CN104638369A - 一种超宽带半切圆形缝隙mimo天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超宽带半切圆形缝隙MIMO天线，包括印制在基板背面的地板、第一天线单元、第二天线单元、设置在基板边缘的第一激励端口和第二激励端口，第一天线单元和第二天线单元形成对称结构，第一天线单元和第二天线单元均为半切圆形缝隙天线单元，且第一天线单元和第二天线单元分别被放置在基板的两侧，第一天线单元和第二天线单元对称轴处的地板上印制有地板细缝组；所述第一、二天线单元包括印制在地板的半圆形缝隙和印制在基板正面的半圆形馈线。本MIMO天线不仅能提高隔离度，还具有易于加工，且改善阻抗带宽，尺寸小的特点。

Description

一种超宽带半切圆形缝隙MIMO天线

技术领域

本发明涉及MIMO天线领域，更具体地，涉及一种利用地板细缝结构提高隔离度的小型超宽带（UWB）半切圆形缝隙MIMO天线。

背景技术

在过去的二十年里，移动通信技术和移动通信业务取得了巨大的进步。如今第四代移动通信系统已投入商用，如LTE-Advanced系统和WirelessMAN-Advanced系统。其中LTE-Advance系统的上行速率可达500Mbps，下行速率可达1Gbps。尽管第四代移动通信系统（4G）相较于第三代移动通信系统（3G）明显改善了移动通信空中链路的质量，从而使得运营商能改善原有通信业务的质量。但是随着移动用户数量和需求的日益增长，而目前移动通信系统可利用的频率资源又十分有限。这一现状催生了通信领域对能更有效利用频谱资源的新技术—MIMO（Multiple-Input-Multiple-Output）技术的发明与研究。

MIMO技术对于尽可能接近甚至突破无线传输信道的物理限制有着明显的优势：一是原数据流被分成N路子数据流并行发送，提高了数据的传输速率；二是原数据流被分为N路子数据流并行发送，为接收机提供更多的独立样本，提高信噪比。如今，MIMO技术已被视为第四代移动通信技术的核心技术，甚至在未来的第五代移动通信技术也占有及其重要的位置。而MIMO天线的设计能从根本上影响系统实现好坏的因素，因此一个性能好的MIMO天线是具有重大的工程应用价值的。

随着小型化平面化移动通信终端的推广，现今大多数通信设备都要求MIMO天线在保持能获得好性能的状态下，尺寸尽可能的小。然而天线的辐射增益和阻抗带宽会随着MIMO天线尺寸的减小而减小，辐射方向图也会发生畸变，更重要的是天线单元的耦合也会随天线尺寸的减小而大幅增强。这会导致天线单元间的相关性大大的增加，结果MIMO通信系统的信道容量也自然随之降低。目前已经报道的数目不多的超宽带MIMO天线都存在尺寸大且结构复杂的问题。因此如何在有限的尺寸内实现超宽带，低互耦的天线是MIMO天线设计亟待解决的难题。

发明内容

为了克服上述现有技术的至少一种不足，本发明提出一种利用地板细缝结构提高隔离度的小型超宽带（UWB）半切圆形缝隙MIMO天线。本MIMO天线不仅能提高隔离度，还具有易于加工，且改善阻抗带宽，尺寸小的特点。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种超宽带半切圆形缝隙MIMO天线，包括印制在基板背面的地板、第一天线单元、第二天线单元、设置在基板边缘的第一激励端口和第二激励端口，第一天线单元和第二天线单元形成对称结构，第一天线单元和第二天线单元均为半切圆形缝隙天线单元，且第一天线单元和第二天线单元分别被放置在基板的两侧，第一天线单元和第二天线单元对称轴处的地板上印制有地板细缝组；所述第一、二天线单元包括印制在地板的半圆形缝隙和印制在基板正面的半圆形馈线。

本发明采用半圆形缝隙天线，减小天线的尺寸，改善天线的阻抗带宽；同时利用地板细缝结构提高MIMO天线单元间的隔离度。通过两者结合，本发明提出了一种尺寸小、隔离度高、结构简单的超宽带MIMO天线，它适合作为如手机等移动终端设备的MIMO天线，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，或提供复用增益，提高系统的信道容量。

优选的，所述地板细缝组包括若干条地板细缝，各细缝是等长等宽，且相邻细缝间的间距相同。

为了减小由地板表面波引起的互耦，本发明提出利用地板细缝结构来减小天线单元间的互耦，提高天线单元间的隔离度。对于传统地板结构的MIMO天线，当天线单元被激励时，就会在系统地板上产生大量的地板电流，并且会有大量的地板电流从第一天线单元的激励端口流向第二天线单元的第二激励端口。本发明通过在两个天线单元之间的地板中央增加一组同宽同长同间距的细缝。这种地板结构能有效地将从第一激励端口流向第二激励端口的地板电流限制在细缝结构中，从而极大地减小了从第一激励端口流向第二激励端口的地板电流。因此两天线单元之间的隔离度得到有效地提高。而且地板细缝结构不会额外占用空间，加工制作也比较简单。而在两天线单元之间仅引入唯一的一组集中型的地板细缝能很好的保证的MIMO天线地板的完整性，为其余的射频电路设计预留了很大的可用空间。

