CN105406184A - 一种新型超宽带mimo天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型超宽带MIMO天线，包括介质基板，所述介质基板的正面印制关于介质基板中线对称的两个梯形辐射单元，所述介质基板的背面印制地板，还包括两条输入端馈线，所述输入端馈线与梯形辐射单元连接，所述梯形辐射单元的外侧设置U形延伸枝节，所述U形延伸枝节与梯形辐射单元连接。本发明具有宽带宽，有效兼容蓝牙，WIMAX，WLAN，UWB的多个通信频段，高隔离度，结构简单，体积小，质量轻，易于制作及便于集成和调节等优点，适用于包括手机在内的各类小型移动终端。

Description

一种新型超宽带MIMO天线

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种新型超宽带MIMO天线。

背景技术

随着现代无线通信技术的迅速发展，通信系统对天线的要求越来越高，可工作于多个频带的超宽带多入多出Multiple-input-multiple-output(MIMO)天线是近年来研究的热点。MIMO技术，因为能够大幅度增加信道容量，而且不需要额外的增加频谱范围和输入功率，日益成为天线设计新的重要研究方向。超宽带ultra-wideband(UWB)是一种具有很宽频带3.1GHz-10.6GHz，应用于大容量、高数据传输速率的无线便携式设备中的通信技术。为了进一步更大幅度的增加信道容量，近些年来，MIMO技术逐渐引入到超宽带天线的设计中来。考虑到覆盖多个常用通信系统频段的需要，比如：蓝牙Bluetooth系统的2.4GHz-2.484GHz，无线局域网系统wirelesslocalareanetwork(WLAN)的2.4GHz-2.484GHz,5.15GHz-5.35GHz,5.725GHz-5.825GHz，全球微波互联接入系统WiMAX(WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess)的2.5GHz-2.69GHz,3.4GHz-3.69GHz,5.25GHz-5.85GHz，超宽带ultra-wideband(UWB)的3.1GHz-10.6GHz，能兼容这些不同频段的通信系统的天线才是我们所追求的。同时，随着高速集成电路的快速发展，系统设备向一体化，小型化，集成化不断迈进，作为无线电子设备的终端，现代电子设备对天线提出了小型化、易于集成的要求。

小型化的兼容蓝牙，WIMAX，WLAN，UWB的新型超宽带MIMO天线是一种常用的能同时覆盖多个不同通信频段的阵列天线。同时采用平面印刷结构能够很容易地实现天线低成本的快速加工和与集成电路其他部分的集成。传统的超宽带MIMO天线的实现主要有两步：一是采用各种形状的微带单极子作为辐射单元，二是在辐射贴片中间连接中和线或隔离条，或者地板上延伸出特殊结构作为解耦单元。辐射单元实现宽频带覆盖，解耦单元实现端口间的高隔离度，进而实现覆盖多个不同工作频段的目的。

传统的超宽带MIMO天线，因尺寸限制，只能实现高频带的覆盖。而且一个突出的缺陷是2.4GHz频带无法覆盖，从而对应的蓝牙/WLAN/WIMAX无法工作。

发明内容

为了解决现有技术超宽带MIMO天线因尺寸限制，只能实现高频带3.1GHz-10.6GHz的覆盖,无法覆盖低频部分2.4GHz频带所带来的缺陷，本发明提供一种新型超宽带MIMO天线。

本发明采用新的单极子天线结构实现低频部分2.4GHz和高频部分3.1GHz-10.6GHz的全部覆盖，通过设计一个宽度渐增的地板延伸枝节来提高全频段的馈电端口间隔离度，得到一种新型的宽频带足以兼容多个通信系统(蓝牙，WIMAX，WLAN，UWB)的超宽带MIMO天线。

本发明采用如下技术方案：

一种新型超宽带MIMO天线，包括介质基板，所述介质基板的正面印制关于介质基板中线对称的两个梯形辐射单元，所述介质基板的背面印制地板，还包括两条输入端馈线，所述输入端馈线与梯形辐射单元连接，所述梯形辐射单元的外侧设置U形延伸枝节，所述U形延伸枝节与梯形辐射单元连接。

