CN102593581A - 单元天线振子、mimo天线及无线局域网设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单元天线振子、天线和无线局域网设备，用以实现天线支持双频以及减小天线尺寸的目的。其中，单元天线振子结构为：馈电导体垂直于基板，下端与基板之间的空隙形成馈电点；短路导体垂直于基板，下端与基板短路连接，形成短路点；第三导体平行于基板，跨接于馈电导体与短路导体的上端；第四导体与第三导体处于同一平面，并自第三导体与馈电导体的交点处向远离短路导体的方向延伸，用于满足第一频率范围包含频率点的谐振；导体与第三导体处于同一平面，并自第三导体与短路导体的交点处向远离馈电导体的方向延伸，用于满足第二频率范围包含频率点的谐振；第一导体与第二导体位于同一平面，或者位于第二导体下方，并与第二导体垂直。

Description

单元天线振子、MIMO天线及无线局域网设备

技术领域

本发明涉及无线局域网技术领域，尤其涉及一种单元天线振子、MIMO天线及无线局域网设备。

背景技术

随着无线局域网技术的发展，尤其是基于多输入多输出(MIMO，Multiple-Input Multiple-Out-put)技术的802.11n无线局域网标准自发布以来，凭借其对于系统容量数倍的提升，相关产品得到飞速发展，支持802.11n标准的无线局域网设备也成为主流。

对于支持802.11n标准的无线局域网设备来说，射频部分、基带部分、物理层(PHY，Physical)、媒质访问控制(MAC，Media Access Control)及中央处理单元(CPU)等部分，已经实现了高度的集成化，且相同方案所呈现的性能差异极小。但天线部分，作为无线局域网设备射频信号的收发末端，由于受到设备空间限制、带宽特性等因素的影响，其指标差异造成设备性能差异显著，从而高性能的MIMO天线成为提高无线局域网设备性能的关键。

天线是一种把高频电流转化成无线电波发射到空间，同时可以收集空间无线电波并产生高频电流的装置，如图1所示，为天线工作原理示意图。天线可以看作由电容和电感组成的调谐电路，该电路在某些频率点的容性和感性将相互抵消，此处电路表现为纯阻性，该现象称之为谐振，谐振现象对应的工作频点即为谐振频率。若天线只有一个谐振频点则称为单频谐振天线，有多个谐振频点则称为多频谐振天线。为了增强天线的方向性，以获得某一方向上的天线增益，天线通常由若干单元天线振子按照一定的规则排列组成。而MIMO天线是指在发送端和接收端均采用多个天线，如图2所示，为一个M×N的MIMO天线的结构示意图，发送端有M个天线，接收端有N个天线，发送端M个天线可以发送不同的数据，接收端N个天线可以接收到任意一个发送端的数据，MIMO技术在不增大带宽的情况下，理论上可以实现M倍的系统容量提升。对于MIMO天线来说，天线间的隔离度反映了MIMO天线各单元振子之间的相关度，相关度越大，各天线间的干扰越大，系统容量也会随之降低。目前支持MIMO技术的系统天线有以下两种实现方式：

方式一

在无线局域网设备上外置半波振子天线。半波振子天线是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线，由于振子全长为二分之一波长，故称半波振子天线，其结构示意图如图3所示。该方式实现的无线局域网设备体积偏大，外观效果差，且实际应用中，由于各单元天线振子间的相对位置不固定，造成天线间隔离度可变，进而引起支持MIMO技术的无线局域网设备特性不稳定。

