CN103036015B - 一种天线及具有该天线的mimo天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种天线，其包括第一介质基板以及第二介质基板，整个天线通过设置多个金属片以增大馈线的有效辐射面积，充分利用了天线的空间面积，且馈线围绕的金属片上设置至少非对称的两个微槽结构，并设置多个供电子元件嵌入的空间，使得天线能轻易的实现多模要求并能方便调节天线电磁参数。另外本发明还涉及一种具有多个上述的天线的MIMO天线，该MIMO天线具有高隔离度。

Description

一种天线及具有该天线的MIMO天线

技术领域

本发明属于通信领域，具体地，涉及一种天线及具有该天线的MIMO天线。

背景技术

在传统天线设计中当遇到天线使用空间小、工作频率低、工作在多模等问题时，天线的性能将极大的受制于天线体积大小。天线体积的减小对应的天线的电长度也将受到影响，天线辐射效率及工作频率将改变。传统的偶极子天线及PIFA天线在面对现有通讯终端小体积、宽频带等问题时就显得力不从心，设计难度极大最终也不能满足使用的要求。传统的天线在低频段设计中只用通过外部的匹配线路来实现多模的辐射要求，在天馈系统中加入匹配网络后功能上是可实现低频、多模的工作要求，但是其辐射效率将极大的降低因为非常大的一部分能量损失在匹配网络上。现有的超材料小天线，如公开号为CN201490337的中国专利，在设计中集成了新型人工电磁材料，因此其辐射具有非常丰富的色散特性，可以形成多种辐射模式，即可免去繁琐的阻抗匹配网络，这种丰富的色散特性为多频点的阻抗匹配带来了极大的便利。尽管如此现有的超材料小天线在面对现有终端设备小体积、低工作频率、宽带多模等问题时，设计的过程中也受到了极大的制约。

同时，天线在不同的产品中工作的环境及电磁特性存在较大的差异性，将会导致天线性能在设计和使用中存在较大的差异，所以要求设计出的天线必须具有较强的适应性及通用性。综上所述，原有的技术在使用中将就会遇到通用性及性能差异性的问题。

发明内容

本发明要解决的一个技术问题是，针对天线在不同产品中工作环境及电磁特性存在较大的差异性，导致天线性能在设计和使用中存在较大的差异，提供一种天线，该天线具有较强的适应性及通用性。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：提供一种天线，其包括具有两相对侧面的第一介质基板和第二介质基板；所述第一介质基板第一侧面设置有第一金属片以及围绕所述第一金属片设置的第一馈线，与所述第一侧面相对的第二侧面设置有第二金属片以及围绕所述第二金属片设置的第二馈线，所述第一馈线与所述第二馈线均通过耦合方式各自馈入所述第一金属片与所述第二金属片；所述第二介质基板一侧表面与所述第一介质基板第二侧面重合，相对的另一侧表面设置有第三金属片；所述第一金属片上镂空有非对称的第一微槽结构及第二微槽结构以在所述第一金属片上形成第一金属走线，所述第二金属片上镂空有非对称的第三微槽结构及第四微槽结构以在所述第二金属片上形成第二金属走线，所述第一馈线与所述第二馈线电连接，所述第二馈线与所述第三金属片电连接，所述天线预设有供电子元件嵌入的空间。

