CN102832452B - 一种高隔离度双单元mimo阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高隔离度双单元MIMO阵列天线，其由印制在介质基板正反两面的2个类C形辐射单元和2个倒L形辐射单元，产生两个独立的谐振模式，用于控制天线的双频特性；并在实现双频覆盖的前提下，在印制在介质基板正面的附加地板单元和开设在地板上的隔离槽，形成去耦结构，以改善多频段内的天线单元之间的隔离度，同时保证双频工作的带宽性能。

Description

一种高隔离度双单元MIMO阵列天线

技术领域

本发明涉及一种MIMO天线，特别涉及一种高隔离度双单元MIMO阵列天线。

背景技术

信息时代的来临，宣告着信息及时传递、快速交互、有效传输已成为我们日常生活和工作不可或缺的一部分。随着各种无线通信业务推陈出新和宽带数据业务的不断发展，对数据传输的高速率及有效性提出了更为苛刻的要求。各种通信服务交错并行，对无线资源的占用和竞争，使得目前本就稀缺的频谱资源越来越紧张，如何更高效地利用这些有限的通信资源成为无线通信亟待解决问题之一。研究表明，使用MIMO（Multiple Input and MultipleOutput），即多输入多输出技术，在不增加系统带宽天线总的发射功率下，使用多天线能够充分利用空间资源，成倍地提高信道容量，极大的改善无线通信质量，是高速数据传输的优先技术之一。

天线作为无线通信设备中的基本器件，它将导行电磁波与自由空间波互相转换，以电磁波作为信息的载体，在不同地域之间实现无线传输。它是任何无线电系统都不可缺少的基本组成部分。如果缺少天线，就无法实现真正的无线通信。天线的重要性在无线通信中是显而易见的。由于无线通信技术日新月异的变化，在近十几年，我们发现移动终端上不只是具备有单一的通话功能，而且还集成了各种丰富的无线通信功能，诸如bluetooth（蓝牙传输）、GPRS（全球定位系统）、Wlan（无线高速局域网）接入功能等。单频点、窄宽带的通信服务显然无法有效应对上述要求，为了同时满足对多个频段的通信能力的需求。如果在同一通信设备中设计几种不同的天线分别来应对各个不同频带内的通信服务，无疑增加了系统设计成本，也需要额外考虑多副天线的布局、安装与设备集成等问题。因此，采用一副天线实现多频覆盖以及较好的带宽性能已成为当前终端天线设计的趋势。与此同时，大规模集成电路迅猛发展以及其无可替代的集中优势，加之消费者购买倾向所带来的市场需求，使得无线通信设备不断向着小型化、集成化、多功能化方向发展。

伴随着MIMO多天线技术不断的应用，需要同时在收发两端采用多个天线，对于基站来说，利用相对宽裕的空间优势，则很容易减少多天线之间的互相关性，而终端狭小的空间，限制了多天线单元布局的间隔，当天线之间的距离彼此靠的很近时，势必会引起天线接收信号之间的高度的耦合以及空间相关性，这对于MIMO系统要求接收信号的各子信道之间相互独立来说是很不利的，甚至会导致MIMO系统性能的恶化。如何在紧凑的结构中，保证各天线单元较低的互耦是终端多天线设计的难点。目前对于手持设备的终端天线的宽频及多频性能方面的研究较多，但对其多天线的性能关注较少。而对于这方面应用的MIMO多天线设计，往往考虑的是在单频点工作时，主要对其天线单元之间的去耦进行较多的研究。找寻如何折中天线单元之间的隔离度和带宽性能，即在保证工作频带下提高隔离度的同时对回波损耗影响较小的方法，是在设计具有多频及宽频特性的MIMO天线时无法规避的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有宽频及双频特性的高隔离度双单元MIMO阵列天线，该天线结构紧凑，能实现双频覆盖，引入去耦结构，有效的改善不同频带内天线单元之间的隔离度，同时保证天线在全频段工作时的带宽性能。