方式二

在无线局域网设备内部，于介质基片上构建辐射图形实现满足工作频带要求的天线，该方式多数为单频带特性天线。如图4所示，为现有技术中单频带天线中单元天线振子的结构示意图，包括基板41和振子42，振子42包括第一导体421，第二导体422，馈电导体423，短路导体424，短路点425和馈电点426，其中，馈电导体423和短路导体424均垂直于基板1，馈电导体423的下端与基板1之间的空隙形成馈电点426，短路导体424的下端与基板1短路连接，并形成短路点425，第一导体421跨接于馈电导体423和短路导体424的上端，第二导体422与第一导体421位于同一平面，与馈电导体423上端连接，并向远离馈电导体423的方向延伸，这样，馈电导体423和第二导体422形成一个谐振频点，第一导体421和短路导体424用于调整天线的输入阻抗。现有技术中，第二导体422和馈电导体423处于同一平面，使得振子在垂直高度相当于馈电导体423的高度与第二导体422的高度之和。

由于支持802.11n标准的无线局域网设备需要实现对2.4G和5G两个工作频段的支持，因此，其天线也需要满足双频特性。现有技术中，若要使得天线具有双频特性，需要使用两个天线，这样，便增加了天线的面积。同时，随着无线局域网设备向着高性能、小型化的方向发展，留给天线的空间也越来越小，因此，设计一种具有双频特性、天线之间耦合较小且体积紧凑的MIMO天线成为现有技术中亟待解决的技术问题之一。

发明内容

本发明实施例提供一种单元天线振子、MIMO天线以及无线局域网设备，用以提供一种结构紧凑的单元天线振子，减小单元天线振子的尺寸，这样，由单元天线振子组成的天线在占用空间相同的情况下，增加了各振子之间的隔离度，减少了各振子间的耦合，提高系统容量，同时，本发明实施例提供的MIMO天线具有双频特性。

本发明实施例提供一种单元天线振子，包括基板和振子，振子由第一导体，第二导体，第三导体，第四导体，馈电导体，短路导体，短路点和馈电点组成，其中：

所述馈电导体垂直于所述基板，下端与所述基板之间的空隙形成馈电点；

所述短路导体垂直于所述基板，下端与所述基板短路连接，形成短路点；

所述第三导体平行于所述基板，跨接于所述馈电导体与短路导体的上端；

所述第四导体与所述第三导体处于同一平面，并自第三导体与所述馈电导体的交点处向远离短路导体的方向延伸，用于满足第一频率范围包含频率点的谐振；

所述导体与所述第三导体处于同一平面，并自第三导体与所述短路导体的交点处向远离馈电导体的方向延伸，用于满足第二频率范围包含频率点的谐振，所述第二频率范围内的频率低于所述第一频率范围内的频率；

所述第一导体与所述第二导体位于同一平面；或者位于所述第二导体的下方，并与所述第二导体垂直。

本发明实施例提供一种MIMO天线，包括基板和至少两个上述的振子，各振子按照预设规则分布于所述基板上。

本发明实施例提供一种无线局域网设备，包括上述MIMO天线。

本发明实施例提供的单元天线振子，由于第四导体与馈电导体采用折叠型结构，由于第四导体与基板平行，而馈电导体与基板垂直，从而第四导体与馈电导体不处于同一平面，使得振子的垂直高度为第四导体厚度与馈电导体的高度之和，从而降低了振子的垂直高度；同时，短路导体、第二导体和第一导体三者之间依次连接、两次折叠的结构，减小了振子的尺寸；同时，通过调整馈电导体和第四导体的尺寸能够控制第一频率范围频率点的谐振，以及通过调整第一导体、第二导体和短路导体的尺寸能够控制第二频率点的谐振，由此实现了振子的双频特性。

本发明实施例提供的MIMO天线，由至少两个上述提供的振子按照一定的规则分布在基板上，由于各单元天线振子支持双频谐振，使得MIMO天线也支持双频谐振；同时，由于单元天线振子尺寸较小，从而，同样分布空间内，各振子之间的隔离度增大，从而减少了各振子间的耦合，提高了系统容量。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1为现有技术中，天线工作原理示意图；