进一步地，所述空间设置在所述第一馈线、所述第一馈线与所述第一金属片之间及所述第一金属片这三个位置的至少一个上。

进一步地，所述空间设置在所述第二馈线、所述第二馈线与所述第二金属片之间及所述第二金属片这三个位置的至少一个上。

进一步地，所述空间设置在所述第一金属片上的第一金属走线上，或者所述空间设置在所述第一微槽结构和/或所述第二微槽结构上。

进一步地，所述空间设置在所述第二金属片上的第二金属走线上，或者所述空间设置在所述第三微槽结构和/或所述第四微槽结构上。

进一步地，所述电子元件为感性电子元件、容性电子元件或者电阻。

进一步地，所述空间为形成在所述天线上的焊盘。

进一步地，所述感性电子元件电感值的范围在0-5uH之间。

进一步地，所述容性电子元件电容值的范围在0-2pF之间。

实施本发明的天线，相对于现有的天线，具有以下有益效果：通过在天线上设置供电子元件嵌入的空间，可以通过改变嵌入的电子元件的性能对天线的性能进行微调，设计出满足适应性及通用性的要求的天线。另外，介质基板两面均设置有金属片，充分利用了天线的空间面积，在此环境下天线能在较低工作频率下工作，满足天线小型化、低工作频率、宽带多模的要求。另外，在第一金属片上镂空有非对称的第一微槽结构及第二微槽结构，且在第二金属片上镂空有非对称的第三微槽结构及第四微槽结构，因此能够很容易地产生多个谐振点，且谐振点不易抵消，很容易实现多模谐振，轻易实现天线的多模化。

本发明所要解决的另一个问题是提供一种MIMO天线。

本发明解决上述技术问题所采用的方案是：一种MIMO天线，所述MIMO天线包括多个上述的天线。

根据本发明的MIMO天线，除了具备上述天线本身的特点外，还具有很高的隔离度，多个天线之间的抗干扰能力强。

附图说明

图1是本发明天线第一介质基板第一实施方式A面视角结构示意图；

图2是本发明天线第一介质基板第一实施方式B面视角结构示意图；

图3是本发明的天线第二介质基板结构示意图；

图4是本发明的天线第二实施方式A面正视图；

图5是本发明天线第三实施方式A面正视图；

图6a为互补式开口谐振环结构的示意图；

图6b所示为互补式螺旋线结构的示意图；

图6c所示为开口螺旋环结构的示意图；

图6d所示为双开口螺旋环结构的示意图；

图6e所示为互补式弯折线结构的示意图；

图7a为图6a所示的互补式开口谐振环结构其几何形状衍生示意图；

图7b为图6a所示的互补式开口谐振环结构其扩展衍生示意图；

图8a为三个图6a所示的互补式开口谐振环结构的复合后的结构示意图；

图8b为两个图6a所示的互补式开口谐振环结构与图5b所示为互补式螺旋线结构的复合示意图；

图9为四个图6a所示的互补式开口谐振环结构组阵后的结构示意图。

具体实施方式

如图1至图3所示，本发明的天线包括第一介质基板1与第二介质基板2，第一介质基板1具有相对的A面与B面。A面设置有第一金属片10，围绕第一金属片10设置的第一馈线11，在第一金属片10上镂刻有非对称的第一微槽结构12及第二微槽结构13以在第一金属片10上形成第一金属走线14；B面设置有第二金属片20，围绕第二金属片20设置的第二馈线21，在第二金属片20上镂刻有非对称的第三微槽结构22及第四微槽结构23以在第二金属片20上形成第二金属走线24。第一馈线11与第二馈线21均通过耦合方式馈入第一金属片10与第二金属片20且第一馈线11与第二馈线21电连接。第二介质基板2设置于第一介质基板下方且第二介质基板2一侧表面与第一介质基板1的B面紧密接触，相对的另一侧表面设置有第三金属片30。第三金属片30与第一介质基板B面上的第二馈线21电连接。

各附图中，第一金属片画剖面线的部分为第一金属走线，第一金属片上的空白部分(镂空的部分)表示第一微槽结构及第二微槽结构。另外，第一馈线也用剖面线表示。同样的，第二金属片画剖面线的部分为第二金属走线，第二金属片上的空白部分(镂空的部分)表示第三微槽结构及第四微槽结构。另外，第二馈线也用剖面线表示。

如图1及图2所示，所述第一馈线11与第二馈线21通过形成于第一介质基板1上的金属化通孔1000电连接。当然也可以采用导线连接。

另外，从图1与图2可以看出，第一介质基板的A表面及B表面上附着的结构相同。即第一馈线、第一金属片在B表面的投影分别与第二馈线、第二金属片重合。当然，这只是一个优选的方案，A表面与B表面的结构根据需要也可以不同。

