CN102983397B

CN102983397B - 小型高隔离度双陷波uwb mimo天线

Info

Publication number: CN102983397B
Application number: CN201210506432.0A
Authority: CN
Inventors: 褚庆昕; 李健凤
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: Guangzhou Sangrui Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2012-11-30
Publication date: 2015-03-11
Anticipated expiration: 2032-11-30
Also published as: CN102983397A

Abstract

本发明为小型高隔离度双陷波UWB MIMO天线，包括主地板、第一地板枝节、第二地板枝节、第一金属带、第二金属带、连接两地板枝节的第三金属带、第一天线单元、第二天线单元、第一末端开口缝隙、第二末端开口缝隙；由于两地板枝节的应用，第一激励端口和第二激励端口可以放置在所述基板上边缘，能有效的改善天线单元的阻抗带宽，也有效地增加了两天线单元间的隔离度；解决了现有UWB MIMO天线无法同时实现小尺寸、小互耦、宽带宽的技术问题；第一金属带与第一天线单元形成第一环形回路，第二金属带与第二天线单元形成第二环形回路，实现高频陷波；第一末端开口缝隙和第二末端开口缝隙的应用，实现了低频陷波；从而实现双陷波的功能。

Description

小型高隔离度双陷波UWB MIMO天线

技术领域

本发明涉及UWB(ultra-wideband,超宽带)MIMO(Multiple-Input Multiple-Output,多输入多输出)天线技术领域，更具体地说，涉及一种小型高隔离度的双陷波UWB MIMO天线。

背景技术

随着移动宽带时代的到来，无线网络向多频多制式快速发展，现有的天线系统也因站点空间有限、站点承重限制、不支持新技术演进等问题面临着诸多挑战。大部分运营商都提出了对天线系统的改造需求，新的天线不光需要支持多频多制式，还需要保持尺寸不变，能支持新的技术演进如多输入多输出(MIMO,Multiple-Input-Multiple-Output)，从而配合主设备提升网络性能，增强用户体验。从目前技术发展来看，MIMO技术是LTE((Long Term Evolution，3G的长期演进)和第四代移动通信(4G)的核心技术。MIMO技术充分开发了空间资源，利用多个天线实现多发多收，在有限的频谱资源上和固定的发射功率下，可以实现高速率和大容量的数据传输率，是增加无线通信系统频谱效率非常有效的一种方法。MIMO系统还可以通过分集增益来实现大幅度提高无线通信系统的可靠性与稳定性。MIMO技术已经被视为第四代移动通信技术的重要组成部分而受到通信界的强烈关注。

MIMO天线是MIMO无线通信系统的重要部件，MIMO天线性能直接影响着整个系统的性能，故MIMO天线设计已经成为微波领域的研究热点。对于基站而言，因为可用空间大，多天线技术的应用容易得到实现。但是对于手持设备来说，将多个天线集成在小空间中，会引起很大的互耦，这就造成天线单元间的相关性很大，天线的分集性能就随之下降，无法达到信道容量与MIMO天线系统的天线数目成线性比例增量，或者信道的稳定性随着MIMO系统天线数目增加的趋势。如何在保证小天线尺寸、高天线性能的前提下，减小天线单元间的耦合是MIMO天线设计的难点，目前减小耦合的主要方法有：采用缺陷地板结构，在地板上嵌入缝隙，加入反射单元，增加地板分支，应用中和线、去耦电路等。现有的MIMO天线设计主要都是采用以上方法之一来减小互耦，但是大部分设计的带宽都比较窄、而且天线的尺寸比较大。数量不多的已经报道的超宽带MIMO天线设计，尺寸都比较大，而且不能实现双陷波要求，这样就会无法避免和其它通信系统(WIMAX 3.3-3.6GHz以及WALN5.2-5.8GHz)的相互干扰，因此，尺寸小、良好辐射效率、全向覆盖特性、高隔离、双陷波UWB MIMO天线成为当今研究热点。

MIMO技术的应用，一方面利用复用技术提高信道的传输容量，另一方面可以利用分集技术提高信道的可靠性。研究表明，UWB通信系统具有低辐射功率，极高的数据传输率，它非常适合雷达系统和短距离通信，而将MIMO技术应用到UWB系统中，则可以大幅度地提高系统的传输率。目前数量不多的UWB MIMO天线，尺寸都比较大，而且没有实现陷波功能，它们主要采用传统的方法去提高天线单元间的隔离度。

发明内容

本发明为了解决现有UWB MIMO天线无法同时实现小尺寸、小互耦、宽带宽、陷波功能的技术问题，提出了一种小型、高隔离度、双陷波UWB MIMO天线，能有效的改善天线单元的阻抗带宽，实现双陷波功能，还可以有效地增加两天线单元间的隔离度。

