CN105680175B - 一种紧凑型多频带mimo手机天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体为一种紧凑型多频段MIMO手机天线。该天线包括一个起支撑作用的介质板、四个输入端口和四个立体结构单元；介质板正面有：四个由弧线开槽构成的方形贴片单元、四个方形贴片单元；介质板反面有：接地单元、四个方形缝隙单元、四个双倒“E”字形插指结构单元、四条直线缝隙开槽；立体结构单元包括：正面、顶部、左侧面、右侧面和后面的带状贴片结构及底部介质板，五面带状结构依次相连接，构成立体折叠单极子结构，四个立体结构单元分别位于介质板正面四角处，四个方形贴片单元上方。本发明采用四个镜像放置的立体折叠单极子结构单元以及接地板插指结构的方式实现多频段、低耦合以及低剖面的特性。

Description

一种紧凑型多频带MIMO手机天线
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种紧凑型多频带MIMO手机天线。
背景技术
近年来，移动通信终端业务的快速发展带动了无线终端天线产业的繁荣。而现阶段10Mb/s的传输速率已经无法满足目前高数据传输率需求的应用市场，为了应对下一步的通信战略部署，越来越多提高数据传输速率的技术应用而生。
MIMO技术是指在无线信道中利用多个天线来实现收发，在不增加带宽的情况下可以成倍地提高通信系统的容量。但多天线系统的瓶颈在于天线间耦合效应会使得多天线间的输出信号有着很大的相关性，严重干扰无线信号的传输。为了得到低相关性的信号，MIMO系统需要具有较高的隔离度。
解决单元间高耦合效应的最简单方法即为提高天线间的距离。但由于该天线系统应用于无线移动终端，空间有限而且耦合问题随着天线单元数量的增加急剧恶化。
本发明设计了一种多频段的四单元分集天线系统，该系统可应用于多模智能手机设备中。其优势在于利用立体单元几何结构，并在立体结构单元下方设置一方形贴片反射板以及馈电端的贴片处进行窄缝开槽结构，从而实现较宽的频带覆盖，包括当前无线通信的五个应用带宽PCS1900（1.85-1.99GHz），UMTS2100，Blue-tooth 2.4 GHz，WiFi/LTE 2.6GHz，WiMAX 3.3–3.8 GHz；另一优势在于本发明通过对接地板增加插指结构以及缝隙开槽的设计，针对多单元结构仍能有效的降低互耦效应，在相应频带内的隔离度均小于-20dB，相关包络系数ECC均在0.155以下。
经对现有技术的文献检索发现，Qinjiang Rao等人在2011年3月的IEEETRANSACTIONS ON COMPONENTS, PACKAGING, AND MANUFACTURING TECHNOLOGY第1卷第三期上发表了 “Design, Modeling, and Evaluation of a Multiband MIMO/DiversityAntenna System for Small Wireless Mobile Terminals”（基于小型无线移动终端的多波段MIMO分集天线系统的设计建模与评估）”，该天线的立体结构单元为两个，天线的隔离度在-10dB以下。与参考文献相比，本发明的隔离度及相关包络系数远好于上述文献。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术中存在的不足和缺陷，提供一种具有多频段的紧凑型MIMO手机天线，使其同时具有低剖面、多频带、低耦合效应的特性。