第一馈线11围绕第一金属片10设置以实现信号耦合。另外第一金属片10与第一馈线11可以接触，也可以不接触。当第一金属片10与第一馈线11接触时，第一馈线11与第一金属片10之间感性耦合；当第一金属片10与第一馈线11不接触时，第一馈线11与金属片10之间容性耦合。

第二馈线21围绕第二金属片20设置以实现信号耦合。另外第二金属片20与第二馈线21可以接触，也可以不接触。当第二金属片20与第二馈线21接触时，第二馈线21与第二金属片20之间感性耦合；当第二金属片20与第二馈线21不接触时，第二馈线21与第二金属片20之间容性耦合。

本发明中的所述第一微槽结构12、第二微槽结构13、第三微槽结构22、第四微槽结构23都可以是图6a所示的互补式开口谐振环结构、图6b所示的互补式螺旋线结构、图6c所示的开口螺旋环结构、图6d所示的双开口螺旋环结构、图6e所示的互补式弯折线结构中的一种或者是通过前面几种结构衍生、复合或组阵得到的微槽结构。衍生分为两种，一种是几何形状衍生，另一种是扩展衍生，此处的几何形状衍生是指功能类似、形状不同的结构衍生，例如由方框类结构衍生到曲线类结构、三角形类结构及其它不同的多边形类结构；此处的扩展衍生即在图6a至图6e的基础上开设新的槽以形成新的微槽结构；以图6a所示的互补式开口谐振环结构为例，图7a为其几何形状衍生示意图，图7b为其几何形状衍生示意图。此处的复合是指，图6a至图6e的微槽结构多个叠加形成一个新的微槽结构，如图8a所示，为三个图6a所示的互补式开口谐振环结构复合后的结构示意图；如图8b所示，为两个图6a所示的互补式开口谐振环结构与图6b所示为互补式螺旋线结构共同复合后的结构示意图。此处的组阵是指由多个图6a至图6e所示的微槽结构在同一金属片上阵列形成一个整体的微槽结构，如图9所示，为多个如图6a所示的互补式开口谐振环结构组阵后的结构示意图。但是本发明第一微槽结构12与第二微槽结构13是非对称的，第三微槽结构22与第四微槽结构23亦为非对称的，具体非对称方式在下面实施方式中详细说明。

另外，本发明中，介质基板可由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制成。优选地，由高分子材料制成，具体地可以是FR-4、F4B等高分子材料。

本发明中，第一金属片及第二金属片为铜片或银片。优选为铜片，价格低廉，导电性能好。

本发明中，第一馈线及第二馈线选用与第一金属片及第二金属片同样的材料制成。优选为铜。

当天线工作于低频段时，低频段的电磁波对应的波长较长，根据天线设计原理，天线馈线的电辐射长度将要随之增长使得馈线物理长度变长，而较长的馈线不仅不利于天线整体的小型化同时也使得馈线损耗增大使得天线整体性能下降。

本发明从两方面在不改变馈线物理长度的前提下增加馈线的有效辐射面积。第一方面是通过设置于第一介质基板1上的第一金属片10与第二金属片20，通过两个金属片相互之间的耦合关系增加馈线的辐射面积。第一介质基板1两相对表面的第一金属片10与第二金属片20可以连接，也可以不连接。在第一金属片10与第二金属片20不连接的情况下，第一金属片10与第二金属片20之间通过容性耦合的方式馈电；此种情况下，通过改变介质基板的厚度可以实现第一金属片10与第二金属片20的谐振。在第一金属片10与第二金属片20电连接的情况下(例如通过导线或金属化通孔的形式连接)，第一金属片10与第二金属片20之间通过感性耦合的方式馈电。

第二方面，设置于第二介质基板2的第三金属片30与设置于第一介质基板B面的第二金属片20耦合，并对第二金属片20上形成的第三微槽结构22和第四微槽结构23耦合馈电。第二介质基板2上形成有金属化通孔2000，金属化通孔2000可以与第一介质基板上1的金属化通孔1000在一垂直面上也可相互错开。金属化通孔2000电连接第二馈线101与第三金属片30。第三金属片30耦合馈电的面积易于调节，针对不同的工作频段只需简单的调整第三金属片30的耦合馈电面积即可。

