CN104993233A - 高隔离度具有辐射分集特性微带贴片mimo天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高隔离度具有辐射分集特性微带贴片MIMO天线，该天线包括印刷在介质基板上表面的第一微带贴片天线单元、与该第一微带贴片天线单元配合的第二微带贴片天线单元、位于所述第一微带贴片天线单元和第二微带贴片天线单元之间并接地的圆弧形金属贴片；所述圆弧形金属贴片通过接地孔连接到位于介质基板下表面的地板上；所述地板上设有一个开口的圆环形缝隙，该圆环形缝隙与所述圆弧形金属贴片对应。本发明实现了电尺寸小，隔离度高，具有分集功能，以及便于集成加工的特点。

Description

高隔离度具有辐射分集特性微带贴片MIMO天线

技术领域

本发明涉及一种微带贴片天线，尤其是MIMO天线研究技术领域。

背景技术

随着无线通信技术的迅速发展，人们对无线终端的依赖性越来越强，传统的技术已经无法满足数据传输速率和质量的要求，MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出)技术能够在多径环境中不增加工作带宽与发射功率的前提下，提高无线信道的通信质量和容量，并且已经被列为LTE(Long Term Evolution)和4G(The fourth generation mobi lecommunication system)的核心技术之一。

当天线间距小于一个波长时，天线之间的耦合非常显著，对于天线的隔离度是一个很大的挑战。所以，对应用于移动终端的MIMO天线，提高隔离度，小型化是两个还没有得到很好解决的问题。如何设计出高隔离度的MIMO天线成为研究方向。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明设计一种高隔离度具有辐射分集特性微带贴片MIMO天线，以实现电尺寸小，隔离度高，具有分集功能，以及便于集成加工的特点。

本发明采用如下技术方案：高隔离度具有辐射分集特性微带贴片MIMO天线，该天线包括印刷在介质基板上表面的第一微带贴片天线单元、与该第一微带贴片天线单元配合的第二微带贴片天线单元、位于所述第一微带贴片天线单元和第二微带贴片天线单元之间并接地的圆弧形金属贴片；所述圆弧形金属贴片通过接地孔连接到位于介质基板下表面的地板上；所述地板上设有一个开口的圆环形缝隙，该圆环形缝隙与所述圆弧形金属贴片对应。

作为本发明的优选方案之一，所述第一微带贴片天线单元包括一个挖去半圆片的矩形贴片、与该矩形贴片连接的四分之一阻抗变换线以及与所述四分之一阻抗变换线连接的馈电线。

作为本发明的优选方案之一，所述第二微带贴片天线单元包括一个带有三组缝隙、并被镶嵌在所述第一微带贴片天线单元被挖去半圆片而空出的区域内的圆形贴片、与该圆形贴片连接的四分之一阻抗变换线以及与该四分之一阻抗变换线连接的馈电线。

作为本发明的优选方案之一，所述介质基板是由介电常数为4.4的FR4材料形成的PCB板。

作为本发明的优选方案之一，所述介质基板厚度为1.6mm，损耗角正切为0.02。

作为本发明的优选方案之一，所述圆形贴片上三组缝隙的间距W7为0.5mm，缝隙之间的距离d为6.0mm。

作为本发明的优选方案之一，所述第一、第二微带贴片天线单元中的馈电线为50欧姆馈电线。

本发明的有益效果如下：

(1)由于采用第二微带贴片天线单元镶嵌在第一微带贴片天线单元被挖去圆片而空出的区域内，使天线保持小电尺寸0.5688*λ X 0.596*λ X 0.0128*λ，其中λ代表天线的工作频率对应的波长λ＝125mm。在手机等移动终端的应用中，小尺寸可以极大地减小占用空间。

(2)本结构采用50欧姆微带线进行馈电和微带贴片作为辐射单元，使天线剖面较低，且易于加工。

(3)本天线具有稳定的辐射模式分集特性。第一微带贴片天线单元辐射方向为Phi＝0°，theta＝0°，第二微带贴片天线单元辐射方向为phi＝90°，theta＝20°。可以看出，在两个天线距离仅为0.032*λ情况下，两个天线单元的辐射特性都是非常好的，说明两个天线单元的干扰非常小。此天线具有高隔离度的特性。

(4)辐射贴片和馈电线都采用印刷结构，介质基板是介电常数为4.4的FR4材料作为PCB板最常用的板材，价格低廉，易于购买。所以，本专利制作成本低，易于加工，可批量生产，具有较大的实际应用价值。