优选的，所述半切圆形缝隙天线单元的制作方式为：以正方形地板中心为圆心，在地板上印制一个圆形缝隙，并通过一段50欧姆的圆形馈线进行馈电，；采用半切方法对圆形缝隙天线单元进行切割，使切割后的半切圆形缝隙天线单元包括半圆形缝隙和半圆形馈线。

本发明首先制作了圆形缝隙作为MIMO天线系统的天线单元，其是印制在正方形地板的中心，并通过一段50欧姆的圆形馈线进行馈电。为了减小天线单元的尺寸，将圆形缝隙天线单元进行半切。应用了半切技术方法的半圆形缝隙天线单元的地板长度和半径都与原圆形缝隙天线单元保持一致，只是圆形缝隙变成了半切圆形缝隙，圆形馈线变成了半切圆形馈线，地板的面积也减小了一半。因为半切圆缝隙的输入阻抗比圆形缝隙的输入阻抗大，所以能更好地与50欧姆的馈线匹配，形成超宽带的阻抗带宽。半切圆形缝隙天线单元在尺寸和阻抗特性上能更好满足MIMO天线的要求，所以最终选用半切圆形缝隙天线单元作为MIMO天线的天线单元。

优选的，所述地板细缝组包括9条等长等宽的地板细缝，且相邻细缝间的间距相同。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

对于天线而言，如果要拓宽天线带宽或者降低天线工作频段，就要增大天线的谐振路径的长度。但是这样就会相应增大天线的尺寸大小。已有的适用于移动终端设备的小型MIMO天线，都存在着不能很好平衡宽带宽与小尺寸这一矛盾的问题。而本发明提出采用半切技术的方法，能有效地改善MIMO天线单元的阻抗匹配，达到能同时拓宽MIMO天线的带宽和减小MIMO天线的尺寸的效果，适合用于各种小型终端设备的天线系统中。

已有小型MIMO天线设计，主要利用地板缺陷枝节、外置去耦网络、寄生单元和归一化技术等方法提高天线单元间的隔离度，但是这些结构只适合应用于窄带的天线中，而且还会额外地增大天线的原有尺寸。而本发明提出的地板细缝结构能在不增加天线尺寸的情况下有效地在整个超宽带工作带宽内提高天线单元间的隔离度，并且仅仅引入唯一的一组集中型的细缝能对保证天线地板的完整性，为其余射频电路预留空间很有利。

本发明提出的在不牺牲天线阻抗带宽的前提下，能同时实现减小天线单元尺寸和提高隔离度的双全设计，这对现实的应用十分有必要。与已有移动终端设备的超宽带MIMO天线设计相比较，本发明具有更小的尺寸，更简单的结构、超宽带的阻抗带宽，更高的隔离度，从而可以节省加工时间，降低生产成本，并且能适用于更多种多功能小型手持设备中。

附图说明

图1是由圆形缝隙天线单元半切获取半圆缝隙天线单元的示意图。

图2是圆形缝隙天线单元和半圆缝隙天线单元频率响应的电磁仿真曲线。

图3是传统的地板结构的MIMO天线的示意图。

图4是本发明所涉带有地板细缝结构MIMO天线的结构示意图。

图5是图3、4的频率响应的电磁仿真曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的实施方式并不限于此。

其中：图1（a）为圆形缝隙天线单元，图1（b）为本发明所涉及利用半切技术的半圆缝隙天线单元，图2为图1中涉及的圆形缝隙天线单元和半圆缝隙天线单元的|S₁₁|频率响应曲线图。

图1中，11-FR4介质基板，12-FR4介质基板的正面，13-FR4介质基板的背面，14-印制在FR4介质基板背面的地板，15-印制在地板的圆形缝隙，16-印制在FR4介质基板正面的50欧姆圆形馈线，17-圆形缝隙天线单元的激励端口，19-利用半切技术得到的半圆缝隙，20-利用半切技术得到了50欧姆半圆馈线，21-半圆缝隙天线单元的激励端口。

图3为传统地板结构的MIMO天线结构图，图4为本发明所涉及利基于地板细缝结构来提高天线单元间隔离度的MIMO天线，

图3、4中，18a-第一天线单元、18b-第二天线单元、19a-为第一半切圆形缝隙、19b-第二半切圆形缝隙、20a-第一圆形馈线、20b-第二圆形馈线、21a-第一激励端口、21b-第二激励端口、22为印制在地板上的地板细缝组。