同时，为了更方面的调节本发明天线的电磁参数，使之适用面更广，本发明天线中还预设有供各类电子元件嵌入的空间6。

本发明中，所述空间6设置在第一馈线11、第一馈线11与第一金属片10之间、及第一金属片10这三个位置的至少一个上。所述空间还设置在第二馈线21、第二馈线21与第二金属片20之间及第二金属片20这三个位置的至少一个上。优选，多个空间6在天线上的设置如图1及图2所示，即，在介质基板的A面上，在第一馈线11、第一馈线11与第一金属片10之间、及第一金属片10这三个位置上都设置供电子元件嵌入的空间。其中，第一金属片10上的空间包括设置在第一金属走线14上的空间以及设置在第一微槽结构12及第二微槽结构上的空间，并且设置在第一微槽结构12及第二微槽结构13上的空间6分别连接两侧的第一金属走线14边缘。同样，在介质基板的B面上，在第二馈线21、第二馈线21与第二金属片20之间及第二金属片20这三个位置上都设置供电子元件嵌入的空间。其中，第二金属片20上的空间包括设置在第二金属走线24上的空间，以及设置在第三微槽结构22及第四微槽结构23上的空间，并且设置在第三微槽结构23及第四微槽结构23上的空间6分别连接两侧的第二金属走线24边缘。

本发明的天线上空间的预留位置并不限于上述几种形式，空间只要设置在天线上即可。例如，空间还可以设置在介质基板上。

本发明的所述电子元件为感性电子元件、容性电子元件或者电阻。在天线的预留空间中加入此类电子元件后，可以改善天线的各种性能。并且通过加入不同参数的电子元件，可以实现天线性能参数的可调。空间中加入电子元件可以有以下几种情形，由于介质基板的B面与A面是相同的，故以下只以A面做说明：

(1)在第一馈线的空间中加入感性电子元件，运用公式：可知电感值的大小和工作频率的平方成反比，所以当需要的工作频率为较低工作频率时，可以通过适当的嵌入电感或感性电子元件实现。加入的感性电子元件的电感值范围最好在0-5uH之间，因为，若电感值太大交变信号将会被感性电子元件消耗从而影响到天线的辐射效率。当然也可能在第一馈线的空间中加入电阻以改善天线的辐射电阻。当然，第一馈线上有也可设置多个空间，部分空间嵌入电阻，部分空间嵌入感性电子元件，既实现了工作频率的调节，又能改善天线的辐射电阻。当然根据其它需要，也可以只在部分空间中加入电子元件，其它空间用导线短接。

(2)在第一馈线11与第一金属片10之间的空间中嵌入容性电子元件。这里通过嵌入容性电子元件调节第一馈线11与第一金属片10之间的信号耦合，运用公式：可知电容值的大小和工作频率的平方成反比，所以当需要的工作频率为较低工作频率时，可以通过适当的嵌入容性电子元件实现。加入的容性电子元件的电容值范围通常在0-2pF之间，不过随着天线工作频率的变化嵌入的电容值也可能超出0-2pF的范围。当然，也可以在第一馈线11与第一金属片10之间预设多个空间，在未连接有电子元件的空间中，采用导线短接。

(3)在第一金属片的第一金属走线14上的空间6中嵌入感性电子元件和/或电阻。此处嵌入感性电子元件的目的是增加第一金属片内部谐振结构的电感值，从而对天线的谐振频率及工作带宽起到调节的作用；此处嵌入电阻的目的是改善天线的辐射电阻。至于是嵌入感性电子元件还是电阻，则根据需要而定。另外在未嵌入电子元件的空间中，采用导线短接。

(4)在第一微槽结构12及第二微槽结构13上预留的空间6中嵌入容性电子元件。嵌入容性电子元件可以改变第一金属片的谐振性能，最终改善天线的Q值及谐振工作点。作为公知常识，我们知道，通频带BW与谐振频率w0和品质因数Q的关系为：BW＝wo/Q，此式表明，Q越大则通频带越窄，Q越小则通频带越宽。另有：Q＝wL/R＝1/wRC，其中，Q是品质因素；w是电路谐振时的电源频率；L是电感；R是串的电阻；C是电容，由Q＝wL/R＝1/wRC公式可知，Q和C呈反比，因此，可以通过加入容性电子元件来减小Q值，使通频带变宽。