本发明提供的紧凑型多频段MIMO手机天线，覆盖了当前无线通信的五个应用带宽PCS1900（1.85-1.99GHz），UMTS2100，Blue-tooth 2.4 GHz，WiFi/LTE 2.6 GHz，WiMAX 3.3–3.8 GHz，同时拥有较低的剖面7.5mm。本发明结构基于带有分支的立体折叠单极子，并通过在接地面增加插指结构以及介质板正面的反射板，来实现多频带、低剖面、低耦合效应的目的。具体来说，本发明提供的紧凑型多频段MIMO手机天线，其结构如图1、 图2（a） 图2（b）和图3 。包括一个起支撑作用的介质板（1），四个输入端口（15、16、17、18），四个立体结构单元（27、28、29、30）；所述的介质板（1）正面有：四个由两个内侧边为曲线的L形对拼构成的开槽方形贴片单元（即第一开槽方形贴片单元（19）、第二开槽方形贴片单元（20）、第三开槽方形贴片单元（21）、第四开槽方形贴片单元（22）），四个方形贴片单元（即第一方形贴片单元（23）、第二方形贴片单元（24）、第三方形贴片单元（25）、第四方形贴片单元（26）），其中：
四个输入端口（15、16、17、18）分别与四个开槽方形贴片单元（19、20、21、22）相连接，四个开槽方形贴片单元（19、20、21、22）依次分布在四个方形贴片单元（23、24、25、26）内侧，四个方形贴片单元分列于所述介质板（1）的四角、四个立体结构单元（27、28、29、30）下侧；
所述介质板（1）反面有：接地单元（2），四个方形缝隙单元（即第一方形缝隙单元（3）、第二方形缝隙单元（4）、第三方形缝隙单元（5）、第四方形缝隙单元（6）），四个双倒“E”字形插指结构单元（即第一双倒“E”字形插指结构单元（7）、第二双倒“E”字形插指结构单元（8）、第三双倒“E”字形插指结构单元（9）、第四双倒“E”字形插指结构单元（10）），四条直线缝隙开槽（即第一直线缝隙开槽（11）、第二直线缝隙开槽（12）、第三直线缝隙开槽（13）、第四直线缝隙开槽（14））；其中：双倒“E”字形插指结构单元由两个反倒的“E”字形带状结构并列组合而成，底部与所述接地单元（2）相连接，四条直线缝隙开槽（11、12、13、14）分别位于四个双倒“E”字形插指结构单元（7、8、9、10）的中点下方，四个双倒“E”字形插指结构单元（7、8、9、10）分别位于介质板四边中点处，四个方形缝隙单元（3、4、5、6）分别位于介质板四角处；
四个输入端口（15、16、17、18）分别和介质板(1)的正面和反面相连接，其中，四个输入端口（15、16、17、18）的信号分别和介质板(1)正面的四个开槽方形贴片（19、20、21、22）连接，四个输入端口（15、16、17、18）的地和介质板（1）的反面连接。
四个立体结构单元（27、28、29、30）分别有：正面的分支形带状贴片单元（31）及正面介质板（36），顶部的不规则环形带状贴片单元（33）及顶部介质板（38），左侧面的“U”字形带状贴片单元（32）及左侧面介质板（37），右侧面的“一”字形贴片带状结构（34）及右侧面介质板（39），后面的倒“L”字形带状贴片结构（35）及后面介质板（40），其中：五面的带状结构（即正面的分支形带状贴片单元（31），顶部的不规则环形带状贴片单元（33），左侧面的“U”字形带状贴片单元（32），右侧面的“一”字形贴片带状结构（34），后面的倒“L”字形带状贴片结构（35））依次相连接，构成立体折叠单极子结构；四个立体结构单元（27、28、29、30）正面的分支带状结构与所述的介质板正面的四个开槽方形贴片单元（19、20、21、22）依次相连接，四个立体结构单元（27、28、29、30）分别位于所述的介质板（1）正面四角处、介质板正面的四个方形贴片单元（23、24、25、26）上方。
本发明中，所述的介质板（1）正面的四个开槽方形贴片单元（19、20、21、22）与四个方形贴片单元（23、24、25、26）的尺寸和四个相对立体结构单元（27、28、29、30）的位置均可调。