本发明采用如下技术方案来解决上述技术问题：小型高隔离度双陷波UWB MIMO天线，包括印制在基板背面的地板、第一地板枝节和第二地板枝节，印制在基板正面的第一天线单元和第二天线单元；第一地板枝节和第二地板枝节对称放置；第一天线单元与第二天线单元形成对称结构，且被放置在所述基板的两个边角上；第一天线单元的激励端口和第二天线单元的激励端口放置在所述基板上边缘，第一天线单元的激励端口和第一地板枝节相连接，第二天线单元的激励端口和第二地板枝节相连接。由于第一地板枝节和第二地板枝节也参与了辐射,它们可以分别被看作是第一天线单元和第二天线单元的一部分，有效地增加了第一天线单元和第二天线单元的有效电长度，从而降低天线工作频率，拓展带宽，有利于实现天线的小型化。另一方面，由于第一地板枝节和第二地板枝节的应用，第一天线单元和第二天线单元的激励端口可以设置在基板的边缘，这样两端口之间沿着地板表面的路径就被大大地增加了，从而两天线单元间的隔离度得到了很到的改善。

所述基板的背面印制有第一金属带和第二金属带，第一金属带的两端和第一天线单元设有第一重叠部分，第二金属带的两端和第二天线单元设有第二重叠部分；第一金属带和第一天线单元通过所述第一重叠部分形成第一耦合环形路径，第二金属带和第二天线单元通过所述第二重叠部分形成第二耦合环形路径；所述第一耦合环形路径和第二耦合环形路径分别破坏了第一天线单元和第二天线在某个频段内的阻抗匹配，从而使得第一天线单元和第二天线单元实现在在该频段的陷波功能。

优选的，还在所述第一天线单元上嵌入第一末端开路缝隙，在所述第二天线单元上嵌入第二末端开路缝隙；所述第一末端开路缝隙、第二末端开路缝隙分别使第一天线单元和第二天线单元在某个频带内大部分的能量被发射回去，从而使得第一天线单元和第二天线单元实现在某个频段的陷波功能。

所述第一天线单元与第一天线单元的激励端口之间设有第一微带线。所述第二天线单元与第二天线单元的激励端口之间设有第二微带线。

本发明的原理如下：将两个UWB天线单元对称地放置在基板的两个边角上，引入两个矩形地板分支使得两天线单元的馈电端口可以放置在基板的上边缘，从而实现良好的阻抗匹配和天线单元间的高隔离度。此外，为了得到高频陷波，每个天线单元各引入一条小金属带，即利用环形回路实现高频陷波；为获得到低频陷波，在每个天线单元的辐射体上各嵌入一条末端开口的缝隙，即利用末端开路的缝隙实现低频陷波。该MIMO天线适合应用于如手机、笔记本等移动终端设备的系统中，能够在多径通信环境中，提供良好的分集增益，抵抗多径衰落，提高系统的无线UWB通信系统的稳定性和可靠性。

与现有的技术相比，本发明具有如下优点：

1、已有移动终端设备小型UWB MIMO天线设计，主要利用解耦网络、地板缝隙、反射单元等技术手段提高天线单元间的隔离度，而这些解耦方法只适合应用于尺寸比较大的UWBMIMO天线中，而本专利中提出的独特的天线单元放置方式：将两个UWB天线单元对称地放置在基板的两个边角上，引入两个矩形的地板分支，两个天线单元的激励端口放置在基板的上边缘。这种独特的天线单元放置方式，一方面能有效地改善阻抗带宽，另外一方面能增加两天线单元之间沿着地板表面的路径长度，则有效地增加两天线单元直接的隔离度。

2、本专利提出在基板的背面加入金属带，该金属带和天线单元组成耦合的环形回路，利用该环形回路可以有效地得到高频陷波效果。这种陷波结构对陷波频率以外的频带影响非常小，故它对陷波频带以外的工作带宽内的隔离度影响很小。改变金属带的宽度w_s，则可以有效地控制陷波频带的频率位置。

3、本专利提出的在天线单元上嵌入末端开路的缝隙，可以有效地得到低频陷波效果，而这种陷波结构对陷波带宽以外的频带的影响非常小，故其应用对陷波频带以外的工作带宽内的隔离度影响很小，适合应用到UWB MIMO天线中实现陷波功能。

4、与已有移动终端设备UWB MIMO天线设计相比较，本发明实现了陷波效果，而且具有更小的尺寸，更简单的结构，从而可以降低生产成本，适用于各种多功能小型手持设备中。