还包括宽度渐增的地板延伸枝节，所述地板延伸枝节与地板垂直连接，所述地板延伸枝节关于介质基板中心对称。

所述地板具体是带有两个四分之一圆角的矩形。

所述输入端馈线为特征阻抗50欧姆的微带线。

所述地板延伸枝节由地板到介质基板边缘方向宽度逐渐增加。

所述四分之一圆角的半径为6毫米。

U形延伸枝节的末端与梯形辐射单元不接触，并与梯形辐射单元形成矩形槽。

所述梯形辐射单元的高与输入端馈线连接，梯形辐射单元的下底边设置U形延伸枝节。

所述地板正中间延伸出的宽度渐增的地板延伸枝节，起到了对两个梯形辐射单极子方向图的反射作用，同时在地板延伸枝节和两个梯形辐射单元之间引入了新的谐振模式，从而进一步优化天线的阻抗带宽。也就是说，地板延伸枝节的存在使得电流汇聚在地板延伸枝节的周围，从而减少了耦合到另外一个端口的能量，从而实现了两个间隔距离很小的天线间的高隔离度-15dB；

本发明的有益效果：

(1)用平面的结构不仅完全覆盖了超宽带频段，3.1GHz-10.6GHz，同时能够有效地兼容更低的频段：2.4GHz-3.1GHz。使得该天线可以兼容多个不同频段的通信系统：蓝牙Bluetooth系统的2.4GHz-2.484GHz，无线局域网系统wirelesslocalareanetwork(WLAN)的2.4GHz-2.484GHz,5.15GHz-5.35GHz,5.725GHz-5.825GHz，全球微波互联接入系统WiMAX(WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess)的2.5GHz-2.69GHz,3.4GHz-3.69GHz,5.25GHz-5.85GHz，超宽带ultra-wideband(UWB)的3.1GHz-10.6GHz。进一步展宽了工作频带。

(2)整个天线的平面尺寸，包含地板为40mm×36mm，占用的尺寸极其小，而且可用平面印刷工艺和低成本的FR4板材，降低了制造成本。

(3)天线的结构简单，调试方便，工作模式清晰，而且各个频段内的模式可灵活的调节。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1的仰视图；

图4是图1的侧视图；

图5是本发明实施例仿真的回波损耗与频率关系图；

图6是本发明实施例仿真的端口间隔离度与频率关系图；

图7是本发明实施例仿真的增益图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，一种新型超宽带MIMO天线，能够兼容蓝牙，WIMAX，WLAN，UWB的新型超宽带MIMO天线，包括介质基板，所述介质基板的正面印制关于介质基板中线对称的两个梯形辐射单元1、2，所述介质基板的背面印制地板7，还包括两条输入端馈线3、4，所述输入端馈线与梯形辐射单元连接，且一一对应，所述梯形辐射单元的外侧设置U形延伸枝节5、6，所述U形延伸枝节与梯形辐射单元连接。

两个梯形辐射单元相当于两个单极子天线，用来初步形成频带宽度大概能够覆盖3.1-10.6GHz的工作频带。

所述梯形辐射单元的外侧设置U形延伸枝节5、6，本实施例中外侧是指远离介质基板中线一侧，U形延伸枝节的末端与梯形辐射单元不接触，与梯形辐射单元之间形成19.5mm×3mm的矩形缝隙，这种特殊的梯形辐射单元外侧添加延伸U形枝节的结构可以覆盖低频段2.4GHz-3.1GHz，最终实现2.4GHz-11GHz全频段的覆盖。

所述梯形辐射单元的高与输入端馈线连接，梯形辐射单元的下底边延伸设置U形延伸枝节。

所述地板为带有两个四分之一圆角的矩形，两个四分之一圆角位于矩形顶端的两个角，有两个圆角，用来调节6.7GHz-8.5GHz的阻抗匹配特性，使得高频段的回波损耗全部小于-10dB。

