CN106229656A - 宽波束mimo天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽波束MIMO天线，包括：接收单元，用于接收电磁波信号；发射单元，与所述接收单元结构相同，用于发射电磁波信号；去耦合金属板，连接在所述接收单元和所述发射单元之间。通过上述技术方案，一方面，本发明提供的宽波束MIMO天线，结构紧凑易于加工；另一方面，独立的接收单元和发射单元能提供更高的数据传输速率和更大的信道容量，同时，接收单元和发射单元之间的去耦合金属板可以保证两者之间不会相互影响。

Description

宽波束MIMO天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体地，涉及一种宽波束MIMO天线。
背景技术
在通信技术领域中，4G通信采用的是多输入多输出技术，即MIMO技术，MIMO技术不仅能够提供更高的数据传输速率还能提供更大的信道容量。在MIMO技术中，信号的接收和发送是相对独立的，他们可以同时进行，然而由于采用了多个输入、输出端口，无法能保证天线工作时各个端口之间不会相互影响，另外，随着终端设备小型化的发展趋势，单个天线难以达到更广的覆盖面积。
发明内容
本发明的目的是提供一种宽波束MIMO天线，该天线不仅结构紧凑，易于加工，而且还能提供更高的数据传输速率以及更大的信道容量。
为了实现上述目的，本发明提供一种宽波束MIMO天线，包括：接收单元，用于接收电磁波信号；发射单元，与所述接收单元结构相同，用于发射电磁波信号；去耦合金属板，连接在所述接收单元和所述发射单元之间。
可选地，所述接收单元包括：金属腔体，形成为上端开放的长方形箱体结构，包括四个侧壁和一个底壁；介质基板，盖合在所述金属腔体的上端，与所述底壁平行并与所述四个侧壁相连；槽形天线，贴设于所述介质基板的上表面，包括矩形贴片和U形贴片，所述U形贴片的两端与所述矩形贴片的长度方向的两端相连，所述槽形天线的外边缘与所述介质基板的边缘对齐；馈线，贴设于所述介质基板的上表面；同轴电缆，穿设于所述金属腔体的底壁和所述介质基板，包括内导体和外导体，所述内导体与所述馈线相连。
可选地，所述馈线包括倒П形微带线和扇形微带线，所述倒П形微带线包括第一条带以及与该第一条带垂直的第二条带和第三条带，所述扇形微带线包括梯形贴片和半圆形贴片，所述梯形贴片的短底边与所述第一条带的中部相连，所述半圆形贴片与所述梯形贴片相连，所述半圆形贴片的圆心位于所述梯形贴片的长底边上，并且所述半圆形贴片的直径与所述梯形贴片的长底边的长度相等，所述同轴电缆的内导体与所述半圆形贴片相连。
可选地，所述第一条带、所述第二条带以及第三条带的宽度均为2.5mm-3.5mm，所述第一条带的长度为29.5mm-31mm，所述第二条带和第三条带的长度均为24.92mm-25.9mm，所述梯形贴片的短底边的宽度为0.8mm-1.2mm，所述梯形贴片的长底边的宽度为1.8mm-2.1mm，所述半圆形贴片的半径为1.5mm-2.2mm。
可选地，所述矩形贴片上形成有梯形槽孔和半圆形槽孔，所述梯形槽孔的长底边位于所述矩形贴片的内侧边缘上，所述半圆形槽孔的圆心位于所述梯形槽孔的短底边上，并且所述半圆形槽孔的直径与所述梯形槽孔的短底边的长度相等，所述半圆形贴片位于所述半圆形槽孔中。
可选地，所述槽形天线的长度为78mm-81mm，宽度为67mm-69mm，所述矩形贴片的宽度为12.87mm-13.07mm，所述U形贴片的两内侧壁之间的距离为13.5mm-15mm，所述梯形槽孔的长底边长度为9.2mm-10mm，所述梯形槽孔的短底边长度为4mm-4.5mm，所述半圆形槽孔的半径为2.1mm-2.5mm。
可选地，所述去耦合金属板形成为矩形板，并且包括相互平行的第一长边和第二长边以及相互平行第一短边和第二短边，所述第一长边和所述第二长边分别与所述接收单元的金属腔体的一个侧壁和所述发射单元的金属腔体的一个侧壁相连。
可选地，所述去耦合金属板的厚度为1mm-1.4mm，所述第一长边67mm-68.5mm，第一短边19mm-21mm。