附图说明

图1(a)是天线单元放置示意图；

图1(b)是高隔离度的UWB MIMO天线结构示意图；

图1(c)是图1(b)所示天线的频率响应的电磁仿真曲线；

图2(a)是利用金属带产生环形回路的带陷波的UWB MIMO天线结构示意图；

图2(b)是图2(a)所示天线随着金属(19a,19b)带宽度w_s变化而变化的频率响应电磁仿真曲线；

图3(a)是利用末端开路缝隙产生陷波的UWB MIMO天线结构示意图；

图3(b)是图3(a)所示天线随着末端开路缝隙长度s_l变化而变化的频率响应电磁仿真曲线；

图4(a)是本发明所涉及的小型高隔离度双陷波UWB MIMO天线结构示意图；

图4(b)是图4(a)所示天线的频率响应电磁仿真曲线。

其中：11为基板，12为基板正面，13为基板背面，14为印制在基板背面的地板，15a、15b分别为印制在基板的第一地板枝节、第二地板枝节，16a、16b分别为印制在基板正面UWBMIMO天线的第一天线单元、第二天线单元，17a、17b分别为第一天线单元、第二天线单元的激励端口，18a、18b分别为第一天线单元和第二天线单元印制在基板正面的为50欧姆微带线，19a、19b分别为印制在基板背面的第一金属带、第二金属带，110a、111a为第一金属带和第一天线单元的重叠部分，110b、111b为第二金属带和第二天线单元的重叠部分，112a、112b分别为嵌入第一天线单元和第二天线单元上面的末端开路的缝隙，113是连接第一地板枝节和第二地板枝节的第三金属带。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。

实施例

参见图1-4，本发明提出的UWB MIMO天线所采用的地板由矩形地板14和两对称放置的第一地板枝节15a和第二地板枝节15b所组成。第一天线单元16a和第二天线单元16b形成对称结构，且被放置在基板11的两个边角上。由于第一天线单元16a的激励端口17a和第二天线单元16b的激励端口17b放置在基板11的上边缘。激励端口17a、激励端口17b分别和第一地板枝节15a、第二地板枝节15b相连接，而不是直接链接到矩形的主地板14。

上述这种新颖的天线单元放置方式，一方面，由于第一地板枝节15a和第二地板枝节15b也参与了辐射，它们可以被看作是第一天线单元16a和第二天线单元16b的一部分，有效地增加了第一天线单元16a和第二天线单元16b的有效电长度，从而降低天线工作频率，拓展带宽，有利于实现天线的小型化。另一方面，由于第一地板枝节15a和第二地板枝节15b的应用，第一天线单元16a和第二天线单元16b的激励端口可以设置在基板11的边缘，这样两端口之间沿着地板表面的路径就被大大地增加了，从而两天线单元间的隔离度得到了很到的改善。

为了实现双陷波功能，本发明专利涉及的UWB MIMO天线采用耦合环形回路和末端开路的缝隙。基板11背面印制有第一金属带19a和第二金属带19b，第一金属带19a和第一天线单元16a设有重叠部分110a和重叠部分111a，重叠部分110a和重叠部分111a统称第一重叠部分；第二金属带19b和第二天线单元16b设有重叠部分110b和重叠部分111b，重叠部分110b和重叠部分111b统称第二重叠部分。第一金属带19a和第一天线单元16a通过第一重叠部分形成第一耦合环形路径，第二金属带19b和第二天线单元16b通过第二重叠部分形成第二耦合环形路径。当第一耦合环形路径和第二耦合环形路径的长度为某一频点的1个波长时，在该频点附近就会产生陷波效果。这是因为1个波长的第一耦合环形路径和第二耦合环形路径的引入，破坏了原有天线的阻抗匹配，引起很大的发射，则天线的能量辐射不出去，从而产生了陷波功能。第一耦合环形路径和第二耦合环形路径对陷波频段以外的工作频率的影响很小，而且第一金属带19a和第二金属带19b的宽度的改变能有效地控制陷波频段的频域位置。

本发明所涉及的UWB MIMO天线还在第一天线单元16a和第二天线单元16b上分别嵌入第一末端开路缝隙112a和第二末端开路缝隙112b。当第一末端开路缝隙112a和第二末端开路缝隙112b的长度为某一个频点的1/4波长时，在该频点的附近频域内产生陷波效果。这也是因为第一末端开路缝隙112a和第二末端开路缝隙112b的引入，使得天线匹配变差，大部分的能量被反射回去，从而得到陷波效果。第一末端开路缝隙112a和第二末端开路缝隙112b对其产生的陷波频段以外的工作频带所产生的作用很小，改变第一末端开路缝隙112a和第二末端开路缝隙112b的长度，可以有效地控制陷波频带的频域位置。