图2为现有技术中，M×N的MIMO天线的结构示意图；

图3为现有技术中，半波振子天线的结构示意图；

图4为现有技术中，单频带天线中单元天线振子的结构示意图；

图5为现有技术中，同轴电缆的结构示意图；

图6为现有技术中，正向波和反向波叠加示意图；

图7为现有技术中，天线带宽示意图；

图8a为本发明实施例中，单元天线振子结构的第一种侧视示意图；

图8b为本发明实施例中，单元天线振子结构的第一种俯视示意图；

图9a为本发明实施例中，单元天线振子结构的第二种侧视示意图；

图9b为本发明实施例中，单元天线振子结构的第二种俯视示意图；

图10a为本发明实施例中，单元天线振子结构的第三种侧视示意图；

图10b为本发明实施例中，单元天线振子结构的第三种俯视示意图；

图11a为本发明实施例中，单元天线振子结构的第四种侧视示意图；

图11b为本发明实施例中，单元天线振子结构的第四种俯视示意图；

图12a为本发明实施例中，单元天线振子结构的第五种侧视示意图；

图12b为本发明实施例中，单元天线振子结构的第五种俯视示意图；

图13a为本发明实施例中，单元天线振子结构的第六种侧视示意图；

图13b为本发明实施例中，单元天线振子结构的第六种俯视示意图；

图14a为本发明实施例中，单元天线振子结构的第七种侧视示意图；

图14b为本发明实施例中，单元天线振子结构的第七种俯视示意图；

图15a为本发明实施例中，3个振子在基板上的分布示意图；

图15b为本发明实施例中，3个振子在基板上的分布角度示意图；

图16为本发明实施例中，MIMO天线中，振子31的VSWR驻波比波形图；

图17为本发明实施例中，MIMO天线中，振子31与振子32的隔离度波形图。

具体实施方式

为了实现天线支持双频以及减小天线尺寸的目的，本发明实施例提供了一种单元天线振子、天线以及无线局域网设备。为了更好地理解本发明实施例，以下对馈线、驻波、天线驻波比、带宽、天线工作频带和天线隔离度等天线相关概念进行介绍：

馈线

连接天线和高频电流能量收发装置的导线称之为馈线，馈线与天线的连接点即为馈电点。馈线可以采用同轴电缆，通过同轴电缆实现射频信号的馈送。如图5所示，为同轴电缆的结构示意图，包括内芯导线501/502，屏蔽层51/52，内芯导线和屏蔽层之间的介质层53/54，屏蔽层外表面的介质层55。

驻波

驻波(standing wave)为两个振动频率相同、振幅相等、传播速度相同而传播方向相反的两列波叠加而成的合成波。如图6所示，正向波和反向波叠加后，波形并不向前推进，故称之为驻波。

天线驻波比

在无线电通信中，天线与馈线的阻抗不匹配，高频能量就会部分反射折回，并与前进的部分叠加发生驻波。驻波比是一种表征天线反射能量大小的性能指标，全称为电压驻波比(VSWR，Voltage Standing Wave Ratio)。

带宽

带宽通常指信号所占据的频率范围宽度，在被用来描述信道时，带宽是指能够有效通过该信道的信号的最大频率范围宽度。具体到天线带宽，如图7所示，若以驻波比VSWR小于2为限值，f1和f2之间的信号满足要求，那么该天线的带宽为(f2-f1)。

天线工作频带

天线工作的频带宽度是指规定的驻波比指标下天线的带宽，无线局域网中，天线的工作频带通常按照VSWR≤2定义。

天线隔离度

天线隔离度是用来评价天线性能指标的参数之一，天线隔离度即天线之间的不相关度。对于3×3MIMO天线来说，S21天线1端口注入能量，由于天线1和天线2之间的耦合存在，将有部分能量出现在天线2端口，S21反映了这种耦合能量的大小。实际应用中，通常通过以下两种方式来调整天线隔离度，1)极化隔离：极化直接反映的就是天线辐射电场的矢量特性，天线间的电场矢量特性差异越大，其极化隔离就越大，基于此，通过合理调整天线布局，将可以有效的利用天线间的电场矢量差异，实现天线隔离度的提高；2)空间隔离：基于距离越大，无线信号衰减越大的空间衰减特性，通过增加天线间的距离增大天线间的空间隔离。