为解决上述问题，本发明所设计的一种高隔离度双单元MIMO阵列天线，包括介质基板，其中：

所述介质基板的正面印制有地板、附加地板单元和2个类C形辐射单元、以及开设在地板上的2个隔离槽；

附加地板单元整体呈T形，即附加地板单元由左臂枝节、中心枝节和右臂枝节构成；左臂枝节、右臂枝节和中心枝节沿介质基板垂直方向设置，其中左臂枝节和右臂枝节的上部末端分别向下弯折90°后，左臂枝节的右末端和右臂枝节的左末端与中心枝节的上部末端交汇；左臂枝节和右臂枝节以中心枝节为对称线呈左右对称；

隔离槽整体呈倒S形，即沿介质基板水平方向设置的隔离槽的首端向上弯折90°，末端向下弯折90°；

类C形辐射单元整体呈C形，即类C形辐射单元主要由首尾顺次相接的第一枝节、第二枝节、第三枝节和第四枝节构成；第一枝节和第三枝节相互平行，且沿介质基板水平方向设置；第二枝节和第四枝节相互平行，且沿介质基板垂直方向设置；

地板位于介质基板正面下部；附加地板单元和2个类C形辐射单元均位于介质基板正面上部；附加地板单元处于介质基板的垂直轴线上，且附加地板单元的中心枝节的中心线与介质基板的垂直轴线重合；2个类C形辐射单元分别处在附加地板单元的左右两侧，且沿着介质基板的垂直轴线呈左右镜像对称；每个类C形辐射单元的一端即第一枝节的首端开路，另一端即第四枝节的末端连接地板的上边缘；隔离槽嵌在地板上，其首端均向上延伸至地板的上边缘；每个隔离槽在介质基板水平方向上，位于附加地板单元和类C形辐射单元之间；2个隔离槽沿着介质基板的垂直轴线呈左右镜像对称；

所述介质基板的背面印制有2个倒L形辐射单元和2个微带馈线；

倒L形辐射单元整体呈倒L形，即倒L形辐射单元主要由水平枝节和垂直枝节构成；水平枝节沿介质基板水平方向设置；垂直枝节沿介质基板垂直方向设置；水平枝节的末端和垂直枝节的首端相接；

微带馈线呈长直带状，且沿介质基板垂直方向设置；

倒L形辐射单元位于介质基板背面上部；两个倒L形辐射单元沿着介质基板的垂直轴线左右镜像对称；微带馈线位于介质基板背面下部；倒L形辐射单元的垂直枝节的末端与微带馈线的首端相接；

当倒L形辐射单元投影到介质基板的正面时，其水平枝节介于第一枝节和第三枝节之间，垂直枝节的末端恰好处于地板的上边缘；当微带馈线投影到介质基板的正面时，微带馈线的首端处于地板的上边缘，末端处于地板的下边缘。

上述方案中，介质基板呈正方形或长方形。

上述方案中，2个类C形辐射单元的第一枝节的上边缘与介质基板的上边缘相平齐。

上述方案中，附加地板单元的整体高度与2个类C形辐射单元的整体高度一致。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1.由印制在介质基板正反两面的类C形辐射单元和倒L形辐射单元产生两个独立的谐振模式，用于控制天线的双频特性，该天线辐射结构，不仅能够实现双频覆盖，匹配调节容易，阻抗特性好，而且各个频段内具有较好的频宽特性。

