諧振環(huán)；所述輻射單元陣列包括至少兩個天線貼片單元，所述天線貼片單元包括天線本體和連接于天線本體上的饋線；所述三角開口諧振環(huán)布設于天線貼片單元間或者周圍，與輻射單元陣列處于同一水平面，且所述三角開口諧振環(huán)包括順次連接的第一段、第二段、第三段、第四段和第五段；所述第一段與第五段平行設置，且二者的延伸方向均與第三段的延伸方向垂直；所述第二段和第四段以第三段的中垂線為對稱軸對稱設置。進一步地，所述輻射單元陣列中的天線貼片單元呈網格狀分布。進一步地，所述輻射單元陣列包括兩個或者三個并排設置的天線貼片單元。進一步地，所有的三角開口諧振環(huán)按行順次排列。進一步地，所述三角開口諧振環(huán)的諧振頻率f滿足：f:5.2＝a:4.84；第五段的長度與第一段的長度相同，二者底端與第三段之間的垂直距離e滿足：e＝0.087*a，二者之間的水平距離c滿足：c＝0.172*a，其中a為第二段的長度。進一步地，所述第一段的長度d滿足d＝0.545*a。進一步地，所述第三段的長度b滿足：b＝1.62*a。進一步地，所述相鄰三角開口諧振環(huán)與天線貼片單元之間的距離大于或者等于1mm。進一步地，所述相鄰三角開口諧振環(huán)之間距離大于或者等于0.2mm。進一步地，所述介質基板由fr-4材料制成。本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明通過在輻射單元陣列的天線貼片單元之間放置三角開口諧振環(huán)，使得整個mimo天線在工作頻率內，表現(xiàn)出高增益、低損耗的特點，同時具有饋電系統(tǒng)簡單、體積小、加工方便、容易裝配等優(yōu)點；而且，可以通過調整三角開口諧振環(huán)的尺寸，實現(xiàn)天線工作頻率的調諧，拓寬工作范圍。附圖說明圖1為基于人工電磁超材料去耦的mimo天線的結構示意圖；圖2為單個三角開口諧振環(huán)的二維尺寸示意圖；圖3為實施例二中的基于人工電磁超材料去耦的mimo天線的結構示意圖；圖4為諧振頻率為5.2ghz三角開口諧振環(huán)折射率、等效相對磁導率、等效相對介電常數曲線示意圖；圖5為隔離度參數的仿真曲線圖。具體實施方式為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。下面結合附圖對本發(fā)明的應用原理作詳細的描述。開口諧振環(huán)(splitringresonator，srr)是一種具有開口環(huán)狀的金屬結構，在電磁波激勵下可發(fā)生諧振，由于諧振時其等效磁導率為負，從而成為人工電磁超材料的基本組成單元。將開口諧振環(huán)置于輻射單元陣列的各天線貼片單元之間，并可以通過改變其結構去調節(jié)其諧振頻率附近的金屬歐姆損耗以及介電損耗，以實現(xiàn)對入射電磁波的吸收，從而提高mimo天線單元之間的隔離度。實施例一一種基于人工電磁超材料去耦的mimo天線，包括介質基板2、設于介質基板2上表面的輻射單元陣列、設于介質基板2下表面的地板3和若干個三角開口諧振環(huán)4；所述輻射單元陣列包括兩個或者三個并排設置的天線貼片單元1，所述天線貼片單元1包括天線本體101和連接于天線本體上的饋線102，饋線端口103設于介質基板2的側部；在本發(fā)明實施例的其他實施方式中，當所述輻射單元陣列中的天線貼片單元的個數大于或者等于4個時，所述輻射單元陣列中的天線貼片單元呈網格狀分布。所述三角開口諧振環(huán)4布設于天線貼片單元1間或者周圍，與輻射單元陣列處于同一水平面，用于提高mimo天線的隔離度；具體地：如圖1和2所示，所述三角開口諧振環(huán)4包括順次連接的第一段、第二段、第三段、第四段和第五段；所述第一段與第五段平行設置，且二者的延伸方向均與第三段的延伸方向垂直；所述第二段和第四段以第三段的中垂線為對稱軸對稱設置；本發(fā)明實施例中的三角開口諧振環(huán)4的材料與天線貼片單元1的材料相同，優(yōu)選由0.035mm厚度的銅制成。其中，所述第一段的長度d滿足：d＝0.545*a，a為第二段的長度；所述第五段的長度與第一段的長度相同，二者底端與第三段之間的垂直距離e滿足：e＝0.087*a，二者之間的水平距離c滿足：c＝0.172*a，所述第三段的長度b滿足：b＝1.62*a；所述三角開口諧振環(huán)的諧振頻率f滿足：f:5.2＝a:4.84；三角開口諧振環(huán)的諧振頻率與天線的工作頻率(中心頻率)相同，因此，可以根據需要去耦的天線的工作頻率，來求得所需要的三角開口諧振環(huán)的結構參數。