本发明中，所述四个双倒“E”字形插指结构单元（7、8、9、10）均由两个反倒的“E”字形带状导体贴片结构并列组合而成，底部与所述接地单元（2）相连接，四条直线缝隙开槽（11、12、13、14）分别位于四个双倒“E”字形插指结构单元（7、8、9、10）的中点下方，其长度和相对的双倒“E”字形插指结构单元的尺寸均可调。
本发明中，四个立体结构单元由正面分支形带状贴片单元（31）及正面介质板（36），顶部的不规则环形带状贴片单元（33）及顶部介质板（38），左侧面的“U”字形带状贴片单元（32）及左侧面介质板（37），右侧面的“一”字形贴片带状结构（34）及右侧面介质板（39），后面的倒“L”字形带状贴片结构（35）及后面介质板（40）依次相连组成，其带状导体贴片尺寸均可调。
本发明中，接地单元（2）、所述介质板（1）正面的四个开槽方形贴片单元（19、20、21、22）和四个方形贴片单元（23、24、25、26），所述介质板（1）反面的四个双倒“E”字形插指结构单元（7、8、9、10）以及四个立体结构单元（27、28、29、30）均为导体。
本发明中，所述介质板（1）反面的四个直线缝隙开槽（11、12、13、14）都是在接地单元（2）上刻蚀去相应的缝隙形状，而形成的空气单元结构；所述介质板（1）反面的四个方形缝隙结构（3、4、5、6）都是在接地单元（2）四角处刻蚀方形形状而形成的空气单元结构。
本发明中，所述的四个输入端口单元（15、16、17、18）分别外接信号源，外加的激励信号通过介质板（1）正面的四个开槽方形贴片单元（19、20、21、22），再通过四个立体结构单元（27、28、29、30）实现对天线的馈电。通过调节所述介质板（1）正面的开槽方形贴片单元（19、20、21、22）的开槽尺寸，介质板（1）反面的四个方形缝隙单元（3、4、5、6）与四个立体结构单元（27、28、29、30）的相对位置与大小，四个立体结构单元（27、28、29、30）中带状结构的长度与宽度，从而实现多频段、低剖面以及低耦合效应的特性。
本发明中，所述的介质板（1），低介电常数，厚度为1.5mm。构成立体结构单元的五个介质板（即介质板（36）、介质板（37）、介质板（38）、介质板（39）、介质板（40）），低介电常数，厚度为1mm。
本发明在接地板上增加双倒“E”字形插指结构以及缝隙开槽结构，使得四个立体结构单元间的隔离度得以改善，从原有的耦合度小于-10dB，提高到了-20dB以下。并且通过对立体结构单元的贴片型单极子分支的长度与宽度的不同处理，实现了谐振频率包含到五个当前无线通信的应用频带，即PCS1900（ 1.85-1.99GHz），UMTS2100，Blue-tooth 2.4GHz，WiFi/LTE 2.6 GHz，WiMAX 3.3–3.8 GHz。在此基础上，在介质板正面，立体结构单元底部增加反射板，并且在馈电点处作0.15mm窄缝方形贴片开槽处理使得不增加单元间间距的同时，带宽涵盖到低频带处。
附图说明
图1为本发明紧凑型多频带MIMO手机天线总体的结构示意图。
图2（a）为本发明紧凑型多频带MIMO手机天线的介质板正面结构示意图。
图2（b）为本发明紧凑型多频带MIMO手机天线的介质板反面结构示意图。
图3为本发明紧凑型多频带MIMO手机天线的立体结构单元二维分解结构示意图。
图4为本发明紧凑型多频带MIMO手机天线的反射系数示意图。
图5为本发明紧凑型多频带MIMO手机天线的传输系数示意图。
图6为本发明紧凑型多频带MIMO手机天线的相关包络系数示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括：一个起支撑作用的介质板（1），四个输入端口（15、16、17、18），四个立体结构单元（27、28、29、30）。