2.在实现双频覆盖的前提下，引入的去耦结构即增加附加地板单元和在地板开设隔离槽，能够有效的改善多频段内的天线单元之间的隔离度，同时保证双频工作的带宽性能。

3.能够满足作为终端MIMO天线的小型化、多频和宽频特性、多天线间低耦合的设计需求。

4.不仅结构紧凑，实现简单，采用双面覆铜工艺，易于加工，成本低廉，适合批量生产，而且易于装置共形，特别适合于手持无线终端装置。

附图说明

图1为一种高隔离度双单元MIMO阵列天线的结构示意图（投影视图）。

图2为一种高隔离度双单元MIMO阵列天线的侧面示意图。

图3为一种高隔离度双单元MIMO阵列天线的正面示意图。

图4为一种高隔离度双单元MIMO阵列天线的背面示意图。

图5为一种高隔离度双单元MIMO阵列天线不增加去耦结构下的S11实测值与仿真值图。

图6为一种高隔离度双单元MIMO阵列天线不增加去耦结构下的S21实测值与仿真值图。

图7为一种高隔离度MIMO两单元天线只增加附加地板单元下的S11实测值与仿真值图。

图8为一种高隔离度MIMO两单元天线只增加附加地板单元下的S21实测值与仿真值图。

图9为一种高隔离度MIMO两单元天线只增加隔离槽结构下的S11实测值与仿真值图。

图10为一种高隔离度MIMO两单元天线只增加隔离槽结构下的S21实测值与仿真值图。

图11为一种高隔离度MIMO两单元天线同时增加附加地板单元与隔离槽结构下的S11实测值与仿真值图。

图12为一种高隔离度MIMO两单元天线同时增加附加地板单元与隔离槽结构下的S21实测值与仿真值图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行进一步详细说明。由于本发明存在2个天线单元即第一天线单元15a和第二天线单元15b；2个隔离槽即第一隔离槽17a和第二隔离槽17b；2个类C形辐射单元即第一类C形辐射单元18a和第二类C形辐射单元18b，而第一类C形辐射单元18a又包括第一枝节181a、第二枝节182a、第三枝节183a和第四枝节184a，而第二类C形辐射单元18b又包括第一枝节181b、第二枝节182b、第三枝节183b和第四枝节184b；2个倒L形辐射单元即第一倒L形辐射单元19a和第二倒L形辐射单元19b，而第一倒L形辐射单元19a又包括水平枝节191a和垂直枝节192a，而第二倒L形辐射单元19b又包括水平枝节191b和垂直枝节192b；2个微带馈线即第一微带馈线20a与第二微带馈线20b。为了在统一描述2个天线单元，2个隔离槽，2个类C形辐射单元及组成其结构的第一枝节、第二枝节、第三枝节和第四枝节，2个倒L形辐射单元及组成其结构的水平枝节和垂直枝节，以及2个微带馈线时，为了简化上述各技术特征的附图标记，附图中虽未明确标示出15、17、18、181、182、183、184、19、191、192和20这11个附图标记的具体位置，但其表示的是15为天线单元的统一表示；17为隔离槽的统一表示；18为类C形辐射单元的统一表示，其中181、182、183和184分别为其第一枝节、第二枝节、第三枝节和第四枝节的统一表示；19为倒L形辐射单元的统一表示，其中191和192分别为其水平枝节和垂直枝节的统一表示；20为微带馈线的统一表示。

参见图1，一种高隔离度双单元MIMO阵列天线，包括有介质基板11。在本发明优选实施例中，所述介质基板11呈正方形或长方形。该介质基板11具有两个表面，即正面12和背面13，如图2所示。其中：

所述介质基板11的正面12如图3所示，印制有地板14、附加地板单元16和2个类C形辐射单元18、以及开设在地板14上的2个隔离槽17。

附加地板单元16整体呈T形，即附加地板单元16主要由左臂枝节161、中心枝节162和右臂枝节163构成。左臂枝节161、右臂枝节163和中心枝节162沿介质基板11垂直方向设置，其中左臂枝节161和右臂枝节163的上部末端分别向下弯折90°，并与中心枝节162的上部末端交汇。左臂枝节161和右臂枝节163以中心枝节162为对称线呈左右对称。

隔离槽17即第一隔离槽17a和第二隔离槽17b均整体呈倒S形即阶梯状，即沿介质基板11水平方向设置的隔离槽17的首端向上弯折90°，末端向下弯折90°。

类C形辐射单元18即第一类C形辐射单元18a和第二类C形辐射单元18b均整体呈C形，即类C形辐射单元18主要由首尾顺次相接的第一枝节181、第二枝节182、第三枝节183和第四枝节184构成。即第一枝节181的末端与第二枝节182的首端相接，第二枝节182的末端与第三枝节183的首端相接，第三枝节183的末端与第四枝节184的首端相接。第一枝节181和第三枝节183相互平行，且沿介质基板11水平方向设置。第二枝节182和第四枝节184相互平行，且沿介质基板11垂直方向设置。第一枝节181和第三枝节183分别与第二枝节182和第四枝节184相垂直。