本发明的天线在不加入任何元件之前可以是一样的结构，只是通过在不同位置加入不同的电子元件，以及电子元件的参数(电感值、电阻值、电容值)的不同，来实现不同天线的性能参数，即实现了通用性，因此可以大幅降低生产成本。

本发明的所述空间可以是焊盘，也可以是一个空缺。焊盘的结构可以参见普通的电路板上的焊盘。当然，其尺寸的设计根据不同的需要会有所不同。

同时，本发明天线为实现天线多模化，还在第一金属片和第二金属片上分别设置非对称的第一微槽结构、第二微槽结构以及非对称的第三微槽结构、第四微槽结构。

本发明中所说的“非对称的第一微槽结构12与第二微槽结构13”是指，第一微槽结构12与第二微槽结构13两者不构成轴对称结构。换句话说，即在A表面找不到一根对称轴，使得第一微槽结构12与第二微槽结构13相对该对称轴对称设置。

同理，本发明中所说的“非对称的第三微槽结构22与第四微槽结构23”是指，第三微槽结构22与第四微槽结构23两者不构成轴对称结构。换句话说，即在B表面找不到一根对称轴，使得第三微槽结构22与第四微槽结构23相对该对称轴对称设置。

本发明中，第一微槽结构12与第二微槽结构13结构非对称，第三微槽结构22与第四微槽结构23结构非对称，因此两个位置上的电容与电感会有所不同，从而产生至少两个不同的谐振点，而且谐振点不易抵消，有利于实现天线丰富的多模化。

本发明的第一微槽结构12与第二微槽结构13的结构形式可以一样，也可以不一样。并且第一微槽结构12与第二微槽结构13的非对称程度可以根据需要调节。同理，本发明的第三微槽结构22与第四微槽结构23的结构形式可以一样，也可以不一样。并且第三微槽结构22与第四微槽结构23的非对称程度可以根据需要调节。从而实现丰富的可调节的多模谐振。

并且本发明根据需要，在同一片金属片上还可以设置更多的微槽结构，以使得所述的天线具有三个以上的不同的谐振频率。

具体的，本发明中的非对称情形可以有以下几个实施例。

图1所示为本发明天线第一介质基板第一实施方式A面视角结构示意图。图2是其B面视角图。在本实施例中，如图1所示，处于介质基板A表面的第一微槽结构12及第二微槽结构13其均为开口螺旋环结构，第一微槽结构12及第二微槽结构13不相通，但是其尺寸的不同导致二者结构的非对称；同样，如图2所示，处于介质基板B表面的第三微槽结构22及第四微槽结构23其均为开口螺旋环结构，但是其尺寸的不同导致二者结构的非对称；使得天线具有至少两个以上的谐振频率。另外，本实施例中，介质基板A表面上的第一金属片10、第一馈线11、第一微槽结构12及第二微槽结构13在B表面的投影分别与第二金属片20、第二馈线21、第三微槽结构22及第四微槽结构23重合，这样做的好处是简化工艺。

图3所示为本发明第二实施例的结构示意图。由于介质基板B表面的结构与A表面的结构相同，故此图只表示了A面的结构。本实施例中，处于介质基板A表面的第一微槽结构12及第二微槽结构13其均为开口螺旋环结构，且具有相同的尺寸，第一微槽结构12及第二微槽结构13不相通，但是由于第一微槽结构12及第二微槽结构13二者位置上的设置导致二者结构的非对称。

图4所示为本发明第三实施例的结构示意图。由于介质基板B表面的结构与A表面的结构相同，故此图只表示了A面的结构。本实施例中，处于介质基板A表面的第一微槽结构12为互补式螺旋线结构，第二微槽结构13为开口螺旋环结构，第一微槽结构12及第二微槽结构13不相通，很明显，第一微槽结构12及第二微槽结构13非对称。

