CN106099361A - 超宽带平面单极子天线阵列、通信器件和终端设备 - Google Patents

超宽带平面单极子天线阵列、通信器件和终端设备 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供了一种超宽带平面单极子天线阵列、通信器件和终端设备。该天线阵列包括介质基板、中和线，沿介质基板的第一中心线对称印刷在介质基板下表面的第一接地板和第二接地板，沿介质基板的第一中心线对称印刷在介质基板上表面的第一平面单极子天线的辐射贴片及微带馈线和第二平面单极子天线的辐射贴片及微带馈线；第一接地板和第二接地板的特定边具有对称的凹部，特定边为靠近介质基板的第一中心线的边，对称的凹部对称于介质基板的第二中心线，第二中心线垂直于第一中心线；中和线的两端分别连接在第一平面单极子天线的辐射贴片上和第二平面单极子天线的辐射贴片上。通过在天线阵列上加载中和线使得天线阵元之间的隔离度大大增强。

Description

超宽带平面单极子天线阵列、通信器件和终端设备
【技术领域】
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种超宽带平面单极子天线阵列、通信器件和终端设备。
【背景技术】
现代无线通信系统要求更高的数据传输速率、更大的信道容量和更宽的通信频带。超宽带(Ultra Wideband，简称UWB)技术因其独有的特性被广泛地应用在各种无线设备中，扩展的带宽实现了高数据率的传输，多径传播固有的鲁棒性保证了高可靠性。
随着UWB技术在多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，简称MIMO)天线系统中的应用增多，UWB MIMO天线在学术和工业领域都吸引了极大的关注。超宽带和高隔离度是UWB MIMO天线系统的首要目标，现有技术中利用不同技术来实现扩展带宽和减少互耦的UWB MIMO天线设计。
一种减少UWB MIMO天线阵元之间的互耦，提高天线阵元间的隔离度的方式是：在超宽带平面单极子天线阵列的接地面(或称接地板)上加载Y型和T型结构以降低天线阵元间的互耦，除了改变接地板的结构外，还可以通过垂直排布天线阵元获得正交的天线极化，从而使天线阵元间的互耦保持较低的水平。但是，这种实现方式使得UWB MIMO天线阵列的结构复杂且尺寸增加较多、辐射性能改变、去耦结构复杂。
因此，如何在保证天线辐射性能、结构简便、尺寸不增加的情况下，简便地提高UWBMIMO天线阵列的天线阵元间的隔离度、扩展天线带宽是亟待解决的问题。
【发明内容】
有鉴于此，本发明实施例提供了一种超宽带平面单极子天线阵列、通信器件和终端设备，用以简便地提高天线阵列的隔离度、扩展天线带宽。
一方面，本发明实施例提供了一种超宽带平面单极子天线阵列，包括：
介质基板、中和线，沿所述介质基板的第一中心线对称印刷在所述介质基板下表面的第一接地板和第二接地板，沿所述介质基板的第一中心线对称印刷在所述介质基板上表面的第一平面单极子天线的辐射贴片及微带馈线，和第二平面单极子天线的辐射贴片及微带馈线；
所述第一接地板和所述第二接地板的特定边具有对称的凹部，所述特定边为靠近所述介质基板的第一中心线的边，所述对称的凹部对称于所述介质基板的第二中心线，所述第二中心线垂直于所述第一中心线；
所述中和线的两端分别连接在所述第一平面单极子天线的辐射贴片上和所述第二平面单极子天线的辐射贴片上。
可选地，所述中和线在所述第一平面单极子天线的辐射贴片上的连接位置相距所述介质基板的第一中心线的距离，与所述中和线在所述第二平面单极子天线的辐射贴片上的连接位置相距所述介质基板的第一中心线的距离相等。
可选地，所述第一平面单极子天线的辐射贴片和所述第二平面单极子天线的辐射贴片均为圆环形辐射贴片。
可选地，所述第一接地板和所述第二接地板均为具有两个缺角的矩形接地板，所述两个缺角对称于所述介质基板的第二中心线。
可选地，所述缺角包括如下的形状中的任一种：三角形、正方形、长方形。
可选地，所述中和线的形状包括：折线或曲线。
可选地，所述中和线呈“弓”字形。
另一方面，本发明实施例还提供一种通信器件，包括：
无线收发器，以及如上任一项所述的超宽带平面单极子天线阵列，所述无线收发器与所述超宽带平面单极子天线阵列连接。
再一方面，本发明实施例还提供一种终端设备，包括：
处理器、存储器、以及如上所述的通信器件，所述处理器、所述存储器和所述通信器件通过总线连接。