地板14位于介质基板11正面12下部。附加地板单元16和2个类C形辐射单元18均位于介质基板11正面12上部。附加地板单元16处于介质基板11的垂直轴线上，且附加地板单元16的中心枝节162的中心线与介质基板11的垂直轴线重合。每个类C形辐射单元18的一端即第一枝节181的首端开路，另一端即第四枝节184的末端连接地板14的上边缘。2个类C形辐射单元18分别处在附加地板单元16的左右两侧，且沿着介质基板11的垂直轴线呈左右镜像对称。在本发明优选实施例中，2个类C形辐射单元18的第一枝节181的上边缘与介质基板11的上边缘相平齐。2个类C形辐射单元18的整体高度相一致。附加地板单元16的整体高度也即附加地板单元16的中心枝节162的高度与这2个类C形辐射单元18的整体高度一致。隔离槽17嵌在地板14上，其首端均向上延伸至地板14的上边缘。每个隔离槽17在介质基板11水平方向上，位于附加地板单元16和类C形辐射单元18之间。2个隔离槽17沿着介质基板11的垂直轴线呈左右镜像对称。

所述介质基板11的背面13如图4所示，印制有2个倒L形辐射单元19和2个微带馈线20。

倒L形辐射单元19整体呈倒L形，即倒L形辐射单元19主要由水平枝节191和垂直枝节192构成。水平枝节191沿介质基板11水平方向设置。垂直枝节192沿介质基板11垂直方向设置。水平枝节191的末端和垂直枝节192的首端相接。微带馈线20呈长直带状，且沿介质基板11垂直方向设置。倒L形辐射单元19位于介质基板11背面13上部。两个倒L形辐射单元19沿着介质基板11的垂直轴线左右镜像对称。

微带馈线20位于介质基板11背面13下部。倒L形辐射单元19的垂直枝节192的末端与微带馈线20的首端相接。

当倒L形辐射单元19投影到介质基板11的正面12时，其水平枝节191介于第一枝节181和第三枝节183之间，垂直枝节192的末端恰好处于地板14的上边缘。当微带馈线20投影到介质基板11的正面12时，微带馈线20的首端处于地板14的上边缘，末端处于地板14的下边缘。参见图1。

2个天线单元15即第一天线单元15a和第二天线单元15b形成了本发明的主要辐射结构。第一天线单元15a与第二天线单元15b沿着介质基板11的垂直轴线左右对称安装在介质基板11的上部。第一天线单元15a包括第一类C形辐射单元18a与第一倒L形辐射单元19a，第一类C形辐射单元18a印制在介质基板的正面12，第一倒L形辐射单元19a印制在介质基板背面13。第二天线单元15b包括第二类C形辐射单元18b与第二倒L形辐射单元19b，第二类C形辐射单元18b印制在介质基板11的正面12，第二倒L形辐射单元19b印制在介质基板11的背面13。印制在介质基板11正反两面的辐射单元均采用曲流技术，在保证天线单元产生辐射的谐振路径的同时，缩减2个天线单元15占用介质基板11的空间，将第一天线单元15a与第二天线单元15b并排安装在介质基板11的上部，并沿着介质基板11垂直轴线左右对称分布，利用角度分集使天线能够获得额外的分集增益。2个天线单元15中间的空白区域，有利于去耦结构的设计与安装，从而使天线的整体布局更加紧凑。第一类C形辐射单元18a、第二类C形辐射单元18b、第一倒L形辐射单元19a和第二倒L形辐射单元19b共用地板14。天线采用微带线馈电方式。第一倒L形辐射单元19a的垂直枝节192a的末端与第一微带馈线20a一端连接；第二倒L形辐射单元19b的垂直枝节192b的末端与第二微带馈线20b一端连接。第一倒L形辐射单元19a与第二倒L形辐射单元19b分别将一部分能量耦合到第一类C形辐射单元18a与第二类C形辐射单元18b，对其形成有效的馈电，同时第一类C形辐射单元18a与第一倒L形辐射单元19a耦合结构以及第二类C形辐射单元18b与第二倒L形辐射单元19b耦合结构，引入附加电容，有利于改善阻抗特性，拓展了频带宽度，最终形成天线的阻抗特性和辐射特性，从而达到实现天线双频及宽频带的目的。

