[发明专利]一种宽带超材料单元及宽带MIMO天线

说明书

本发明公开了一种宽带超材料单元及宽带MIMO天线，属于微波天线技术领域。本发明所述的谐振环单元包括谐振环、介质基板和金属地板；谐振环包括开有缝隙的圆环和十字结构；将谐振环单元应用于天线中，设计了两款MIMO天线；本发明所述MIMO天线结构较为紧凑、具有更宽的带宽和更小的尺寸。

技术领域

本发明属于微波天线技术领域，具体涉及一种宽带超材料单元及宽带MIMO天线。

背景技术

多输入多输出(multi-input-multi-output:MIMO)技术作为无线通信技术发展过程中的一种新型通信技术，在提高系统信道容量和数据传输速率上有着独特的优势。随着移动终端朝着结构紧凑和小型化方向发展，使得天线单元必须尽量减小尺寸和相互之间的距离，单元间距的减小，使得互耦增加，从而影响天线的辐射特性。如何在有限的空间内提高天线单元之间的隔离度已经成为MIMO天线技术发展过程中亟需解决的问题。

超材料(metamaterial)是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构。前苏联科学家Veselago通过研究介电常数和磁导率同时为负的材料中麦克斯韦方程组的解，预测了在这种材料中会出现诸如负折射、平板会聚、后向辐射、倏逝波放大、逆多普勒效应以及逆切伦柯夫辐射等诸多奇异现象，这种材料被称为超材料，也叫双负材料或左手材料。此外，超材料还包括介电常数为负或磁导率为负的单负超材料。超材料的研究目前已成为国际上的一个研究热点。

已经有许多将超材料应用于天线的研究。通过合理设计超材料的结构参数，可以实现天线性能的提升，例如提高天线增益、实现天线多频工作、实现天线小型化、以及降低天线间互耦等等。

对于单负超材料，由于电磁波在其中传播时，传播常数k为虚数，故电磁波呈现衰减特性。电磁波能穿透到材料结构中一段距离，最后沿着材料表面反射出去，这就是所谓的倏逝波。因此，电磁波入射到单负结构表面时，波会一部分被反射出去，一部分被电磁材料吸收，表现出对电磁波的非透明性。所以单负超材料可以用于天线单元之间，通过阻止电磁波的传播从而降低互耦。

2011年，Chih-Chun Hsu等人在文章“Implementation of Broadband IsolatorUsing Metamaterial-Inspired Resonators and a T-Shaped Branch for MIMOAntennas”[1](IEEE Transactions on Antennas and Propagation 2011,59(10):3936-3939)中通过采用矩形开口谐振环和增加“T”型枝节改变电流路径的方式，来提高天线单元之间的隔离度，并拓展天线带宽。天线结构如图1所示，在天线单元间距为0.18λ₀(λ₀为中心频率的自由空间波长)时、在隔离度高于20dB的标准下实现了8％的带宽，但天线整体尺寸较大(0.87×0.44×0.007λ₀³)。

2013年，Dimitra A.Ketzaki等人在文章“Metamaterial-Based Design ofPlanar Compact MIMO Monopoles”(IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2013,61(5):2758-2766)中，较全面地研究了在两单元平面单极子天线之间放置的矩形开口谐振环，在改变其数量和摆放方式时，天线单元间隔离度的变化。天线结构如图2所示，天线尺寸较小，但隔离度高于15dB的带宽只有3％。

类似的采用矩形或圆形开口谐振环超材料的研究还有很多，但原理和结果大同小异，尺寸、间距、带宽三种性能未能达到兼顾。