如图2（a）所示，本实施例所述的介质板（1）正面有：四个由两条垂直弧线环绕开槽构成的方形贴片单元，即第一开槽方形贴片单元（19）、第二开槽方形贴片单元（20）、第三开槽方形贴片单元（21）、第四开槽方形贴片单元（22）。四个方形贴片单元即第一方形贴片单元（23）、第二方形贴片单元（24）、第三方形贴片单元（25）、第四方形贴片单元（26），其分别位于四个立体结构单元（27、28、29、30）下方。本发明创新性地提出了在立体结构单元下方增加了方形贴片单元，从而增加天线的谐振频率点，有效地扩宽了频带。
如图2（a）所示，四个输入端口（15、16、17、18）分别与四个由两条垂直弧线环绕开槽构成的开槽方形贴片单元（19、20、21、22）相连接，四个开槽方形贴片单元（19、20、21、22）依次分布在四个方形贴片单元（23、24、25、26）内侧，四个方形贴片单元分列于所述介质板（1）的四角。
如图2（b）所示，所述介质板（1）反面有：接地单元（2），四个方形缝隙单元，即方形缝隙单元一（3）、方形缝隙单元二（4）、方形缝隙单元三（5）、方形缝隙单元四（6）；四个双倒“E”字形插指结构单元，即双倒“E”字形插指结构单元一（7）、双倒“E”字形插指结构单元二（8）、双倒“E”字形插指结构单元三（9）、双倒“E”字形插指结构单元四（10）；四条直线缝隙开槽，即直线缝隙开槽一（11）、直线缝隙开槽二（12）、直线缝隙开槽三（13）、直线缝隙开槽四（14）。
双倒“E”字形插指结构单元由两个反倒的“E”字形带状结构并列组合而成，底部与所述接地单元（2）相连接，四条直线缝隙开槽（11、12、13、14）分别位于四个双倒“E”字形插指结构单元（7、8、9、10）的中点下方，四个双倒“E”字形插指结构单元（7、8、9、10）分别位于介质板四边中点处，方形缝隙单元（3、4、5、6）分别位于介质板四角处。将插指结构与缝隙开槽结构相结合，从而在有限空间内提高立体结构单元间的隔离度，是本发明中又一创新点。
如图2（a）、（b）所示，四个输入端口（15、16、17、18）分别和介质板(1)的正面和反面相连接，其中四个输入端口（15、16、17、18）的信号和介质板(1)正面的四个开槽方形贴片（19、20、21、22）连接，四个输入端口（15、16、17、18）的地和介质板（1）的反面连接。在馈电部分增加了0.15mm窄缝的四个开槽方形贴片结构（19、20、21、22），改变电流流向，有效地增加了强耦合效应，从而增加了频带宽度。
如图3所示，四个立体结构单元（27、28、29、30）有：正面的分支形带状贴片单元（31）及正面介质板（36），顶部的不规则环形带状贴片单元（33）及顶部介质板（38），左侧面的“U”字形带状贴片单元（32）及左侧面介质板（37），右侧面的“一”字形贴片带状结构（34）及右侧面介质板（39），后面的倒“L”字形带状贴片结构（35）及后面介质板（40），五面带状结构依次相连接，构成立体折叠单极子结构。四个立体单元正面的分支带状结构与所述的介质板正面开槽方形贴片单元（19、20、21、22）依次相连接，四个立体结构单元分别位于所述的介质板（1）正面四角处，介质板正面的四个方形贴片单元（23、24、25、26）上方。
接地单元（2）、所述介质板（1）正面的开槽方形贴片单元（19、20、21、22）和四个方形贴片单元（23、24、25、26），介质板（1）反面的四个双倒“E”字形插指结构单元（7、8、9、10）以及四个立体结构单元（27、28、29、30）均为导体。
所述介质板（1）反面的四个直线缝隙开槽（11、12、13、14）都是在接地单元（2）上刻蚀去相应的缝隙形状，而形成的空气单元结构；所述介质板（1）反面的四个方形缝隙结构（3、4、5、6）都是在接地单元（2）四角处刻蚀的方形形状，而形成的空气单元结构。
