CN107369913A - 基于中和线的双频缝隙mimo天线 - Google Patents

基于中和线的双频缝隙mimo天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于中和线的双频缝隙MIMO天线，包括两个天线辐射体，两个天线辐射体的底部相互连接且内侧边缘之间形成一个夹角，两个天线辐射体关于天线的中心轴线左右对称，两个天线辐射体的内侧边缘通过中和线连接，两个天线辐射体覆盖的介质基板的上表面敷设有金属层作为金属射频地，每一个天线辐射体由一个多模缝隙谐振器和一个T形结构的共面波导馈线组成，多模缝隙谐振器由折叠缝隙谐振器和共面波导阶梯阻抗谐振器组成，共面波导阶梯阻抗谐振器与金属射频地连接，并通过共面波导馈线给多模缝隙谐振器馈电。本发明采用中和线连接两个天线辐射体，提高了天线隔离度，通过调节中和线的长度来调谐天线工作频率，结构简单，实用性高。

Description

基于中和线的双频缝隙MIMO天线
技术领域
本发明涉及射频微波通信技术领域，尤其涉及一种基于中和线的双频缝隙MIMO天线。
背景技术
中和线虽然已经广泛应用于MIMO(Multiple Input Multiple Output，多输入多输出)天线设计，以提高天线端口间的隔离度，但是绝大多数中和线都是应用于单极子结构，即通过中和线连接单极子结构的辐射体或者馈电线来提高天线端口间的隔离度。然而，当天线馈电结构为共面波导(CPW)馈电线时，这种连接两个馈电线的中和线设计方法会大大增加天线匹配难度，因此实用性很低。
发明内容
本发明的主要目的提供一种基于中和线的双频缝隙MIMO天线，旨在解决现有MIMO天线利用共面波导馈电线时，采用中和线连接两个馈电线匹配难度大导致实用性低的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于中和线的双频缝隙MIMO天线，刻蚀在介质基板的上表面，所述双频缝隙MIMO天线包括两个天线辐射体，两个天线辐射体的底部相互连接且内侧边缘之间形成一个夹角，两个天线辐射体关于该双频缝隙MIMO天线的中心轴线左右对称，两个天线辐射体的内侧边缘通过一根中和线连接，两个天线辐射体覆盖的介质基板的上表面敷设有金属层作为金属射频地，每一个天线辐射体由一个多模缝隙谐振器和一个T形结构的共面波导馈线组成，该多模缝隙谐振器由一个折叠缝隙谐振器和一个共面波导阶梯阻抗谐振器组成，该共面波导阶梯阻抗谐振器与金属射频地连接，并通过共面波导馈线给多模缝隙谐振器馈电。
优选的，所述共面波导阶梯阻抗谐振器为由所述折叠缝隙谐振器包围住的介质基板上的金属层，且通过一个宽度为S1的金属线与金属射频地连接。
优选的，所述折叠缝隙谐振器由一根第一槽线、两根第二槽线、两根第三槽线、两根第四槽线以及两根第五槽线组成，所述两根第二槽线的一端各自垂直连接在第一槽线的两端形成直角U型结构，其中一根第三槽线的一端和其中一根第五槽线的一端各自垂直连接在其中一根第四槽线的两端形成一个准直角U型结构，其中另一根第三槽线的一端和其中另一根第五槽线的一端各自垂直连接在其中另一根第四槽线的两端形成一个准直角U型结构，两根第三槽线的另一端垂直连接在两根第二槽线的另一端。
优选的，所述折叠缝隙谐振器的两根第四槽线位于两根第二槽线之间且相互平行，两根第四槽线相互靠近且通过金属线隔开，第一槽线、第三槽线和第五槽线相互平行且通过部分介质基板隔开形成共面波导阶梯阻抗谐振器。
优选的，所述折叠缝隙谐振器的第一槽线的中部位置向下垂直方向开设有第六槽线，该第六槽线的一端连通至第一槽线的中部位置，第六槽线的另一端向下延伸并连接至介质基板的一条长边缘。
优选的，所述共面波导馈线包括第一馈线和第二馈线，所述第二馈线的一端垂直连接至第一馈线的中部位置形成T形结构，所述第一馈线内置于所述缝隙谐振器的第一槽线中且使第一馈线与第一槽线下边框之间的间隔为d1的位置处，所述第二馈线内置于第六槽线且使第二馈线两侧的镂空缝隙均为d0的中央位置处，使T形结构的共面波导馈线给多模缝隙谐振器馈电。
优选的，所述两根第四槽线之间的内侧间距为S0，两根第四槽线之间的外侧间距等于金属线的宽度。
优选的，所述中和线是由五段弯折线组成“准几字型”的金属铜线。