以下结合说明书附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明，并且在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图8a所示，为本发明实施例提供的单元天线振子结构的侧视示意图，包括基板1和振子2，振子2由第一导体21，第二导体22，第三导体23，第四导体24，馈电导体25，短路导体26，短路点27和馈电点28组成，其中：馈电导体25垂直于基板1，下端与基板1之间的空隙形成馈电点28；短路导体26垂直于基板1，下端与基板1短路连接，形成短路点27；第三导体23平行于基板1，跨接于馈电导体25与短路导体26的上端；第四导体24与第三导体23处于同一平面，并自第三导体23与馈电导体25的交点处向远离短路导体26的方向延伸，用于满足第一频率范围包含频率点的谐振；导体22与第三导体23处于同一平面，并自第三导体23与短路导体26的交点处向远离馈电导体25的方向延伸，用于满足第二频率范围包含频率点的谐振；较佳地，第二频率范围内的频率低于第一频率范围内的频率，即第三导体23、第四导体24和馈电导体25用于满足无线局域网较高频率的谐振，短路导体26、第二导体22和第一导体21用于满足无线局域网较低频率的谐振。第一导体21与第二导体22位于同一平面，或者位于第二导体22的下方，并与第二导体22垂直。其中，图8a所示结构为第一导体21位于第二导体22的下方，且位于短路导体26的异侧。

具体实施时，振子2与基板1之间可以采用铆接、焊接等任何能够实现短路导体26与基板1之间短路连接的方式。

本发明实施例提供的单元天线振子，馈电导体25、第三导体23和短路导体26的尺寸用于调整天线的输入阻抗，馈电导体25和第四导体24的尺寸主要影响较高频率谐振频点，短路导体26、第一导体21以及第二导体22的尺寸主要影响较低频率谐振频点，以上结构特性实现了单元天线振子的双频谐振。同时，由于馈电导体25垂直于基板1，第四导体24平行于基板1，亦即二者相互垂直，不处于同一平面，这样，折叠型结构使得单元天线振子在垂直方向的高度仅为馈电导体25的高度与第四导体24的厚度，降低了天线的垂直高度；而且，由于短路导体26、第二导体22和第一导体21三者依次连接、两次折叠的结构，显著减小了用于满足较低频率谐振导体的尺寸，综合上述设计，达到了单元天线振子小型化的目的。如图8b所示，为图8a所示的单元天线振子结构的俯视示意图。

上述仅为本发明实施例提供的单元天线振子的一种结构示意图，具体实施时，天线振子的结构并不限于此，如图9a、图9b所示，分别为本发明实施例提供的单元天线振子的第二种结构的侧视示意图和俯视示意图，图9a和图9b中，第一导体21位于短路导体26的同侧，其它部分结构与图8a和图8b相同；如图10a、图10b所示，分别为本发明实施例提供的单元天线振子的第三种结构的侧视示意图和俯视示意图，图10a和图10b中，第一导体21和第二导体22处于同一平面，且由第二导体22的外侧终端向外延伸，其它部分结构与图8a和图8b相同；如图11a、图11b所示，分别为本发明实施例提供的单元天线振子的第四种结构的侧视示意图和俯视示意图，图11a和图11b中，图11a和图11b中，第一导体21和第二导体22处于同一平面，第一导体21于第二导体22的外侧终端，呈逆时针90度旋转，其它部分结构与图8a和图8b相同；如图12a、图12b所示，分别为本发明实施例提供的单元天线振子的第五种结构的侧视示意图和俯视示意图，图12a和图12b中，第一导体21和第二导体22处于同一平面，第一导体21于第二导体22的外侧终端，呈顺时针90度旋转，其它部分结构与图8a和图8b相同；如图13a、图13b所示，分别为本发明实施例提供的单元天线振子的第六种结构的侧视示意图和俯视示意图，图13a和图13b中，在图8a和图8b所示结构的基础上，对第一导体21进行切角处理，即切除第一导体21外侧的下角，其它部分结构与图8a和图8b相同；如图14a、图14b所示，分别为本发明实施例提供的单元天线振子的第七种结构的侧视示意图和俯视示意图，图14a和图14b中，在图9a和图9b所示结构的基础上，对第一导体21进行切角处理，即切除第一导体21外侧的下角，其它部分结构与图8a和图8b相同。