另外，在上述三个实施例中，第一微槽结构及第二微槽结构还可以通过在第一金属片上镂空一条新的槽来实现第一微槽结构及第二微槽结构的连通，同样第三微槽结构及第四微槽结构也可以通过在第二金属片上镂空一条新的槽来实现第三微槽结构及第四微槽结构的连通。连通后第一微槽结构及第二微槽结构仍然为非对称结构，第三微槽结构与第四微槽结构也为非对称结构，因此，对本发明的效果不会有太大的影响，同样可以使得天线具有至少两个以上的谐振频率。

本发明中，关于天线的加工制造，只要满足本发明的设计原理，可以采用各种制造方式。最普通的方法是使用各类印刷电路板(PCB)的制造方法，当然，金属化的通孔，双面覆铜的PCB制造也能满足本发明的加工要求。除此加工方式，还可以根据实际的需要引入其它加工手段，比如RFID(RFID是Radio Frequency Identification的缩写，即射频识别技术，俗称电子标签)中所使用的导电银浆油墨加工方式、各类可形变器件的柔性PCB加工、铁片天线的加工方式以及铁片与PCB组合的加工方式。其中，铁片与PCB组合加工方式是指利用PCB的精确加工来完成天线微槽结构的加工，用铁片来完成其它辅助部分。另外，还可以通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法来加工。

本发明还提供了一种MIMO天线，所述的MIMO天线由多个上述的天线组成。此处的MIMO即是指多输入多输出。即MIMO天线上的所有单个的天线同时发射，同时接收。MIMO天线可以在不需要增加带宽或总发送功率损耗的前提下大幅度增加系统的信息吞吐量及传输距离。另外本发明的MIMO天线还具有很高的隔离度，多个天线之间的抗干扰能力强。

本发明的MIMO天线，其每个天线的第一馈线与第二馈线电连接后再与一个接收/发射机连接，所有的接收/发射机均连接到一个基带信号处理器上。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种天线，其特征在于，所述天线包括具有两相对侧面的第一介质基板和第二介质基板；所述第一介质基板第一侧面设置有第一金属片以及围绕所述第一金属片设置的第一馈线，与所述第一侧面相对的第二侧面设置有第二金属片以及围绕所述第二金属片设置的第二馈线，所述第一馈线与所述第二馈线均通过耦合方式各自馈入所述第一金属片与所述第二金属片；所述第二介质基板一侧表面与所述第一介质基板第二侧面重合，相对的另一侧表面设置有第三金属片；所述第一金属片上镂空有非对称的第一微槽结构及第二微槽结构以在所述第一金属片上形成第一金属走线，所述第二金属片上镂空有非对称的第三微槽结构及第四微槽结构以在所述第二金属片上形成第二金属走线，所述第一馈线与所述第二馈线电连接，所述第二馈线与所述第三金属片电连接，所述天线预设有供电子元件嵌入的空间。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述空间设置在所述第一馈线、所述第一馈线与所述第一金属片之间及所述第一金属片这三个位置的至少一个上。

3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述空间设置在所述第二馈线、所述第二馈线与所述第二金属片之间及所述第二金属片这三个位置的至少一个上。

4.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，所述空间设置在所述第一金属片上的第一金属走线上，或者所述空间设置在所述第一微槽结构和/或所述第二微槽结构上。

5.根据权利要求3所述的天线，其特征在于，所述空间设置在所述第二金属片上的第二金属走线上，或者所述空间设置在所述第三微槽结构和/或所述第四微槽结构上。

6.根据权利要求2或3所述的天线，其特征在于，所述电子元件为感性电子元件、容性电子元件或者电阻。

7.根据权利要求2或3所述的天线，其特征在于，所述空间为形成在所述天线上的焊盘。

8.根据权利要求6所述的天线，其特征在于，所述感性电子元件电感值的范围在0-5uH之间。

9.根据权利要求6所述的天线，其特征在于，所述容性电子元件电容值的范围在0-2pF之间。

10.一种MIMO天线，其特征在于，所述MIMO天线包括多个如权利要求1所述的天线。