CN105048081B - 一种八单元超宽带mimo天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种八单元超宽带MIMO天线，包括介质基板、设于介质基板下层的接地板、分别对称设置于所述介质基板上层四个周角位置的四个相同的辐射区域，辐射区域包括位于介质基板周角的形状为一摆锤型第一地支结构，摆锤端与介质基板周线重合；沿第一地支结构中心轴对称分布的第一和第二天线单元，第一和第二天线单元正交馈电连接，在第一天线单元靠第一地支结构沿线侧有第一L型凹槽，第一馈线一端与第一天线单元相连，另一端设有第一馈电端口；在第二天线单元靠第一地支结构沿线侧有第二L型凹槽，第二馈线一端与第一天线单元相连，另一端设有第二馈电端口。本发明的八单元超宽带MIMO天线，具有高隔离度低互耦、尺寸小，低成本的优点。

Description

一种八单元超宽带MIMO天线

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种超宽带MIMO天线。

背景技术

宽带化是未来通信系统发展必然的趋势。超宽带(UWB)技术是一种新型的无线通信技术。它具有抗衰落、抗干扰、容量大、速率高、功率低等突出优点，被认为是无线通信领域具有革命性的技术。早期，超宽带天线主要用于军事上面的雷达领域。自2002年2月14日起，美国联邦通信委员会(FCC)批准将3.1GHz-10.6GHz的波段用于民用，应用领域主要是室内无线通信、雷达定位系统。超宽带天线从此称为学术界和工业界研究的热点。

多输入多输出(MIMO)技术同样也是近年以来宽带无线通信的重要技术之一，该技术在不额外增加频谱资源和天线发射功率的情况下，能够成倍的提高系统的信道容量，大大地提高了频谱效率，被视为下一代移动通信的核心技术。MIMO天线设计的难点在于如何实现在有限的空间里集成多个天线单元，并且获得较低的互耦系数。

将超宽带技术和MIMO天线相结合能够很好的提高系统的链路可靠性以及适配能力。与窄带无线通信相比，它能够将多径衰落降到最低，进一步的提高传输速度和质量。而且对于目前已有的超宽带MIMO天线设计报道来看，绝大部分还停留在二单元和四单元，其中大部分设计的带宽都很窄，隔离度也不高，尺寸还比较大，根本无法满足移动设备小型化发展的需要。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种八单元超宽带MIMO天线，其具有隔离度高、结构简单、体积小的优点，符合当下无线通信设备小型化的趋势。此外，由于采用八个天线单元，大大提高了无线传输效率，增加了信道容量，满足人们日益增长的对高的无线传输速率的需求。

本发明提出的一种八单元超宽带MIMO天线，采用了如下的技术方案：

一种八单元超宽带MIMO天线，包括介质基板、设于介质基板下层的接地板、分别对称设置于所述介质基板四个周角位置的四个相同的辐射区域，其中，所述辐射区域包括，

位于介质基板周角位置的第一地支结构，其形状为一摆锤型，摆锤端与介质基板周线重合；

沿所述第一地支结构中心轴对称分布在介质基板上层的第一天线单元和第二天线单元，第一天线单元和第二天线单元正交馈电连接，两个天线单元垂直间距为2.5mm-3.0mm，并且第一天线单元与所述第一地支结构沿介质基板边线垂直间隔距离为0.4mm-0.6mm；