基于上述提供的单元天线振子，本发明实施例还提供了一种MIMO天线。本发明实施例提供的MIMO天线，包括基板1和至少两个上述单元天线振子中的振子2，各振子按照预设的规则分布于基板1上。较佳地，MIMO天线可以包括3个振子，如图15a和图15b所示，分别为3个振子在基板上的分布示意图和分布角度示意图，为了便于描述，假设3各振子分别为振子21，振子22，振子23，具体的，3个振子按照以下方式分布于基板1上：3个振子彼此之间呈120°对称分布，以及确定沿基板1的垂直向上方向1/3处与水平方向1/2处的交叉点为中心点，各振子到该中心点的距离一致。120°角度排布也兼顾了计划隔离对与天线隔离度指标的改善。

本发明实施例提供一种小型化能够同时覆盖无线局域网2.4G和5G频段的MIMO天线。天线包括基板和三个振子，3个振子两两之间呈120度的相对角度，三个单元振子满足旋转中心对称排布，3个振子垂直于基板布置，振子上的馈电导体同基板间的空隙电气隔离，形成馈电点；振子上的短路导体同基板短路连接，形成短路点；振子上基本平行于基板并向相反方向延伸的折叠型设计产生双频带特性。

需要说明的是，本发明实施例提供的MIMO天线并不限于3个振子，例如，MIMO天线还可以包括2个或者4个振子，2个振子可以在基板1上对称分布，4个振子可以在基板1上两两对称分布，应当理解，MIMO天线还可以包含更多的振子，并按照一定的规则分布在基板1上，这里不再一一赘述。

本发明实施例提供的MIMO天线，由于小型化的振子设计使得留给振子间的空间增大，从而增加了各振子之间的隔离度，从而减小了振子间的干扰，提高了系统容量。

以MIMO天线包括3个振子为例进行分析，由于3个振子形态一致，其驻波特性也基本一致，仅给出振子31的VSWR驻波比波形图。图16为本发明的MIMO天线中，振子31的VSWR驻波比波形图，图中左上角列出了四个频点对应的VSWR，具体如表1所示：

表1

标号	频率(GHz)	驻波比
			1	2.4	1.6822
2	2.5	1.3369
			3	5.15	1.3216
4	5.85	1.2830

通常按照VSWR≤2来确定无线局域网天线的频带，本发明实施例中给出的四个频点所限定的频带(2.4GHz～2.5GHz，5.15GHz～5.85GHz)内，VSWR均满足指标，已覆盖现有无线局域网频带。

考虑到3振子间的中心对称结构，任意两振子间的耦合影响一致，仅给出振子31与振子32的隔离度波形图。图17为本发明实施例中MIMO天线中，振子31与振子32的隔离度波形图，图中左上角列出了四个频点对应的隔离度，具体如表2：

表2

标号	频率(GHz)	隔离度(dB)	耦合功率(％)
				1	2.4	-23.970	0.40％
2	2.5	-18.792	1.32％
				3	5.15	-28.685	0.14％

4

5.85

-25.160

0.30％

通常以隔离度≤-15dB作为指标，相当于3.16％的功率耦合到相关端口，而本发明实施例中，2.4G和5G频段的隔离度分别小于-18dB和-25dB，相当于只有1.58％和0.32％的功率影响到了相关端口，这种影响甚至可以忽略。