上述技术方案中的一个技术方案具有如下有益效果：将中和线加载到UWB平面单极子天线阵元上，可以有效降低天线阵列在整个UWB频段的互耦，提高天线阵元间的隔离度，并且该去耦结构简单易于实现，不会对天线阵列的结构和尺寸造成影响，天线阵列保持稳定的辐射性能；设计在天线阵元的接地板靠近介质基板中心线的边具有凹凸形状，可以增加表面的电流路径，从而扩展天线阵列的带宽。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例所提供的超宽带平面单极子天线阵列的结构的正视图；
图2是本发明实施例所提供的超宽带平面单极子天线阵列在加中和线前后的S参数对比图；
图3(a)是本发明实施例所提供的超宽带平面单极子天线阵列在3.5GHz的E平面(yz平面)和H平面(xz平面)的辐射方向图；
图3(b)是本发明实施例所提供的超宽带平面单极子天线阵列在5.5GHz的E平面(yz平面)和H平面(xz平面)的辐射方向图；
图3(c)是本发明实施例所提供的超宽带平面单极子天线阵列在7.5GHz的E平面(yz平面)和H平面(xz平面)的辐射方向图；
图3(d)是本发明实施例所提供的超宽带平面单极子天线阵列在10.5GHz的E平面(yz平面)和H平面(xz平面)的辐射方向图；
图4是本发明实施例所提供的通信器件的结构示意图；
图5是本发明实施例所提供的终端设备的结构示意图。
【具体实施方式】
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
实施例一
本发明实施例提供一种超宽带平面单极子天线阵列，参考图1所示，该天线阵列包括：
介质基板11、中和线12，沿介质基板11的第一中心线对称印刷在介质基板11下表面的第一接地板13和第二接地板14，沿介质基板11的第一中心线对称印刷在介质基板11上表面的第一平面单极子天线的辐射贴片15及微带馈线16，和第二平面单极子天线的辐射贴片17及微带馈线18。
可选地，天线阵列的介质基板11为相对介电常数为4.4，厚度为1.6mm的FR4材料，其损耗角正切为0.02，尺寸为W＝40mm，L＝80mm。
从图1中可以看出，本实施例中，第一接地板13与第一平面单极子天线的辐射贴片15及微带馈线16对应，第二接地板14与第二平面单极子天线的辐射贴片17及微带馈线18对应。
并且，第一平面单极子天线的辐射贴片15及微带馈线16与第二平面单极子天线的辐射贴片17及微带馈线18相对于介质基板11的第一中心线左右对称分布。第一接地板13和第二接地板14相对于介质基板11的第一中心线也是左右对称分布。
可选地，第一平面单极子天线的辐射贴片15和第二平面单极子天线的辐射贴片17均为圆环形辐射贴片。
另外，本实施例中，第一接地板13和第二接地板14的特定边具有对称的凹部19，该特定边为靠近介质基板11的第一中心线的边，对称的凹部19对称于介质基板的第二中心线，第二中心线垂直于第一中心线。
实际应用中，上述凹部19的形状可以是多种的，比如可以是弧形的。可选地，该凹部可以实现为：第一接地板13和第二接地板14均为具有两个缺角的矩形接地板，该两个缺角对称于介质基板的第二中心线。可选地，该缺角包括如下的形状中的任一种：三角形、正方形、长方形。
本实施例中，通过上述的天线设计可知，包含由辐射贴片、微带馈线等部件构成的两个天线阵元，相应的，也有两块对称的接地板。一般来说，每个天线阵元的接地板可以实现为矩形设计，而本实施例中，针对每个天线阵元，在其靠近对应的辐射贴片一侧的两个角分别切去一块，比如如图1中所示的一个三角形。为了保持地面结构的对称性，一般要切去2个缺角，因此，对于包含两个接地板的天线阵列来说，总共切去4个三角形。对两个接地板进行上述“切边”处理的目的是增加表面电流路径，扩展天线的带宽。
另外，本实施例中，为增加天线阵元间的隔离度，降低天线阵元的互耦，采用了中和线的设计。具体来说，中和线12的两端分别连接在第一平面单极子天线的辐射贴片15上和第二平面单极子天线的辐射贴片17上。
可选地，中和线12在上述两个辐射贴片上的连接位置相对于介质基板11的第一中心线对称。即中和线12在第一平面单极子天线的辐射贴片15上的连接位置相距介质基板11的第一中心线的距离，与中和线12在第二平面单极子天线的辐射贴片17上的连接位置相距介质基板11的第一中心线的距离相等。
实际应用中，可以根据中和线12的形状来设定中和线12的长度，可选地，中和线12的形状包括：折线或曲线。比如，中和线12呈“弓”字形。
将中和线加载在天线阵列上，能够提供额外的电流耦合路径，可以抵消天线阵列的介质基板上的表面波，从而降低天线阵元间的耦合强度，提高天线阵元间的隔离度。