在第一天线单元靠第一地支结构沿线侧有一第一L型凹槽，第一馈线一端与第一天线单元相连，另一端设有第一馈电端口；

在第二天线单元靠第一地支结构沿线侧有一第二L型凹槽，第二馈线一端与第一天线单元相连，另一端设有第二馈电端口。

优选地，在所述各个地支结构底部两侧均设置一矩形凹槽。

优选地，在所述接地板四条周线中间位置均设置一谐振槽，四个谐振槽相对于所述接地板中心对称。

优选地，所述八单元超宽带MIMO天线采用印刷单极子。

优选的，所述八单元超宽带MIMO天线适用于3.1GHz-10.6GHz频段。

本发明可以获得以下的有益效果：

(1)、本发明设计的具有八个天线单元的超宽带MIMO天线，具有高隔离度、低互耦、结构紧凑、尺寸小，低成本，适用于绝大部分无线传输设 备。

(2)、本发明采用正交馈电方式，各个天线单元间隔离度都很高。每个天线单元都能独立工作，且具有良好的辐射特性。

(3)、本发明所设计的摆锤形地支隔离结构，有效的在整个频段上减小了各辐射区域中两个天线单元之间的耦合系数，且结构简单，易于实现。

(4)、本发明所设计的置于地支结构底部两侧的矩形凹槽隔离结构，有效的扩展了带宽，并进一步减小了各辐射区域中两个天线单元之间的耦合系数。

(5)、本发明所设计的谐振槽隔离结构有效的减小了各辐射区域间相邻天线单元之间的耦合系数。

(6)、本发明所设计的天线各个天线单元之间的隔离度均大于15dB。

(7)、本发明采用印刷单极子，平面结构设计，方便集成到电路板中，适用于小型移动通信设备。

(8)、本发明所设计的八单元超宽带MIMO天线，以很小的尺寸面积，频率覆盖了超宽带通信所需的3.1GHz-10.6GHz频段。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明的八单元超宽带MIMO天线结构示意图；

图2是本发明的八单元超宽带MIMO天线的辐射区域示意图；

图3是本发明所设计的八单元超宽带MIMO天线回波损耗以及其它隔离 度S参数示意图；

图4是本发明所设计的八单元超宽带MIMO天线四个辐射区域中第一天线单元1a和第二天线单元2a之间隔离度S12参数示意图；

图5是本发明所设计的八单元超宽带MIMO天线四个辐射区域之间第一天线单元1a和第八天线单元8a之间隔离度S18参数示意图；

图6是本发明所设计的八单元超宽带MIMO天线尺寸示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的八单元超宽带MIMO天线，它包括了相对介电常数为4.4、损耗正切值为0.02，厚度为0.8mm的FR4介质基板13、设于介质基板下层的接地板10，分别设置于所述介质基板上层四个周角位置的第一辐射区域1、第二辐射区域2、第三辐射区域3、第四辐射区域4，这四个辐射区域结构大小完全一致且彼此之间两两对称。

如图一所示，以第一辐射区域1为例介绍其内部结构，第一辐射区域1 包括位于介质基板周角的第一地支结构11a，其形状为一摆锤形，摆锤端与介质基板周线重合；沿第一地支结构11a中心轴对称分布的第一天线单元1a和第二天线单元2a，且第一天线单元与第二天线单元采用正交馈电方式连接，第一馈线1d一端与第一天线单元相连，另一端设有第一馈电端口1p； 第二馈线2d一端与第二天线单元相连，另一端设有第二馈电端口2p。

第一地支结构11a用于改善第一天线单元与第二天线单元之间的接地电流和空间电流，使得关于其中心轴对称分布的第一天线单元和第二天线单元之间保持良好的隔离度。

在第一天线单元上层靠第一地支结构沿线侧设有第一L型凹槽，在第二天线单元上层靠第一地支结构沿线侧设有第二L型凹槽，这些L型凹槽相当于一个低频谐振器，将辐射区域的电流很好的引入L型凹槽短边端以减小第一天线单元和第二天线单元间的空间电流影响，大大改善了低频段的隔离度。

分别在各个摆锤形地支结构底部两侧开槽来改善高频段的隔离度。

八单元超宽带MIMO天线划分为四个辐射区域，在这四个辐射区域下方的接地板上设置四个谐振槽，以改善这四个辐射区域之间相邻的天线单元(如第一天线单元1a和第八天线单元8a、第二天线单元2a和第三天线单元3a、第四天线单元4a和第五天线单元5a、第六天线单元6a和第七天线单元7a)之间的隔离度。