本实施例所述的介质板（1），低介电常数，厚度为1.5mm。构成立体结构单元的介质板（36）、介质板（37）、介质板（38）、介质板（39）、介质板（40），为低介电常数，厚度为1mm。
本实施例所述的四个输入端口（15、16、17、18）分别外接信号源，外加的激励信号通过介质板（1）正面的方形开槽贴片单元（19、20、21、22），再通过立体结构单元（27、28、29、30），实现对天线的馈电。通过调节所述介质板（1）正面的开槽方形贴片（19、20、21、22）的开槽尺寸，介质板（1）反面方形缝隙单元（3、4、5、6）与立体结构单元（27、28、29、30）的相对位置与大小，立体结构单元（27、28、29、30）带状结构的长度与宽度，从而实现多频段，低剖面以及低耦合效应的特性。
如图（4）、（5）、（6）所示，本实施例的频率特性包括散射系数参数以及相关包络系数参数。其中横坐标代表频率变量，单位为GHz；纵坐标代表散射系数变量。本发明的多频带天线的谐振频带为1.8-2.6GHz，3.3-4.42GHz。四个单元间隔离度均小于-20dB。相关包络参数ECC值小于0.155。天线尺寸为136×68.8×7.5mm3。

Claims (6)

1.一种紧凑型多频段MIMO手机天线，其特性在于，包括一个起支撑作用的介质板（1），四个输入端口（15、16、17、18），四个立体结构单元（27、28、29、30）；所述的介质板（1）正面有：四个由两个内侧边为曲线的L形对拼构成的开槽方形贴片单元，即第一开槽方形贴片单元（19）、第二开槽方形贴片单元（20）、第三开槽方形贴片单元（21）、第四开槽方形贴片单元（22），四个方形贴片单元即第一方形贴片单元（23）、第二方形贴片单元（24）、第三方形贴片单元（25）、第四方形贴片单元（26），其中：四个输入端口（15、16、17、18）分别与四个开槽方形贴片单元（19、20、21、22）相连接，四个开槽方形贴片单元（19、20、21、22）依次分布在四个方形贴片单元（23、24、25、26）内侧，四个方形贴片单元分列于所述介质板（1）的四角、立体结构单元（27、28、29、30）下侧；
所述介质板（1）反面有：接地单元（2），四个方形缝隙单元即第一方形缝隙单元（3）、第二方形缝隙单元（4）、第三方形缝隙单元（5）、第四方形缝隙单元（6），四个双倒“E”字形插指结构单元即第一双倒“E”字形插指结构单元（7）、第二双倒“E”字形插指结构单元（8）、第三双倒“E”字形插指结构单元（9）、第四双倒“E”字形插指结构单元（10），四条直线缝隙开槽即第一直线缝隙开槽（11）、第二直线缝隙开槽（12）、第三直线缝隙开槽（13）、第四直线缝隙开槽（14）；其中：双倒“E”字形插指结构单元由两个反倒的“E”字形带状结构并列组合而成，底部与所述接地单元（2）相连接，四条直线缝隙开槽（11、12、13、14）分别位于四个双倒“E”字形插指结构单元（7、8、9、10）的中点下方，四个双倒“E”字形插指结构单元（7、8、9、10）分别位于介质板四边中点处，四个方形缝隙单元（3、4、5、6）分别位于介质板四角处；
四个输入端口（15、16、17、18）分别和介质板(1)的正面和反面相连接，其中，四个输入端口（15、16、17、18）的信号分别和介质板(1)正面的四个开槽方形贴片（19、20、21、22）连接，四个输入端口（15、16、17、18）的地和介质板（1）的反面连接；