图5为图3、4中涉及的传统地板结构的MIMO天线和利用地板细缝结构来提高天线单元间隔离度的MIMO天线的|S₁₁|和|S₂₁|频率响应曲线图。

本实施例中设计了一种结构简单，易于加工的圆形缝隙MIMO天线，并提出利用半切技术来改善阻抗带宽和减小尺寸的方法；同时还提出利用地板细缝结构来提高MIMO天线单元间隔离度的方法。本MIMO天线克服了现有的MIMO天线阵无法同时实现小尺寸、低互耦、超宽带以及易加工的难题。

图4中的Ant-2为本发明所涉及的利用地板细缝结构来提高天线单元间隔离度的小型超宽带半切圆形缝隙MIMO天线。它包含了两个天线单元，分别为第一天线单元18a和第二天线单元18b；两个激励端口，分别为第一、二天线单元对应第一激励端口21a和第二激励端口21b，系统地板14和包括由9根地板细缝的组成地板细缝组22。两个半圆缝隙天线单元和系统地板14被印制在FR4基板的背面13，第一天线单元18a由印制在FR4基板正面12的一组50欧姆的圆形馈线20a进行馈电；第二天线单元18b由印制在FR4基板正面12的另一组50欧姆圆形馈线20b进行馈电。被印制在FR4基板背面的地板14中央的地板细缝组22包括9根地板细缝。这组地板细缝的长度与地板长度相等，并且相互之间同长同宽，而且相邻的间距相同。

半切技术的作用，从比较图1中Ant-1和Ant-2的尺寸大小以及图2所示的频率响应的电磁仿真曲线可以得到很好的理解。从图1可以观察到，半切技术能使圆形缝隙天线单元的尺寸有效地减小一半。而比较图2的所示的两天线单元的频率响应的电磁仿真曲线可以看出，虽然天线单元的尺寸减小了，但是天线单元的阻抗匹配却得到了改善，尤其是在超宽带频段内的低频段，从而增加了阻抗带宽（|S₁₁|≤-10 dB）。由此可见，本发明提出的半切技术不仅能减小了天线单元的尺寸还能拓宽了天线单元的阻抗带宽。

地板细缝结构的作用，从比较图3、4所示的两个MIMO天线的频率响应的电磁仿真曲线（如图5所示）可以看出，相对于传统地板结构的MIMO天线Ant-1而言，使用地板细缝结构的MIMO天线Ant-2的|S₂₁|大幅度的减小，尤其是在超宽带频段内的中低频段。同时引入了地板细缝结构对于MIMO天线的|S₁₁|，即阻抗带宽，并没有负面的影响。由此可见，地板细缝结构在没有额外增加MIMO天线的尺寸或者牺牲MIMO天线的阻抗带宽的前提下，能够很好地起到阻碍地板表面电流从MIMO天线的一个端口流向另一个端口的作用，从而提高MIMO天线单元间隔离度。

本发明将半切技术应用到MIMO天线设计中，利用唯一的一组地板细缝结构减小MIMO天线单元间的耦合，达到提高隔离度的效果，将地板细缝结构和半切技术的结合，保证不牺牲天线阻抗带宽，能同时实现减小天线单元尺寸和提高隔离度。

以上所述的本发明的实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神原则之内所作出的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种超宽带半切圆形缝隙MIMO天线，包括印制在基板背面的地板、第一天线单元、第二天线单元、设置在基板边缘的第一激励端口和第二激励端口，第一天线单元和第二天线单元形成对称结构，其特征在于，第一天线单元和第二天线单元均为半切圆形缝隙天线单元，且第一天线单元和第二天线单元分别被放置在基板的两侧，第一天线单元和第二天线单元对称轴处的地板上印制有地板细缝组；所述第一、二天线单元包括印制在地板的半圆形缝隙和印制在基板正面的半圆形馈线。

2.根据权利要求1所述的超宽带半切圆形缝隙MIMO天线，其特征在于，所述地板细缝组包括若干条地板细缝，各细缝是等长等宽，且相邻细缝间的间距相同。

3.根据权利要求1或2所述的超宽带半切圆形缝隙MIMO天线，其特征在于，所述半切圆形缝隙天线单元的制作方式为：以正方形地板中心为圆心，在地板上印制一个圆形缝隙，并通过一段50欧姆的圆形馈线进行馈电；采用半切方法对圆形缝隙天线单元进行切割，使切割后的半切圆形缝隙天线单元包括半圆形缝隙和半圆形馈线。

4.根据权利要求3所述的超宽带半切圆形缝隙MIMO天线，其特征在于，所述地板细缝组包括9条等长等宽的地板细缝，且相邻细缝间的间距相同。