可选地，所述去耦合金属板上开设有U形槽和L形槽，所述U形槽包括沿所述去耦合金属板的宽度方向延伸且邻近所述第一短边设置的第一槽以及沿所述去耦合金属板的长度方向延伸的第二槽和第三槽，所述第二槽的末端延伸至所述第二短边，所述L形槽位于所述第二槽和第三槽之间，并且包括相互垂直的第一段和第二段，所述第一段与所述第三槽相连，所述第二段沿着所述去耦合金属板的长度方向延伸。
可选地，所述第二槽的宽度为2.5mm-3.2mm，长度62.8mm-63.5mm，所述第一段和所述第二段的宽度0.8mm-1.1mm，所述第二段的长度为19mm-20.1mm，所述第一段长度3.3mm-4.3mm。
通过上述技术方案，一方面，本发明提供的宽波束MIMO天线，结构紧凑易于加工；另一方面，独立的接收单元和发射单元能提供更高的数据传输速率和更大的信道容量，同时，接收单元1和发射单元2之间的去耦合金属板3可以保证两者之间的不会相互影响。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是根据本发明的一个实施方式的宽波束MIMO天线的结构示意图；
图2是根据本发明的一个实施方式的宽波束MIMO天线的主视图；
图3是根据本发明的一个实施方式的宽波束MIMO天线的俯视图；
图4是根据本发明的一个实施方式的宽波束MIMO天线的俯视图；
图5是根据本发明的一个实施方式的宽波束MIMO天线的|S21|和频率的关系曲线图；
图6是根据本发明的一个实施方式的宽波束MIMO天线的驻波比和频率的关系曲线图；
图7是根据本发明的一个实施方式的宽波束MIMO天线的增益在1.75GHz、2.05GHz、2.25GHz和角度的关系曲线图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
如图1和图2所示，本发明提供的一种宽波束MIMO天线，包括接收单元1、发射单元2以及位于两者之间的去耦合金属板3，这里，需要说明的是，接收单元1和发射单元2的结构完全相同，接收单元1用于接收电磁波信号，发射单元2用于发射电磁波信号，耦合金属板3用于在有限的空间内减少接收单元1和发射单元2之间的相互影响。通过上述技术方案，一方面，本发明提供的宽波束MIMO天线，结构紧凑易于加工；另一方面，独立的接收单元和发射单元能提供更高的数据传输速率和更大的信道容量，同时，接收单元1和发射单元2之间的去耦合单元3可以保证两者之间的不会相互影响。
具体地，如图1和图3所示，接收单元1包括金属腔体10，本发明中金属腔体10可以形成为上端开放的长方形箱体结构，包括四个侧壁和一个底壁，底壁上形成有空洞以供同轴电缆14穿过，金属腔体10的上表面设置有介质基板11，这里，介质基板11盖合在金属腔体10的上端，与金属腔体10的底壁平行放置，并且与金属腔体10的四个侧壁相连，介质基板11上同样形成有空洞以供同轴电缆14穿过；另外，介质基板11上贴设有槽型天线12和馈线13，槽形天线12的外边缘与介质基板11的边缘对齐，本发明中，槽型天线12由两部分组成，矩形贴片121和U形贴片122，U形贴片122的两端与矩形贴片121的长度方向的两端相连。这里，金属腔体10的作用是可以使得原本向后辐射的能量在金属腔体10的底壁被反射回来，使能量更多的往上方辐射，进而可以得到相当宽的波束角度；另外，通过改变金属腔体10和介质基板11的长度或者是宽度，即，改变槽型天线12的长度或者是宽度，可以直接改变天线的工作频段范围。
具体地，如图3所示，馈线13包括倒П形微带线和扇形微带线，倒П形微带线包括第一条带131以及与该第一条带131垂直的第二条带132和第三条带133，扇形微带线包括梯形贴片134和半圆形贴片135，梯形贴片134的短底边与第一条带131的中部相连，半圆形贴片135与梯形贴片134相连，半圆形贴片135的圆心位于梯形贴片134的长底边上，并且半圆形贴片135的直径与梯形贴片134的长底边的长度相等。另外需要说明的是，本发明的提供的宽波束MIMO天线中的同轴电缆14，包括内导体和外导体，内导体可以与半圆形贴片135相连，外导体通过介质基板和金属腔体的空洞与介质基板相连。这里，需要说明的是，通过改变倒П形微带线第二条带132和第三条带133的长度，可以增加天线的辐射增益，但是，当工作频段内的增益增加到一定的范围后，频带内的驻波比就会大于2.5，使得天线的性能降低。这时，可以通过调节金属腔体10的大小或者深度，可以使增益和驻波比达到一个均衡的水平，使天线性能更加的优异。