附加地板单元16和2个隔离槽17形成了本发明的去耦结构。附加地板单元16安装在第一天线单元15a与第二天线单元15b的中间的空白区域。附加地板单元16的左臂枝节161和右臂枝节163的末端分别向下弯折90度，可缩减附加地板单元16引入占用的横向空间。同时，附加地板单元16的中心枝节162高度与两个天线单元15一致，并没有向外延伸，进一步有利于附加地板单元结构的布局，使得两天线单元15结构更加紧凑。2个隔离槽17嵌在两天线单元15之间的地板14上。采用双槽，对于两单元MIMO阵列来说，可以起到相互阻隔地板14激起的大部分电流的作用，去耦更加有效。即当第一天线单元15a激励时，第一隔离槽17a阻隔了由地板14激起的大部分流向第二天线单元15b的电流；而当第二天线单元15b激励时，第二隔离槽17b阻隔了由地板14激起的大部分流向第一天线单元15a的电流。由于天线单元15的数目为2个，故采用双槽结构，更利于2个天线单元15之间相互阻隔由地板14激起的表面电流。同时隔离槽17呈倒S形即阶梯形状，较之常见的U型单槽来说，可调参数较多，这使得调谐阻抗带宽与隔离度性能之间的关系变得容易，能够在减小天线单元互耦的同时，兼顾带宽性能。

本发明的核心点在于提出的去耦结构，即附加地板单元16以及2个隔离槽17。该去耦结构能有效对两个频段内的天线单元之间的隔离度进行改善。进一步解释，当天线单元在其中一个频段被激励时，附加地板单元16减弱一部分来自空间波的互耦影响，同时能够将地板14表面激起的大部分电流集中在该结构，以减少对另一个天线单元的耦合。而当天线单元在另外一个频段被激励时，此时在两天线单元15中间的地板14开有的隔离槽17，将地板14表面流向另一个天线单元的大部分耦合电流“钳制”在凹槽中，从而产生一定频率的谐振，将耦合能量以电磁波的形式辐射到空中，故可以减小天线在该频段工作下，天线单元之间的互耦，进一步增加了隔离度。由于附加地板单元16与隔离槽17两种去耦结构的同时引入，针对天线在双频段工作时的隔离度改善，可以对应不同工作频段，相对独立的调整各自去耦结构的参数，以减弱天线单元之间的相关性，同时又能较好的兼顾在双频模式下天线单元之间的隔离度与带宽性能。

现在以目前较为常见的2.4G与3.5G双频段为例。为了简化数据图表述，图5至图12中的S11表示回波损耗值，S21表示隔离度值。由于两个天线单元具有网络互易对称性，因此只给出了其中一个天线单元15端口的散射矩阵值。其中通过加载不同的图形和英文单词measured（实测）及simulated（仿真）已明显区分实测值和仿真值曲线。图5、图6给出了MIMO双单元天线在不加任何去耦措施的情况下的S11图与S21图。可以观察到，天线能够工作在2.4G与3.5G两个频段，具有较宽的阻抗特性，在工作频带内隔离度均低于-10db。可见此方案给出的天线单元结构以及布局，对去耦有一定抑制的作用。为了进一步降低MIMO两单元天线之间的相关性，改善隔离度，引入去耦结构，使得隔离度达到-15db，同时保证天线双频的工作带宽性能。

为了对比本发明提出的去耦结构，在天线双频工作时隔离度的改善。先给出了只增加附加地板单元16结构后的S11图与S21图。分别如图7、图8所示。再给出开隔离槽17结构下，S11图与S21图。分别如图9、图10所示。通过以上数据，我们可以观察到，在只增加附加地板单元16的情况下，高频段的隔离度有了极大的改善，但是低频段的隔离度变化不大，工作频点有一定的漂移。而只在给出开隔离槽17结构的情况下，在工作带宽内，隔离度均有明显的改善，但是高频段的匹配性能有所下降。给出其中任何一个去耦结构时，都不能较好兼顾工作频段的带宽和隔离度的性能，在本发明采用的去耦结构下，如图11、图12，不仅对天线在双频工作时，天线单元之间的隔离度均有所改善，而且较好的兼顾了工作频段的带宽性能。

Claims (4)