优选的，所述中和线的宽度为0.5mm，所述中和线的五段弯折线长度分别为L8＝8.45mm、L9＝12.2mm、L10＝5.8mm、L9＝12.2mm以及L8＝8.45mm。
优选的，所述两个天线辐射体中的多模缝隙谐振器之间的最小距离为D3＝3.0mm。
相较于现有技术，本发明所述基于中和线的双频缝隙MIMO天线采用中和线连接双频缝隙天线中两个天线辐射体，从而在第一工作频率形成了一个传输零点，提高了由CPW馈线激励的天线两个端口之间的隔离度，该传输零点的频率可以通过调节中和线的长度来调谐，结构简单，实用性高。
附图说明
图1是本发明基于中和线的双频缝隙MIMO天线的结构示意图；
图2是连接两个天线辐射体之间的中和线的结构示意图；
图3是天线辐射体的结构尺寸示意图；
图4是天线辐射体中的多模缝隙谐振器的结构示意图；
图5是天线辐射体中的多模缝隙谐振器开设有槽线的结构示意图；
图6是天线辐射体中的共面波导馈线的结构示意图；
图7是具有中和线对天线S参数影响的仿真示意图；
图8是调节中和线的长度对天线S参数的影响示意图。
本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，将在具体实施方式部分一并参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成上述目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效进行详细说明。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。
参照图1所示，图1是本发明基于中和线的双频缝隙MIMO天线的结构示意图。在本实施例中，所述双频缝隙MIMO(Multiple Input Multiple Output，多输入多输出)天线包括两个天线辐射体11，两个天线辐射体11的内侧边缘通过一根弯折的中和线12连接，每一个天线辐射体11由多模缝隙谐振器13和共面波导馈线3组成，该多模缝隙谐振器13由一个折叠缝隙谐振器(FSLR)1和一个共面波导阶梯阻抗谐振器(CSIR)2组成，该共面波导阶梯阻抗谐振器2通过一个宽度为S1的金属线5(参照图3所示)与金属射频地(Ground)4连接，并通过一个T形结构的共面波导馈线3(简称CPW馈线3)给多模缝隙谐振器13馈电，实现了天线的双频特性。
在本实施例中，两个天线辐射体11刻蚀在介质基板10上，两个天线辐射体11覆盖的部分介质基板10的上表面敷设有金属层(例如敷铜金属层，图1中采用灰色部分表示)，例如敷铜金属层，作为金属射频地4，图1中的金属射频地4是指没有被多模缝隙谐振器13包围的那部分金属层。所述介质基板10具体的板材类型可以为FR4板材、厚度为1.6mm、介电常数为4.4。两个天线辐射体11的底部相互连接且内侧边缘之间形成一个夹角θ，该夹角θ可以为0°至180°之间任意角度，本实施例以夹角60°作为天线结构尺寸的优选设计。两个天线辐射体11关于双频缝隙天线的中心轴线ab左右对称。所述中和线12连接两个天线辐射体11，从而使双频缝隙天线在相应工作频率形成一个传输零点，提高了双频缝隙天线的两个端口(端口P1和端口P2)之间的隔离度。
参考图2所示，图2是连接两个天线辐射体之间的中和线的结构示意图。在本实施例中，所述中和线12刻蚀在两个天线辐射体11之间的介质基板10上，刻蚀有中和线12的部分介质基板10上没有涂覆金属层。所述中和线12为金属线，例如金属铜线。所述中和线12可以为一条直线、曲线、或者为任意形状的弯折线，例如“准几字型”弯折线、半圆形弯折线、半椭圆形弯折线等。为了便于天线结构尺寸设计，本实施例所述的中和线12优选为“准几字型”弯折线。
在本实施例中，作为天线结构尺寸的优选设计，本发明所述中和线12由五段弯折线组成“准几字形”，由于两个天线辐射体11的内侧边缘之间形成的夹角θ为60°，中和线12的宽度优选为0.5mm，中和线12的五段弯折线长度分别优选为L8＝8.45mm、L9＝12.2mm、L10＝5.8mm、L9＝12.2mm、L8＝8.45mm。在其它实施中，中和线12的每一段弯折线长度可以根据两个天线辐射体11的内侧边缘之间形成的夹角θ来设计。