进一步地，如图3所示，槽型天线12的矩形贴片121上形成有梯形槽孔123和半圆形槽孔124，梯形槽孔123的长底边位于矩形贴片121的内侧边缘上，半圆形槽孔124的圆心位于梯形槽孔123的短底边上，并且半圆形槽孔124的直径与梯形槽孔123的短底边的长度相等，半圆形贴片135位于半圆形槽孔124中。
本发明提供的宽波束MIMO天线，去耦合金属板3形成为矩形板，并且包括相互平行的第一长边31和第二长边32以及相互平行第一短边33和第二短边34，第一长边31和第二长边32分别与接收单元1的金属腔体10的一个侧壁和发射单元2的金属腔体10的一个侧壁相连。具体地，去耦合金属板上开设有U形槽和L形槽，U形槽包括沿去耦合金属板3的宽度方向延伸且邻近第一短边33设置的第一槽35以及沿去耦合金属板3的长度方向延伸的第二槽36和第三槽37，第二槽36的末端延伸至第二短边34，第二槽36的长度小于第三槽37的长度；L形槽位于第二槽36和第三槽37之间，并且包括相互垂直的第一段38和第二段39，第一段38与第二槽36相连，第二段39沿着去耦合金属板3的长度方向延伸。这里，通过改变去耦合金属板3的宽度可以直接改变MIMO天线的S21，但是去耦合金属板3的宽度需要综合考虑天线整体尺寸和天线性能，另外，通过改变U形槽和L形槽的尺寸大小可以直接改变MIMO天线的S21。
具体地，如图4所示，根据本发明提供的一个实施方式，保证宽波束MIMO数据传输效率和信道容量，本发明提供以下优选尺寸，L10为2.5～3.5mm，L为29.5～31mm，W5为24.92～25.9mm，L12为0.8～1.2mm，D2为1.8～2.1mm，D2/2为1.5～2.2mm，L13为78～81mm，W为67～69mm，L9为13.5～15mm，W2为51.2～53mm；L2为9.2～10mm，L1为4～4.5mm；D1/2为2.1～2.5mm。
进一步，如图2所示H为29～31mm；L9为9.5～10mm，W1为4～5mm，H1为27.5～28.2mm，L7为19～21mm，W为67～68.5mm，H4为1～1.4mm，；L3均为2.5～3.2mm，W10为64～66mm，L5为0.8～1.1mm，L4为2.5～3.2mm，W9为19～20.1mm。。
本发明提供一个具体实施例，介质基板11采用材料为TMM4，相对电介质常数4.5，厚度为1.2mm，相对磁导率为1.0，损耗正切角值0.002，使用高频电磁仿真软件HFSS13.0进行仿真分析，经过仿真优化之后各参数最佳尺寸如表1所示。
所设计MIMO天线在1.75GHz～2.25GHz内|S21|均小于-29.5dB，具有良好的互耦抑制效果；所设计MIMO天线在1.75GHz～2.25GHz内驻波比均小于2.5，具有良好的匹配效果；所设计的宽波束MIMO天线在2.25GHz时，增益的最大值达到6.65dBi，其3dB波束宽度等于104.3°(-47°-57.3°)；在2.05GHz时，增益的最大值达到6.3dBi，3dB波束宽度等于109.9°(-53.7°-56.2°)；在1.75GHz时，增益的最大值达到5.98dBi，其3dB波束宽度等于107.5°(-56.3°-51.2°)；综上，1.75GHz～2.25GHz频带内所有频点的3dB波束宽度均大于100°，增益最大值均大于5.99dBi。
表1本发明各参数最佳尺寸表
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种宽波束MIMO天线，其特征在于，包括：