本发明实施例中，利用电磁仿真软件进行仿真优化，可以得到当天线阵列的介质基板为相对介电常数为4.4，厚度为1.6mm的FR4材料，其损耗角正切为0.02。天线阵列的尺寸为L1＝19.8mm,L2＝14mm,L3＝21.4mm,W1＝8.5mm,R1＝7.6mm,R2＝2.5mm,w2＝3mm时，天线阵列的阻抗带宽为3.1～12GHz，覆盖了UWB频带的宽度。此时，天线的总尺寸(W×L)只有40×80mm2。
另外，通过对增加上述中和线前后天线阵列的性能的测试表明：天线阵列的S参数有明显降低，辐射方向图基本保持一致。
另外，通过对中和线进行优化，可以使得天线阵列的隔离度大大提高，如图1所示，优化后的中和线的尺寸参数为：d1＝5.5mm,d2＝7mm,h＝11.5mm,w1＝0.5mm。
为了验证增加中和线后天线阵列的性能，可以测试在设置中和线前后，天线阵列的S参数和辐射方向图。如图2所示，天线阵在加载中和线前后S参数的对比如图2所示，图中显示传输系数S12在天线的工作频段内有明显的降低，天线阵元间的互耦保持在很低的水平。当一个天线阵元被激励而另一个天线阵元端口接50Ω的匹配负载时，天线阵列在3.5、5.5、7.5和10.5GHz的E平面(yz平面)和H平面(xz平面)辐射方向图如图3(a)～3(d)所示，在整个工作频带内，天线阵列的辐射方向图在加载中和线前后基本保持一致。
因此，本实施例提供的UWB平面单极子天线阵列，将中和线加载到UWB平面单极子天线阵元上，可以有效降低天线阵列在整个UWB频段的互耦，提高天线阵元间的隔离度，并且该去耦结构简单易于实现，不会对天线阵列的结构和尺寸造成影响，天线阵列保持稳定的辐射性能。设计在天线阵元的接地板靠近介质基板中心线的边具有凹凸形状，可以增加表面的电流路径，从而扩展天线阵列的带宽。
实施例二
本发明实施例提供一种通信器件，如图4所示，该通信器件包括：
无线收发器41，以及如上述实施例所述的天线阵列42，该无线收发器41与天线阵列42连接。
实施例三
本发明实施例提供一种终端设备，如图5所示，该终端设备包括：
处理器51、存储器52、以及如上所述的通信器件53，处理器51、存储器52和通信器件53通过总线54连接。
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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (9)

1.一种超宽带平面单极子天线阵列，其特征在于，包括：
介质基板、中和线，沿所述介质基板的第一中心线对称印刷在所述介质基板下表面的第一接地板和第二接地板，沿所述介质基板的第一中心线对称印刷在所述介质基板上表面的第一平面单极子天线的辐射贴片及微带馈线，和第二平面单极子天线的辐射贴片及微带馈线；
所述第一接地板和所述第二接地板的特定边具有对称的凹部，所述特定边为靠近所述介质基板的第一中心线的边，所述对称的凹部对称于所述介质基板的第二中心线，所述第二中心线垂直于所述第一中心线；
所述中和线的两端分别连接在所述第一平面单极子天线的辐射贴片上和所述第二平面单极子天线的辐射贴片上。
2.根据权利要求1所述的天线阵列，其特征在于，所述中和线在所述第一平面单极子天线的辐射贴片上的连接位置相距所述介质基板的第一中心线的距离，与所述中和线在所述第二平面单极子天线的辐射贴片上的连接位置相距所述介质基板的第一中心线的距离相等。
3.根据权利要求1所述的天线阵列，其特征在于，所述第一平面单极子天线的辐射贴片和所述第二平面单极子天线的辐射贴片均为圆环形辐射贴片。
4.根据权利要求1所述的天线阵列，其特征在于，所述第一接地板和所述第二接地板均为具有两个缺角的矩形接地板，所述两个缺角对称于所述介质基板的第二中心线。
5.根据权利要求4所述的天线阵列，所述缺角包括如下的形状中的任一种：三角形、正方形、长方形。
6.根据权利要求1所述的天线阵列，其特征在于，所述中和线的形状包括：折线或曲线。
7.根据权利要求6所述的天线阵列，其特征在于，所述中和线呈“弓”字形。
8.一种通信器件，其特征在于，包括：
无线收发器，以及如权利要求1至7中任一项所述的超宽带平面单极子天线阵列，所述无线收发器与所述超宽带平面单极子天线阵列连接。
9.一种终端设备，其特征在于，包括：
处理器、存储器、以及如权利要求8所述的通信器件；
所述处理器、所述存储器和所述通信器件通过总线连接。
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