附图说明

图1a-1b是本天线的结构示意图。其中图1a是天线的俯视图，图1b是天线的地板

图2为天线的仿真回波损耗图。

图3a-3b为辐射模式分集方向图。其中图3a为天线单元1的辐射方向图，图3b为天线单元2的辐射方向图。

元件标号说明

1a-第一微带贴片天线单元的辐射贴片

1b-第一微带贴片天线单元的四分之一阻抗变换器

1c-第一微带贴片天线单元的馈电线

2a-第二微带贴片天线单元的辐射贴片

2b-第二微带贴片天线单元四分之一阻抗变换器

2c-第二微带贴片天线单元馈电线

2d-第二微带贴片天线单元的三组裂缝

3-圆弧形金属贴片

4-圆弧形金属贴片接地孔

5-介质基板

6-公共地板

6a-地板上加载的一个开口的圆环形缝隙

L0-第一微带贴片天线单元的矩形贴片的长度

L1-第一微带贴片天线单元馈电线长度

L2-第一微带贴片天线单元的阻抗变换器长度

L3-第二微带贴片天线单元的阻抗变换器长度

L4-第二微带贴片天线单元馈电线长度

d-第二微带贴片天线单元三组裂缝开口距离

W-天线接地板的宽度

W0-第一微带贴片天线单元矩形贴片的宽度

W1-第一微带贴片天线单元馈电线宽度

W2-第一微带贴片天线单元的阻抗变换器宽度

W3-第二微带贴片天线单元的阻抗变换器宽度

W4-第二微带贴片天线单元馈电线宽度

W5-第一微带贴片天线单元与第二微带贴片天线单元之间圆弧形金属贴片宽度

W6-圆弧形金属贴片与第一微带贴片天线单元的距离

W7-圆弧形金属贴片三组裂缝之间的裂缝距离

W8-天线接地板开口的圆环形缝隙宽度

R1-第二微带贴片天线单元圆形贴片的半径

R2-第一微带贴片天线单元矩形贴片挖去圆片的半径

R3-天线接地板开口的圆环形内半径

deg-天线接地板开口的圆环形的角度

x,y,z-坐标轴

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

高隔离度具有辐射分集特性微带贴片MIMO天线，该天线包括印刷在介质基板上表面的第一微带贴片天线单元、与该第一微带贴片天线单元配合的第二微带贴片天线单元、位于所述第一微带贴片天线单元和第二微带贴片天线单元之间并接地的圆弧形金属贴片；所述圆弧形金属贴片通过接地孔连接到位于介质基板下表面的地板上；所述地板上设有一个开口的圆环形缝隙，该圆环形缝隙与所述圆弧形金属贴片对应。所述第一微带贴片天线单元包括一个挖去半圆片的矩形贴片、与该矩形贴片连接的四分之一阻抗变换线以及与所述四分之一阻抗变换线连接的馈电线。所述第二微带贴片天线单元包括一个带有三组缝隙、并被镶嵌在所述第一微带贴片天线单元被挖去半圆片而空出的区域内的圆形贴片、与该圆形贴片连接的四分之一阻抗变换线以及与该四分之一阻抗变换线连接的馈电线。

下面结合附图和实施对本发明进一步说明。

为了解决当前MIMO天线隔离度低的问题，本发明采用一个圆弧形接地金属贴片，通过接地，有效地减小两个天线靠近的边缘处的近场耦合，并且可以有效的第二微带贴片天线单元的辐射方向图，实现天线的辐射方向分集，从而获得高的端口隔离度。

本发明所设计的MIMO天线由五部分组成：第一微带贴片天线单元，第二微带贴片天线单元，圆弧形金属贴片，接地孔，地板，如图1a和1b所示，具体的尺寸参数如表1所示。

表1，附图中所示的结构参数如下表(单位：mm)

表1：天线结构参数表(mm)

表中的字母代表图中的几何尺寸参数，在图1中有标示。

图1a和图1b中微带贴片1a，1b，1c，2a，2b，2c，2d和圆弧形金属贴片3印刷在介电常数为4.4，厚度为1.6mm，损耗角正切为0.02的介质基板5上。1a是一个矩形辐射贴片，挖去一个半径为R2的圆；1b连接在1a和1c之间，起到阻抗变换的作用，1c是50欧姆馈电线，这三个部分组成了天线单元1。2a是一个半径为R1的圆形辐射贴片；在圆形辐射贴片上刻间距为W7的三组缝隙2d，缝隙之间的距离为d，这三组缝隙用来实现天线2的小型化和改善天线的匹配特性；2b连接在2a和2c之间，起到阻抗变换的作用；2c是50欧姆馈电线，这四个部分组成了天线单元2。天线2越小，在不改变两个天线中心位置的情况下，就可以增大两个天线边缘间距，从而进一步改善天线的隔离度。