接收单元，用于接收电磁波信号；
发射单元，与所述接收单元结构相同，用于发射电磁波信号；
去耦合金属板，连接在所述接收单元和所述发射单元之间。
2.根据权利要求1所述的宽波束MIMO天线，其特征在于，所述接收单元包括：
金属腔体，形成为上端开放的长方形箱体结构，包括四个侧壁和一个底壁；
介质基板，盖合在所述金属腔体的上端，与所述底壁平行并与所述四个侧壁相连；
槽形天线，贴设于所述介质基板的上表面，包括矩形贴片和U形贴片，所述U形贴片的两端与所述矩形贴片的长度方向的两端相连，所述槽形天线的外边缘与所述介质基板的边缘对齐；
馈线，贴设于所述介质基板的上表面；
同轴电缆，穿设于所述金属腔体的底壁和所述介质基板，包括内导体和外导体，所述内导体与所述馈线相连，所述外导体与所述介质基板相连。
3.根据权利要求2所述的宽波束MIMO天线，其特征在于，所述馈线包括倒П形微带线和扇形微带线，所述倒П形微带线包括第一条带以及与该第一条带垂直的第二条带和第三条带，所述扇形微带线包括梯形贴片和半圆形贴片，所述梯形贴片的短底边与所述第一条带的中部相连，所述半圆形贴片与所述梯形贴片相连，所述半圆形贴片的圆心位于所述梯形贴片的长底边上，并且所述半圆形贴片的直径与所述梯形贴片的长底边的长度相等，所述同轴电缆的内导体与所述半圆形贴片相连。
4.根据权利要求3所述的宽波束MIMO天线，其特征在于，所述第一条带、所述第二条带以及第三条带的宽度均为2.5mm-3.5mm，所述第一条带的长度为29.5mm-31mm，所述第二条带和第三条带的长度均为24.92mm-25.9mm，所述梯形贴片的短底边的宽度为0.8mm-1.2mm，所述梯形贴片的长底边的宽度为1.8mm-2.1mm，所述半圆形贴片的半径为1.5mm-2.2mm。
5.根据权利要求3所述的宽波束MIMO天线，其特征在于，所述矩形贴片上形成有梯形槽孔和半圆形槽孔，所述梯形槽孔的长底边位于所述矩形贴片的内侧边缘上，所述半圆形槽孔的圆心位于所述梯形槽孔的短底边上，并且所述半圆形槽孔的直径与所述梯形槽孔的短底边的长度相等，所述半圆形贴片位于所述半圆形槽孔中。
6.根据权利要求5所述的宽波束MIMO天线，其特征在于，所述槽形天线的长度为78mm-81mm，宽度为67mm-69mm，所述矩形贴片的宽度为12.87mm-13.07mm，所述U形贴片的两内侧壁之间的距离为13.5mm-15mm，所述梯形槽孔的长底边长度为9.2mm-10mm，所述梯形槽孔的短底边长度为4mm-4.5mm，所述半圆形槽孔的半径为2.1mm-2.5mm。
7.根据权利要求1所述的宽波束MIMO天线，其特征在于，所述去耦合金属板形成为矩形板，并且包括相互平行的第一长边和第二长边以及相互平行第一短边和第二短边，所述第一长边和所述第二长边分别与所述接收单元的金属腔体的一个侧壁和所述发射单元的金属腔体的一个侧壁相连。
8.根据权利要求7所述的宽波束MIMO天线，其特征在于，所述去耦合金属板的厚度为1mm-1.4mm，所述第一长边的长度为67mm-68.5mm，所述第一短边的长度为19mm-21mm。
9.根据权利要求7所述的宽波束MIMO天线，其特征在于，所述去耦合金属板上开设有U形槽和L形槽，所述U形槽包括沿所述去耦合金属板的宽度方向延伸且邻近所述第一短边设置的第一槽以及沿所述去耦合金属板的长度方向延伸的第二槽和第三槽，所述第二槽的末端延伸至所述第二短边，所述第二槽的长度小于所述第三槽的长度，所述L形槽位于所述第二槽和所述第三槽之间，并且包括相互垂直的第一段和第二段，所述第一段与所述第二槽相连，所述第二段沿着所述去耦合金属板的长度方向延伸。
10.根据权利要求9所述的宽波束MIMO天线，其特征在于，所述第二槽的宽度为2.5mm-3.2mm，长度为62.8mm-63.5mm，所述第一段和所述第二段的宽度为0.8mm-1.1mm，所述第二段的长度为19mm-20.1mm，所述第一段的长度为3.3mm-4.3mm。
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