四个立体结构单元（27、28、29、30）有：正面的分支形带状贴片单元（31）及正面介质板（36），顶部的不规则环形带状贴片单元（33）及顶部介质板（38），左侧面的“U”字形带状贴片单元（32）及左侧面介质板（37），右侧面的“一”字形贴片带状结构（34）及右侧面介质板（39），后面的倒“L”字形带状贴片结构（35）及后面介质板（40），其中：五面的带状结构，即正面的分支形带状贴片单元（31），顶部的不规则环形带状贴片单元（33），左侧面的“U”字形带状贴片单元（32），右侧面的“一”字形贴片带状结构（34），后面的倒“L”字形带状贴片结构（35），依次相连接，构成立体折叠单极子结构；四个立体结构单元（27、28、29、30）正面的分支带状结构与所述的介质板正面的四个开槽方形贴片单元（19、20、21、22）依次相连接，四个立体结构单元（27、28、29、30）分别位于所述的介质板（1）正面四角处、介质板正面的四个方形贴片单元（23、24、25、26）上方。
2.如权利要求1所述的紧凑型多频段MIMO手机天线，其特征在于，所述的介质板（1）正面的四个开槽方形贴片单元（19、20、21、22）与四个方形贴片单元（23、24、25、26）的尺寸和四个相对立体结构单元（27、28、29、30）的位置均可调；
所述四个双倒“E”字形插指结构单元（7、8、9、10）均由两个反倒的“E”字形带状导体贴片结构并列组合而成，底部与所述接地单元（2）相连接，四条直线缝隙开槽（11、12、13、14）分别位于四个双倒“E”字形插指结构单元（7、8、9、10）的中点下方，其长度和相对的双倒“E”字形插指结构单元的尺寸均可调；
四个立体结构单元由正面分支形带状贴片单元（31）及正面介质板（36），顶部的不规则环形带状贴片单元（33）及顶部介质板（38），左侧面的“U”字形带状贴片单元（32）及左侧面介质板（37），右侧面的“一”字形贴片带状结构（34）及右侧面介质板（39），后面的倒“L”字形带状贴片结构（35）及后面介质板（40）依次相连组成，其带状导体贴片尺寸均可调。
3.如权利要求1所述的紧凑型多频段MIMO手机天线，其特征在于，所述接地单元（2）、所述介质板（1）正面的四个开槽方形贴片单元（19、20、21、22）和四个方形贴片单元（23、24、25、26），所述介质板（1）反面的四个双倒“E”字形插指结构单元（7、8、9、10）以及四个立体结构单元（27、28、29、30）均为导体。
4.如权利要求1所述的紧凑型多频段MIMO手机天线，其特征在于，所述介质板（1）反面的四个直线缝隙开槽（11、12、13、14）都是在接地单元（2）上刻蚀去相应的缝隙形状，而形成的空气单元结构；所述介质板（1）反面的四个方形缝隙结构（3、4、5、6）都是在接地单元（2）四角处刻蚀方形形状而形成的空气单元结构。
5.如权利要求1所述的紧凑型多频段MIMO手机天线，其特征在于，所述的四个输入端口单元（15、16、17、18）分别外接信号源，外加的激励信号通过介质板（1）正面的四个开槽方形贴片单元（19、20、21、22），再通过四个立体结构单元（27、28、29、30）实现对天线的馈电；通过调节所述介质板（1）正面的开槽方形贴片单元（19、20、21、22）的开槽尺寸，介质板（1）反面的四个方形缝隙单元（3、4、5、6）与四个立体结构单元（27、28、29、30）的相对位置与大小，四个立体结构单元（27、28、29、30）中带状结构的长度与宽度，从而实现多频段、低剖面以及低耦合效应的特性。
6.如权利要求1所述的紧凑型多频段MIMO手机天线，其特征在于，所述的介质板（1），为低介电常数，厚度为1.5mm；构成立体结构单元的五个介质板，即介质板（36）、介质板（37）、介质板（38）、介质板（39）、介质板（40），为低介电常数，厚度为1mm。
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