需要说明的是，上述的MIMO天线可以应用于无线局域网设备中，以使得相应的无线局域网设备支持双频特性。

本发明实施例中，通过基本平行于基板并向相反方向延伸的折叠型振子设计产生双频带特性，且由于折叠型双频天线，单体振子结构紧凑，占位较小，可同时支持2.4G和5G频带的无线局域网设备，使得天线数量可以减半，天线总体成本降低且天线体空间需求减小，便于无线局域网设备的小型化设计，另外，天线布置结合了空间隔离与极化隔离，使得各振子间的相关度控制在较低水平，在无线局域网应用的2.4G和5G频带均实现了较好的隔离度指标，提升了MIMO系统容量，而且，由于采用空气介质作为振子载体，相较于印刷电路板作为辐射振子载体的方式，成本有效降低。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种单元天线振子，其特征在于，包括基板(1)和振子(2)，振子(2)由第一导体(21)，第二导体(22)，第三导体(23)，第四导体(24)，馈电导体(25)，短路导体(26)，短路点(27)和馈电点(28)组成，其中：

所述馈电导体(25)垂直于所述基板(1)，下端与所述基板(1)之间的空隙形成馈电点(28)；

所述短路导体(26)垂直于所述基板(1)，下端与所述基板(1)短路连接，形成短路点(27)；

所述第三导体(23)平行于所述基板(1)，跨接于所述馈电导体(25)与短路导体(26)的上端；

所述第四导体(24)与所述第三导体(23)处于同一平面，并自第三导体(23)与所述馈电导体(25)的交点处向远离短路导体(26)的方向延伸，用于满足第一频率范围包含频率点的谐振；

所述导体(22)与所述第三导体(23)处于同一平面，并自第三导体(23)与所述短路导体(26)的交点处向远离馈电导体(25)的方向延伸，用于满足第二频率范围包含频率点的谐振；

所述第一导体(21)与所述第二导体(22)位于同一平面，或者位于所述第二导体(22)的下方，并与所述第二导体(22)垂直。

2.如权利要求1所述的单元天线振子，所述第一导体(21)与所述第二导体(22)位于同一平面，其特征在于，所述第一导体(21)向远离所述第二导体(22)的方向延伸。

3.如权利要求1所述的单元天线振子，所述第一导体(21)与所述第二导体(22)位于同一平面，其特征在于，所述第一导体(21)与所述第二导体外侧终端呈逆时针90度旋转或者呈顺时针90度旋转。

4.如权利要求1所述的单元天线振子，所述第一导体(21)位于所述第二导体(22)下方，并与所述第二导体垂直，其特征在于，所述第一导体(21)位于所述短路导体(26)的同侧或者异侧。

5.如权利要求4所述的单元天线振子，其特征在于，切除所述第一导体(21)位于外侧的下角。

6.如权利要求1所述的单元天线振子，其特征在于，所述短路导体(26)与所述基板(1)之间采用铆接或者焊接方式连接。

7.如权利要求1所述的单元天线振子，其特征在于，所述第三导体(23)、馈电导体(25)和短路导体(26)的尺寸用于调整振子(2)的输入阻抗；所述第四导体(24)和馈电导体(25)的尺寸用于控制第一频率范围包含的谐振频率点，所述第一导体(21)、第二导体(22)和短路导体(26)的尺寸用于控制第二频率范围包含的谐振频率点。

8.一种多输入多输出MIMO天线，其特征在于，包括基板(1)和至少两个如权利要求1～7任一权利要求所述的振子(2)，各振子(2)按照预设规则分布于所述基板(1)上。

9.如权利要求8所述的MIMO天线，其特征在于，包括3个振子(2)；以及所述3个振子(2)按照以下方式分布：

3个振子(2)彼此间呈120°对称分布；以及

确定沿所述基板(1)的垂直向上方向1/3处与水平方向1/2处的交叉点为中心点，各振子(2)到所述中心点的距离一致。

10.一种无线局域网设备，其特征在于，包括权利要求8或9所述的MIMO天线。

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