图4(a)为本发明提出的小型高隔离度双陷波UWB MIMO天线结构，它包含了两个天线单元16a、16b，两个激励端口17a、17b，两条50欧姆微带线18a、18b，两条金属带19a、19b，两条末端开路的缝隙112a、112b，系统主地板14，两个地板枝节15a、15b，和连接两个地板枝节的第三金属带113。两个天线单元和两条50欧姆微带线被印制在FR4基板正面12，两条金属带、系统主地板、两个地板枝节和连接两个地板枝节的第三金属带113被印制在FR4基板背面13。第一天线单元16a通过50欧姆的第一微带线18a由第一激励端口17a进行馈电；第二天线单元16b通过50欧姆的第二微带线18b由第二激励端口17b进行馈电。第一天线单元16a和第二天线单元16b被对称地放置在基板11的两个边角上，由于两地板枝节15a、15b的应用，所以两天线单元的两个激励端口17a、17b能够放置在基板11的上边缘，这样两天线单元之间的沿着地板表面的路径就被加长，有利于天线单元间互耦的减小，同时两地板枝节15a、15b还可以认为是两天线单元16a、16b的一部分参与辐射，增加天线单元的有效辐射长度，从而降低天线工作频率，改善阻抗带宽，减小天线单元的尺寸。第三金属带113的引入是为了引入一条额外的耦合路径，从而进一步降低第一天线单元和第二天线单元之间的耦合。

从图1(c)可以看出来，将两个天线单元的馈电端口放置在基板11上边缘，使得本发明不需要采用任何的解耦结构，就可以得到很好的阻抗带宽和隔离度。比较图1(b)和图2(a)所示MIMO天线的频率响应的电磁仿真曲线图1(c)和图2(b)，可以清楚地观察到由于两条金属带19a、19b的应用产生了两条环形路径，则在带宽内产生了一个陷波频段，该频段的工作频率的频域位置可以由两条金属带19a、19b的宽度w_s来控制，而该环形路径的应用对陷波范围外的工作频带的影响很小。从图1(b)和图3(a)所示天线的频率响应的电磁仿真曲线图1(c)和图3(b)的比较中，末端开路缝隙112a、112b的作用可以得到很好的理解。从图3(b)可以观察到，相对于图1(b)中所示的天线而言，图3(a)中所示的MIMO天线，由于末端开路缝隙112a、12b的存在，在工作带宽内有效地产生了一个陷波频带，而该陷波频带的频率可以通过改变末端开路缝隙112a、112b的长度s_l来制。

由于天线单元的新颖放置方式可以在保证小尺寸的前提下，使得天线的阻抗匹配得到改善，天线单元之间的隔离度满足要求，而环形路径和末端开路缝隙对其产生的陷波频段以外的工作频带所产生的作用很小；比较图1(b)、图2(a)、图3(a)和图4(a)所示天线的频率响应图，可以看到，本发明所提出的天线单元放置方式、环形回路、末端开路缝隙和第三金属带113的缝隙相结合，则可以得到本发明所提出的小型高隔离度双陷波UWB MIMO天线，该天线结构简单，尺寸小，制作成本低。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.小型高隔离度双陷波UWB MIMO天线，其特征在于，包括印制在基板背面的地板、第一地板枝节和第二地板枝节，以及印制在基板正面的第一天线单元和第二天线单元；第一地板枝节和第二地板枝节对称放置；第一天线单元与第二天线单元形成对称结构，且被放置在所述基板的两个边角上；第一天线单元的激励端口和第二天线单元的激励端口放置在所述基板上边缘，第一天线单元的激励端口和第一地板枝节相连接，第二天线单元的激励端口和第二地板枝节相连接；

所述基板的背面印制有第一金属带和第二金属带，第一金属带的两端和第一天线单元设有第一重叠部分，第二金属带的两端和第二天线单元设有第二重叠部分；第一金属带和第一天线单元通过所述第一重叠部分形成第一耦合环形路径，第二金属带和第二天线单元通过所述第二重叠部分形成第二耦合环形路径；

还在所述第一天线单元上嵌入第一末端开路缝隙，在所述第二天线单元上嵌入第二末端开路缝隙，第一末端开路缝隙和第二末端开路缝隙的长度为某一个频点的1/4波长。

2.根据权利要求1所述的小型高隔离度双陷波UWB MIMO天线，其特征在于，所述第一天线单元与第一天线单元的激励端口之间设有第一微带线。

3.根据权利要求1所述的小型高隔离度双陷波UWB MIMO天线，其特征在于，所述第二天线单元与第二天线单元的激励端口之间设有第二微带线。

4.根据权利要求1所述的小型高隔离度双陷波UWB MIMO天线，其特征在于，还包括连接第一地板枝节和第二地板枝节的第三金属带。