本發(fā)明實施例中的三角開口諧振環(huán)可以等效為一個lc諧振電路，其所提供的電感大小由第三段的長度b(即金屬環(huán)長度)決定，所提供的電容的大小由第一段和第五段之間的水平距離c(即金屬環(huán)間隙寬度)決定，因此，該三角開口諧振環(huán)的諧振頻率點的調節(jié)可以通過改變其結構尺寸參數來實現(xiàn)(即通過改變參數a-f來調節(jié)三角開口諧振環(huán)的諧振頻率)，最簡單的調節(jié)方式為按諧振頻率比例來縮放參數a-f的大小。優(yōu)選地，為了達到最好的去耦效果，所述三角開口諧振環(huán)的最大放置數量n可以通過借助于仿真系統(tǒng)，以達到去耦指標同時不影響天線其他性能指標為目標來確定。優(yōu)選地，為了提高隔離度，所有的三角開口諧振環(huán)按行順次排列，以形成去耦陣列。為了進一步提高mimo天線的隔離度，所述相鄰三角開口諧振環(huán)與天線貼片單元之間的距離大于或者等于1mm；所述相鄰三角開口諧振環(huán)之間距離大于或者等于0.2mm。在本發(fā)明實施例的一種實施方式中，所述介質基板由fr-4材料制成，在本發(fā)明實施例的其他實施例中，介質基板還可以由其他材料制成。實施例二下面以由兩個矩形天線貼片單元構成的mimo天線為例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。一種基于人工電磁超材料去耦的mimo天線，包括介質基板、設于介質基板上表面的輻射單元陣列、設于介質基板下表面的地板、三角開口諧振環(huán)和饋電端口；本實施例中的介質基板采用材料是fr-4，其相對介電常數εr＝4.4，損耗正切值tanσ＝0.02，厚度h為1.6mm，介質基板的大小lg＝91.75mm、wg＝40mm、天線貼片單元的l＝40mm，天線貼片單元的寬度w＝27.9mm，覆銅層厚度為0.035mm；所述輻射單元陣列包括結構相同的第一天線貼片單元和第二天線貼片單元，且第一天線貼片單元與第二天線貼片單元并列放置；所述三角開口諧振環(huán)的數目為17個，三角開口諧振環(huán)設于第一天線貼片單元和第二天線貼片單元之間，且按行順次排列，形成去耦陣列；所述三角開口諧振環(huán)與天線貼片單元之間的距離大于或者等于1mm，相鄰三角開口諧振環(huán)之間距離大于或者等于0.2mm，在本發(fā)明實施例中，另外，本實施例中的饋電模式為常規(guī)sma饋電。以天線工作頻率5.2ghz為例，本發(fā)明實施例中的三角開口諧振環(huán)的a-f尺寸參數如表1所示。表1參數名稱abcdef長度4.84mm7.84mm0.83mm2.64mm0.42mm0.28mm通過hfss仿真軟件提取該天線的輸入反射系數s11和輸出反射系數s21，計算該三角開口諧振環(huán)的折射率n和波阻抗z，進而獲得其等效相對介電常數和等效相對磁導率。其過程如下：輸入反射系數s11的計算公式為：其中，k0代表自由空間的入射波波數，d代表均勻介質基板厚度，輸出反射系數s21與傳輸矩陣t有關：通過公式(1)和(2)得到：公式(3)的正負取值由z'≥0決定，其中z'代表阻抗z的實部。根據公式(4)，折射率n可表示為：其中m為整數，與介質基板中傳播的波長數目有關，但是超材料的有效波長很小，考慮到無源材料滿足能量守恒和熱力學第二方程，因此，m是保證等效相對介電常數的虛部大于0時的最小值。等效相對介電常數εr和等效相對磁導率μr可以通過下述公式求得：εr＝n/z(6)μr＝nz(7)利用matlab進行仿真計算，得到三角開口諧振環(huán)的等效相對磁導率μr、等效相對介電常數εr和折射率n的曲線圖，具體見圖4。由圖4可知，三角開口諧振環(huán)在諧振頻率為5.2ghz時，其等效相對介電常數、等效相對磁導率、折射率同時為負值，因此在5.2ghz頻率下，該三角開口諧振環(huán)可等效為一負介電常數、負磁導率、負折射率的超材料，圖5為mimo天線的去耦效果圖，可以看出，在工作頻率附近，天線貼片單元之間隔離度最高優(yōu)化了10db。同理可得具有其他諧振頻率的三角開口諧振環(huán)的結構尺寸參數，表2為諧振頻率為5.12ghz和5.15ghz的三角開口諧振環(huán)尺寸。綜上所述：本發(fā)明通過在輻射單元陣列的天線貼片單元之間放置三角開口諧振環(huán)，使得整個mimo天線在工作頻率內，表現(xiàn)出高增益、低損耗的特點，同時具有饋電系統(tǒng)簡單、體積小、加工方便、容易裝配等優(yōu)點；而且，可以通過調整三角開口諧振環(huán)的尺寸，實現(xiàn)天線工作頻率的調諧，拓寬工作范圍。以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術人員應該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。當前第1頁12