八单元超宽带MIMO天线具有八个结构完全相同的辐射单元，并采用印刷单极子天线，平面结构对称布局，充分减小了所述天线的尺寸。

本实施例中的八单元超宽带MIMO天线可以人为的划分为四个辐射区域，每个区域中关于地支结构相互对称的天线单元均采用正交馈电的方式。其中每个辐射区域中互为对称的天线单元之间的形如摆锤的地支结构，用于改善两个天线单元之间的接地电流和空间电流，使两个单元天线保持良好的隔离度。

首先要设计一款工作在超宽带频段范围内的天线单元，将八个天线单元以两个为一组(如第一天线单元1a和第二天线单元2a、第三天线单元3a和第四天线单元4a、第五天线单元5a和第六天线单元6a、第七天线单元7a和第八天线单元8a、八条馈线(如第一馈线1d和第二馈线2d、第三馈线3d和第四馈线4d、第五馈线5d和第六馈线6d、第七馈线7d和第八馈线8d)以及八个馈电端口(如第一馈电端口1p和第二馈电端口2p、第三馈电端口3p和第四馈电端口4p、第五馈电端口5p和第六馈电端口6p、 第七馈电端口7p和第八馈电端口8p)呈对称状置于介质基板正面的四个顶角区域，各自形成第一辐射区域、第二辐射区域、第三辐射区域、第四辐射区域。由于各个辐射区域中的各天线单元结构、馈线、馈电端口等都是相同的，所以它们的S参数曲线也是相同的。下面仅以第一辐射区域1为例来简述下提高该区域中两个天线单元(第一天线单元和第二天线单元) 间隔离度的实施过程：

由图四中曲线1可知，其中曲线1为两天线仅正交馈电；曲线2为两天线间加入地支结构；曲线3为加入“L”形槽；曲线4为加入地板矩形凹槽位于第一辐射区域中互相对称的两个天线单元，在未加入任何解耦措施的时候两个天线单元间的隔离度比较好，均小于-10dB，这是因为本实施例采用了正交馈电的方式，使两个天线单元上面的电流相互正交，从而产生双极化，有效的降低了天线单元间的耦合度。

为了进一步减小天线单元之间的隔离度，本实施例采用了隔离结构—形如“摆锤”的地支结构11a来减小接地电流的影响，由图四中曲线2可知，在加入了该地支结构之后，两个天线单元之间的隔离度明显变好，大部分频段的隔离度已经降到-15dB左右。

本实施例在互相对称的两个天线单元上面均引入一个“L”形凹槽结构 (1b和2b)，将天线单元上面的电流聚集在“L”形凹槽的短边端，其作用相当于一个低频谐振器。由图四中曲线3可以明显观察到在加入该L形凹槽之后，很好的解决了低频段隔离度恶化的情况，此时隔离度已经降到接近-30dB。

为了再次改善两个天线单元之间高频部分的隔离度，本实施例在每个天线单元下方的接地处的接地板设置矩形凹槽(第一矩形凹槽1c和第二矩形凹槽2c)，通过增加接地电流的移动路径，从而降低两天线单元间的隔离度。由图四中曲线4可知，在加入了矩形凹槽后，高频部分的隔离度也明显好转，大部分在-20dB左右。同时也扩展了高频带宽，并同时具有良好的阻抗匹配作用。

如图五所示，其中曲线1为顶角辐射区域之间下方地板未做任何措施；曲线2为顶角辐射区域之间下方地板下方挖了谐振槽，此时各个区域中两天线单元间的解耦已经完成。然而将八个天线单元均置于介质基板上层的四个角落区域之后。由图五中曲线1可以看出，分布于介质板正面顶角的四个辐射区域间相邻的两个天线(如天线单元1a和天线单元8a、天线单元2a和天线单元3a、天线单元4a和天线单元5a、天线单元6a和天线单元 7a)间隔离度很糟糕(由于8个天线单元结构相同且对称，故它们之间的隔离度相同，此处仅以第一天线单元1a和第八天线单元8a为例)，本实施例在这两个天线单元下方的接地板10上引入谐振槽解耦结构(第一谐振槽12a、第二谐振槽12b、第三谐振槽12c和第四谐振槽12d)，由图五中的曲线2可知，第一天线单元1a和第八天线单元8a之间的隔离度明显改善。