1.一种高隔离度双单元MIMO阵列天线，包括介质基板（11），其特征在于：

所述介质基板（11）的正面（12）印制有地板（14）、附加地板单元（16）和2个类C形辐射单元（18）、以及开设在地板（14）上的2个隔离槽（17）；

附加地板单元（16）整体呈T形，即附加地板单元（16）由左臂枝节（161）、中心枝节（162）和右臂枝节（163）构成；左臂枝节（161）、右臂枝节（163）和中心枝节（162）沿介质基板（11）垂直方向设置，其中左臂枝节（161）和右臂枝节（163）的上部末端分别向下弯折90°后，左臂枝节（161）的右末端和右臂枝节（163）的左末端与中心枝节（162）的上部末端交汇；左臂枝节（161）和右臂枝节（163）以中心枝节（162）为对称线呈左右对称；

隔离槽（17）整体呈倒S形，即沿介质基板（11）水平方向设置的隔离槽（17）的首端向上弯折90°，末端向下弯折90°；

类C形辐射单元（18）整体呈C形，即类C形辐射单元（18）主要由首尾顺次相接的第一枝节（181）、第二枝节（182）、第三枝节（183）和第四枝节（184）构成；第一枝节（181）和第三枝节（183）相互平行，且沿介质基板（11）水平方向设置；第二枝节（182）和第四枝节（184）相互平行，且沿介质基板（11）垂直方向设置；

地板（14）位于介质基板（11）正面（12）下部；附加地板单元（16）和2个类C形辐射单元（18）均位于介质基板（11）正面（12）上部；附加地板单元（16）处于介质基板（11）的垂直轴线上，且附加地板单元（16）的中心枝节（162）的中心线与介质基板（11）的垂直轴线重合；2个类C形辐射单元（18）分别处在附加地板单元（16）的左右两侧，且沿着介质基板（11）的垂直轴线呈左右镜像对称；每个类C形辐射单元（18）的一端即第一枝节（181）的首端开路，另一端即第四枝节（184）的末端连接地板（14）的上边缘；隔离槽（17）嵌在地板（14）上，其首端均向上延伸至地板（14）的上边缘；每个隔离槽（17）在介质基板（11）水平方向上，位于附加地板单元（16）和类C形辐射单元（18）之间；2个隔离槽（17）沿着介质基板（11）的垂直轴线呈左右镜像对称；

所述介质基板（11）的背面（13）印制有2个倒L形辐射单元（19）和2个微带馈线（20）；

倒L形辐射单元（19）整体呈倒L形，即倒L形辐射单元（19）主要由水平枝节（191）和垂直枝节（192）构成；水平枝节（191）沿介质基板（11）水平方向设置；垂直枝节（192）沿介质基板（11）垂直方向设置；水平枝节（191）的末端和垂直枝节（192）的首端相接；

微带馈线（20）呈长直带状，且沿介质基板（11）垂直方向设置；

倒L形辐射单元（19）位于介质基板（11）背面（13）上部；两个倒L形辐射单元（19）沿着介质基板（11）的垂直轴线左右镜像对称；微带馈线（20）位于介质基板（11）背面（13）下部；倒L形辐射单元（19）的垂直枝节（192）的末端与微带馈线（20）的首端相接；

当倒L形辐射单元（19）投影到介质基板（11）的正面（12）时，其水平枝节（191）介于第一枝节（181）和第三枝节（183）之间，垂直枝节（192）的末端恰好处于地板（14）的上边缘；当微带馈线（20）投影到介质基板（11）的正面（12）时，微带馈线（20）的首端处于地板（14）的上边缘，末端处于地板（14）的下边缘。

2.根据权利要求1所述的一种高隔离度双单元MIMO阵列天线，其特征在于：介质基板（11）呈正方形或长方形。

3.根据权利要求1或2所述的一种高隔离度双单元MIMO阵列天线，其特征在于：2个类C形辐射单元（18）的第一枝节（181）的上边缘与介质基板（11）的上边缘相平齐。

4.根据权利要求1或2所述的一种高隔离度双单元MIMO阵列天线，其特征在于：附加地板单元（16）的整体高度与2个类C形辐射单元（18）的整体高度一致。

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