圆弧形金属贴片3处在第一微带贴片天线单元和第二微带贴片天线单元之间，该结构通过接地孔4连接到公共地板6。通过接地，有效地减小两个天线单元靠近边缘处的近场耦合，并且可以有效的改变天线单元2的辐射方向图，实现天线的辐射方向分集，从而获得高的端口隔离度。

介质基板5使用大小为71.1mm*74.52mm的相对介电常数为4.4，厚度为1.6mm，损耗角正切为0.02的FR4介质基板。介质基板上表面印刷第一微带贴片天线单元，第二微带贴片天线单元及圆弧形金属贴片，下表面和公共地板6相连。连接圆弧形金属贴片3和公共地板6的接地孔4通过介质基板5。

天线公共地板6的结构如图2所示。天线的公共地板加载一个开口的圆环形缝隙6a，该缝隙可以有效地减小两个天线在地板上相互耦合的表面电流，从而有效地减小端口耦合度，从而减小两个天线的空间耦合程度，最终减小两个天线的端口隔离度。开口的圆环形缝隙6a正好和介质基板上的圆弧形金属贴片3上下对应，其两端通过过孔连接。金属圆弧贴片3和开口圆环缝隙6a的宽度和弧度数都可以调节。

用电磁仿真软件HFSS对天线模型进行仿真优化，确定尺寸参数，得到天线的回波损耗曲线，附图中图2为天线的仿真回波损耗图，图3a为天线单元1的辐射方向图，图3b为天线单元2的辐射方向图。第一微带贴片天线单元辐射方向为Phi＝0°，theta＝0°，第二微带贴片天线单元辐射方向为phi＝90°，theta＝20°。可以看出，在两个天线距离仅为0.032*λ情况下，两个天线单元的辐射特性都是非常好的，说明两个天线单元的干扰非常小，此天线具有高隔离度的特性。仿真结果较好，验证本发明的可实施性。

本发明利用缺陷地结构(DGS)很大程度上提高MIMO天线端口之间的隔离度。设计的这款MIMO天线，天线工作于2.4GHz，天线单元之间的距离只有0.032*λ，并且实现了工作频点较高的端口隔离度。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.高隔离度具有辐射分集特性微带贴片MIMO天线，其特征在于：该天线包括印刷在介质基板上表面的第一微带贴片天线单元、与该第一微带贴片天线单元配合的第二微带贴片天线单元、位于所述第一微带贴片天线单元和第二微带贴片天线单元之间并接地的圆弧形金属贴片；所述圆弧形金属贴片通过接地孔连接到位于介质基板下表面的地板上；所述地板上设有一个开口的圆环形缝隙，该圆环形缝隙与所述圆弧形金属贴片对应。

2.根据权利要求1所述的高隔离度具有辐射分集特性微带贴片MIMO天线，其特征在于：所述第一微带贴片天线单元包括一个挖去半圆片的矩形贴片、与该矩形贴片连接的四分之一阻抗变换线以及与所述四分之一阻抗变换线连接的馈电线。

3.根据权利要求2所述的高隔离度具有辐射分集特性微带贴片MIMO天线，其特征在于：所述第二微带贴片天线单元包括一个带有三组缝隙、并被镶嵌在所述第一微带贴片天线单元被挖去半圆片而空出的区域内的圆形贴片、与该圆形贴片连接的四分之一阻抗变换线以及与该四分之一阻抗变换线连接的馈电线。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的高隔离度具有辐射分集特性微带贴片MIMO天线，其特征在于：所述介质基板是由介电常数为4.4的FR4材料形成的PCB板。

5.根据权利要求4所述的高隔离度具有辐射分集特性微带贴片MIMO天线，其特征在于：所述介质基板厚度为1.6mm，损耗角正切为0.02。

6.根据权利要求3所述的高隔离度具有辐射分集特性微带贴片MIMO天线，其特征在于：所述圆形贴片上三组缝隙的间距W7为0.5mm，缝隙之间的距离d为6.0mm。

7.根据权利要求3所述的高隔离度具有辐射分集特性微带贴片MIMO天线，其特征在于：所述第一、第二微带贴片天线单元中的馈电线为50欧姆馈电线。