所述地板的中间位置设置宽度渐增的地板延伸枝节8，所述地板延伸枝节8与地板7垂直连接，且关于介质基板中心对称，地板延伸枝节从地板到介质基板边缘的宽度逐渐增大来来调节整个蓝牙和超宽带频带的隔离度。

所述地板用于模拟小型化无线通信设备的电路板，信号输入端馈线为特征阻抗50欧姆的微带线。

本发明首先是实现超宽带频段(3.1GHz-10.6GHz)的覆盖。两个梯形辐射单元相当于两个单极子天线，相比只能产生单一谐振频率的长度较大的枝节线，结构较小的梯形贴片辐射单元能够在3.1GHz-10.6GHz频率范围内产生多个谐振模式，从而覆盖3.1GHz-10.6GHz的整个工作频带。而且相比枝节线中需要做蜿蜒结构的折叠处理，梯形辐射单元的加工精度要求较低，易于制造实现。同时利用梯形的长度、宽度和高度3个较少的参数，可较灵活地调节超宽带频段(3.1GHz-10.6GHz)内的多个谐振模式，从而实现频率的准确完全覆盖。在此基本结构基础上，后面还可以添加枝节来调节和优化全频段的阻抗匹配。

其次是实现兼容更低的频段：2.4GHz-3.1GHz，从而使得2.4GHz频带对应的蓝牙/WLAN/WIMAX也可以工作。一是，已经把主辐射单元设计成了梯形结构，梯形相当于对矩形做了切角处理，该切角可以为后续覆盖更低的频段：2.4GHz-3.1GHz做铺垫；二是，在两个梯形辐射单元的外侧添加U形延伸枝节5、6，与梯形辐射单元之间形成了一个矩形槽，有效调节和优化了天线的低频段2.4GHz-3.5GHz的阻抗匹配特性，使得天线可以兼容低频段2.4GHz-3.1GHz对应的蓝牙/WLAN/WIMAX通信系统。三是，对位于介质板的另一面的地板主平面矩形做圆角处理，在上半部分做出2个四分之一的圆角出来，用来调节6.7GHz-8.5GHz的阻抗匹配特性，使得高频段的回波损耗全部小于-10dB。通过这三步的设计可以实现2.4GHz-10.6GHz的全部覆盖。

再次是实现高的端口间隔离度。通过在介质基板的背面正中间延伸出宽度渐增的地板延伸枝节，可以使一个端口的天线单元产生的辐射方向图被反射，同时利用该枝节产生新的谐振模式来调节阻抗带宽和隔离度，进而使得在整个工作频段2.4GHz-10.6GHz范围内，两个端口间的隔离度降低至-15dB以下，有效的实现了不同端口间的相互干扰最小化。

为了验证本发明方案的有效性，下面给出具体实例进行说明。

图2至图4给出了实施实例在俯视、仰视和侧视等不同角度下的尺寸图，各图中所有尺寸的单位均为毫米(mm)。在本实施实例中，选用相对介电常数为4.4、损耗角正切为0.02、厚度为0.8mm的FR4介质基板，基板的平面尺寸为40mm×36mm。地板的主平面矩形部分的尺寸为40mm×12mm。天线辐射单元为带延伸枝节的平面梯形结构，位于介质板的一侧，加上外侧添加的U形延伸枝节占用的平面尺寸为15.5mm×22mm。信号输入端馈线为特征阻抗50欧姆的微带线。在实际实施中，可适当延长至电路中射频馈线部分，也可在主地板上开孔，用50欧姆的同轴线直接馈电。同轴线的内导体与激励单元相连，外导体与主地板相连。