参考图3和图4所示，图3是天线辐射体的结构尺寸示意图；图4是天线辐射体中多模缝隙谐振器的结构示意图。在本实施例中，每一个天线辐射体11包括一个多模缝隙谐振器13，所述多模缝隙谐振器13由一个折叠缝隙谐振器1和一个共面波导阶梯阻抗谐振器2组成，且关于该多模缝隙谐振器13的轴中心线左右对称。所述折叠缝隙谐振器1包括一根第一槽线21、两根第二槽线22、两根第三槽线23、两根第四槽线24以及两根第五槽线25。两根第二槽线22的一端各自垂直连接在第一槽线21的两端形成直角U型结构，其中一根第三槽线23的一端和其中一根第五槽线25的一端各自垂直连接在其中一根第四槽线24的两端形成一个准直角U型结构，其中另一根第三槽线23的一端和其中另一根第五槽线25的一端各自垂直连接在其中另一根第四槽线24的两端形成一个准直角U型结构，两根第三槽线23的另一端垂直连接在两根第二槽线22的另一端，两根第四槽线24位于两根第二槽线22之间且相互平行，两根第四槽线24相互靠近且通过金属线5隔开。第一槽线21、第三槽线23和第五槽线25相互平行且通过部分介质基板10隔开形成共面波导阶梯阻抗谐振器2。由于多模缝隙谐振器13关于该多模缝隙谐振器13的轴中心线左右对称，因此两个准直角U型结构关于多模缝隙谐振器13的轴中心线左右对称。
在本实施例中，所述直角U型结构定义为构成U型的两个转角为直角且构成U型的两根槽线长度相等(均为第二槽线22)，准直角U型结构定义为构成准U型的两个转角为直角且构成准U型的两根槽线长度不相等(一根槽线为第三槽线23，另一根槽线为第五槽线25，且第三槽线23的长度大于第五槽线25)。本发明所称槽线均指在介质基板10上开设的镂空缝隙。
一并参考图3和图4所示，第一槽线21的长度为两根第三槽线23的长度L3与金属线5的宽度S1之和(即2×L3+S1)，第一槽线21的宽度为W1；第二槽线22的长度为L2，第三槽线23的长度为L3，第四槽线24的长度为L4，第五槽线25的长度为L5，第二槽线22、第三槽线23、第四槽线24和第五槽线25的宽度均为W2；两根第四槽线24之间的内侧间距为S0，两根第四槽线24之间的外侧间距等于金属线5的宽度，均为S1；第一槽线21和第五槽线25之间的间距为S2。
所述共面波导阶梯阻抗谐振器2为由折叠缝隙谐振器1包围住的部分介质基板10的金属层，且通过一个宽度为S1的金属线5与金属射频地4连接。第一槽线21、第三槽线23和第五槽线25相互平行且通过部分介质基板10隔开形成共面波导阶梯阻抗谐振器2。
参考图5，图5是多模缝隙谐振器13开设有槽线的结构示意图。在本实施例中，所述折叠缝隙谐振器1的第一槽线21的中部位置向下垂直方向开设有第六槽线26，该第六槽线26的一端连通至第一槽线21的中部位置，另一端向下延伸并连接至介质基板10的一条长边缘。参考图3所示，第六槽线26的长度为L0+d1，宽度为W0+2×d0。
参考图6所示，图6是共面波导馈线3的结构示意图。在本实施例中，所述共面波导馈线3呈T形结构，该共面波导馈线3包括第一馈线31和第二馈线32，所述第二馈线32的一端垂直连接至第一馈线31的中部位置。参考图3所示，第一馈线31的长度为T形结构的末端横向长度L6的两倍与第二馈线32的宽度W0之和(即2×L6+W0)，第一馈线31的宽度为W6；第一馈线31与第一槽线21下边框之间的间隔为d1；第二馈线32的长度为L0，第二馈线32的宽度为W0。第二馈线32的两条边框与第六槽线26的两条边框之间的间隔均为d0(第二馈线32两侧的镂空缝隙均为d0)，所述T形结构的共面波导馈线3的末端横向长度为L6。在制作本发明的双频缝隙天线的天线辐射体11时，将共面波导馈线3的第一馈线31直接放置于缝隙谐振器1的第一槽线21中且使第一馈线31与第一槽线21下边框之间的间隔为d1的位置处，并将CPW馈线3的第二馈线32直接放置于第六槽线26且使第二馈线32两侧的镂空缝隙均为d0的中央位置，从而使得T形结构的共面波导馈线3给多模缝隙谐振器13馈电。
结合图1、图2和图3所示，每一个天线辐射体11优选的各个结构尺寸如下表1所示：
表1本发明所述双频缝隙天线优选实施例的尺寸
参数 W0 W1 W2 W6 L0 L1 L2 L3 L4
值(mm) 4.6 2.2 1.2 0.5 22 17.55 9.0 18.45 4.6