由此，本发明的高隔离度八单元的紧凑型超宽带MIMO天线就设计完成了。如图6所示的八单元超宽带MIMO天线，其设计出的具体尺寸为：正方形介质基板边长L在67-68mm，厚度为0.8mm；摆锤形的第一地支结构沿介质基板对角线方向的摆片长L4为15mm-17mm，第一地支结构沿介质基板边线的摆锤边长W5为5mm-7mm，第一天线单元1a与第一地支结构沿介质基板边线垂直间隔距离h1为0.4mm-0.6mm，第一天线单元自身沿介质基板边线的长度L1为7mm-7.5mm，在第一天线单元靠第一地支结构沿线侧有一第一L型凹槽，L型凹槽的长边长度L5为5mm-6mm，短边长度W9为3mm-4mm，且长边和短边宽度均为w10，取值1mm，第一天线单元与第二天线单元的垂直间距w3为2.5mm-3.0mm，第一馈线1d与第一天线单元相连，且第一天线单元下沿线左端点与第一馈线间距L2为3.5mm-3.8mm，第一天线单元下沿线右端点与第一馈线间距L3为5.5mm-6.5mm，第一馈线宽度w6为 1.80-1.88mm，第一馈线左端与介质基板左沿线距离L6为9-9.5mm，第一馈线右端与第一矩形凹槽左沿线间距L7为7.0-7.5mm，第一馈线下方沿介质基板边线h5距离处线设置第一谐振槽，h5取值范围为3.6mm-3.7mm，第一馈线形状如图6所示，由宽w7为2.0mm、长L8为12.5mm的长方形和边长w8为4mm的正方形构成，第一矩形凹槽宽度w1为1.00mm。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种八单元超宽带MIMO天线，包括介质基板(13)、设于介质基板下层的接地板(10)，其特征在于，

还包括分别对称设置于介质基板四个周角位置的四个相同的辐射区域，其中，所述辐射区域包括，位于介质基板周角位置的第一地支结构(11a)，其形状为一摆锤型，摆锤端与介质基板周线重合；沿所述第一地支结构中心轴对称分布在介质基板上层的第一天线单元(1a)和第二天线单元(2a)，第一天线单元(1a)和第二天线单元(2a)正交馈电连接，两个天线单元垂直间距为2.5mm-3.0mm，并且第一天线单元(1a)与所述第一地支结构沿介质基板边线垂直间隔距离为0.4mm-0.6mm；

在第一天线单元靠第一地支结构沿线侧有一第一L型凹槽，第一馈线 (1d)一端与第一天线单元相连，另一端设有第一馈电端口(1p)；

在第二天线单元靠第一地支结构沿线侧有一第二L型凹槽，第二馈线 (2d)一端与第一天线单元相连，另一端设有第二馈电端口(2p)；

在所述接地板四条周线中间位置分别设置一谐振槽，并且四个谐振槽相对于所述接地板中心对称。

2.如权利要求1所述的八单元超宽带MIMO天线，其特征在于，在所述各个天线单元下方接地处的接地板上均设置一凹槽。

3.如权利要求2所述的八单元超宽带MIMO天线，其特征在于，在所述各个天线单元下方接地处的接地板上均设置一矩形凹槽。

4.如权利要求1-3任意一项所述的八单元超宽带MIMO天线，其特征在于，所述八单元超宽带MIMO天线采用印刷单极子。

5.如权利要求1-3任意一项所述的八单元超宽带MIMO天线，其特征在于，所述八单元超宽带MIMO天线适用于3.1GHz-10.6GHz频段。