如图2、图3及图4所示，介质基板的厚度H＝0.8,介质基板的横向宽度W＝40,地板延伸枝节自下往上的第一部分横向宽度WG1＝2.8,地板延伸枝节自下往上的第二部分横向宽度WG2＝4.2,输入端馈线的横向宽度Wf＝1.6,馈线内侧边缘到梯形辐射单元内侧边缘的横向间距WS1＝4.7,馈线外侧边缘到梯形辐射单元外侧U形延伸枝节的外侧边缘的横向间距WS2＝9.2,梯形辐射单元外侧U形延伸枝节的中间部分的横向宽度WC＝1.5,梯形辐射单元外侧U形延伸枝节的末尾部分的横向长度Wt＝10,梯形辐射单元外侧边缘与梯形辐射单元外侧U形延伸枝节的中间部分的横向间距Wn＝3,地板圆角的半径R＝6,介质基板的纵向长度L＝36,地板主平面带2个四分之一圆角的矩形的纵向长度LG1＝12,地板延伸枝节自下往上的末尾部分纵向长度LG2＝12,馈线的纵向长度Lf＝13,梯形辐射单元短边的纵向长度Lr1＝10,梯形辐射单元短边末尾到长边末尾的纵向间距长度Lr2＝10.5,梯形辐射单元外侧U形延伸枝节的第一部分的纵向宽度LC＝1.5,梯形辐射单元外侧U形延伸枝节的末尾部分的纵向宽度Lt＝1,梯形辐射单元外侧U形延伸枝节的上边缘到介质板上边缘的间距dt＝1，馈线外侧边缘到介质板外侧边缘的横向间距df＝9.2。

以上述图2、图3和图4所示尺寸制作的天线仿真的反射系数的结果如图5所示。由图可知，该平面印刷天线在蓝牙，WIMAX，WLAN，UWB频段的2.4GHz-10.6GHz频率范围内产生了多个谐振点，形成的-10dB带宽为2.4GHz-11GHz，完全覆盖了蓝牙和超宽带频段2.4GHz-10.6GHz频率范围内的所有可用频段。

以上述3个图形所示尺寸制作的天线仿真的端口间隔离度的结果如图6所示。在整个工作频段2.4GHz-10.6GHz频率范围内，端口间的隔离度都低于-15dB，完全满足实际需要。这得益于介质板的背面正中间延伸出宽度渐增的地板延伸枝节产生的电磁反射作用和枝节产生的新谐振模式。

以上述3个图形所示尺寸制作的天线仿真的增益如图7所示，天线增益在在1.1-4.3dBi之间，满足实际需求。

从上述技术方案可见，本发明所述的天线在40mm×36mm的平面空间内实现了超宽带频段(3.1GHz-10.6GHz)和更低频段2.4GHz-3.1GHz的覆盖，总工作频段为2.4GHz-11GHz。而且端口间有高隔离度，满足移动通信系统对用于移动终端天线的设计需求。

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所述实施例的限制，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 (8)

1.一种新型超宽带MIMO天线，其特征在于，包括介质基板，所述介质基板的正面印制关于介质基板中线对称的两个梯形辐射单元，所述介质基板的背面印制地板，还包括两条输入端馈线，所述输入端馈线与梯形辐射单元连接，所述梯形辐射单元的外侧设置U形延伸枝节，所述U形延伸枝节与梯形辐射单元连接。

2.根据权利要求1所述的一种新型超宽带MIMO天线，其特征在于，还包括宽度渐增的地板延伸枝节，所述地板延伸枝节与地板垂直连接，所述地板延伸枝节关于介质基板中心对称。

3.根据权利要求1所述的一种新型超宽带MIMO天线，其特征在于，所述地板具体是带有两个四分之一圆角的矩形。

4.根据权利要求1所述的一种新型超宽带MIMO天线，其特征在于，所述输入端馈线为特征阻抗50欧姆的微带线。

5.根据权利要求2所述的一种新型超宽带MIMO天线，其特征在于，所述地板延伸枝节由地板到介质基板边缘方向宽度逐渐增加。

6.根据权利要求3所述的一种新型超宽带MIMO天线，其特征在于，所述四分之一圆角的半径为6毫米。

7.根据权利要求1所述的一种新型超宽带MIMO天线，其特征在于，U形延伸枝节的末端与梯形辐射单元不接触，并与梯形辐射单元形成矩形槽。

8.根据权利要求1所述的一种新型超宽带MIMO天线，其特征在于，所述梯形辐射单元的高与输入端馈线连接，梯形辐射单元的下底边设置U形延伸枝节。