参数 L5 L6 d0 d1 d2 S0 S1 S2
值(mm) 8.55 7.8 0.4 1.2 1.0 4.6 3.6 2.2
在本实施例中，两个天线辐射体11的多模缝隙谐振器13之间的最小距离为D3，本实施例优选距离D3为3.0mm。多模缝隙谐振器13的第三槽线23与天线辐射体11的内侧边缘之间的距离为L7，本实施例优选距离L7为10.0mm。所述介质基板10的长度和宽度可以根据天线尺寸大小的需求选择。
参考图7所示，图7是具有中和线12对天线S参数影响的仿真示意图。在本实施例中，所述天线S参数包括天线反射系数(S11)和天线传输系数(S21，也称隔离度)。具有中和线12的天线和没有中和线12的天线反射系数(S11)和天线传输系数(S21)的影响如图7所示。本实施例选用中和线12的第二和第四端弯折线的长度为L9＝12.2mm。从图7中可以看出本发明所述双频缝隙MIMO天线有两个工作频段(S11<-10dB)，两个频段的中心频率分别为2.64GHz和5.74GHz。增加中和线12可以在天线在第一工作频段(S11<-10dB)产生一个传输零点，从而有效提高天线在第一工作频段的隔离度(S21)，而天线在第二工作频段不受中和线12的影响。
如图8所示，图8是调节中和线12的长度对天线S参数的影响示意图。设计者可以通过调节中和线12的长度，可以有效调谐天线的传输零点频率。为了便于天线的结构尺寸设计，设计者可以通过改变中和线12的第二段弯折线和第四段弯折线的长度L9(改变的长度L9即改变了中和线12的长度)来有效调谐天线的传输零点频率。如图8所示，分别验证了L9＝11.2mm，L9＝12.2mm和L9＝13.2mm三种不同中和线长度对天线S参数的影响。因此，设计者可以通过调节中和线的长度(L9)的设计，可以有效天线的调谐传输零点频率，通过选取适当的中和线长度，天线在第一工作频段内的隔离度(S21)可大于15dB，从而有效提高了天线在第一工作频段的隔离度。
本发明所述基于中和线的双频缝隙MIMO天线采用中和线连接双频缝隙天线中两个天线辐射体11，从而在第一工作频率形成了一个传输零点，提高了由CPW馈线3激励的双频缝隙MIMO天线两个端口(端口P1和端口P2)之间的隔离度，该传输零点的频率可以通过调节中和线12的长度来调谐，结构简单，实用性高。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效功能变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于中和线的双频缝隙MIMO天线，刻蚀在介质基板的上表面，其特征在于，所述双频缝隙MIMO天线包括两个天线辐射体，两个天线辐射体的底部相互连接且内侧边缘之间形成一个夹角，两个天线辐射体关于该双频缝隙MIMO天线的中心轴线左右对称，两个天线辐射体的内侧边缘通过一根中和线连接，两个天线辐射体覆盖的介质基板的上表面敷设有金属层作为金属射频地，每一个天线辐射体由一个多模缝隙谐振器和一个T形结构的共面波导馈线组成，该多模缝隙谐振器由一个折叠缝隙谐振器和一个共面波导阶梯阻抗谐振器组成，该共面波导阶梯阻抗谐振器与金属射频地连接，并通过共面波导馈线给多模缝隙谐振器馈电。
2.如权利要求1所述的基于中和线的双频缝隙MIMO天线，其特征在于，所述共面波导阶梯阻抗谐振器为由所述折叠缝隙谐振器包围住的部分介质基板上的金属层，且通过一个宽度为S1的金属线与金属射频地连接。
3.如权利要求1所述的基于中和线的双频缝隙MIMO天线，其特征在于，所述折叠缝隙谐振器由一根第一槽线、两根第二槽线、两根第三槽线、两根第四槽线以及两根第五槽线组成，所述两根第二槽线的一端各自垂直连接在第一槽线的两端形成直角U型结构，其中一根第三槽线的一端和其中一根第五槽线的一端各自垂直连接在其中一根第四槽线的两端形成一个准直角U型结构，其中另一根第三槽线的一端和其中另一根第五槽线的一端各自垂直连接在其中另一根第四槽线的两端形成一个准直角U型结构，两根第三槽线的另一端垂直连接在两根第二槽线的另一端。
4.如权利要求3所述的基于中和线的双频缝隙MIMO天线，其特征在于，所述折叠缝隙谐振器的两根第四槽线位于两根第二槽线之间且相互平行，两根第四槽线相互靠近且通过金属线隔开，第一槽线、第三槽线和第五槽线相互平行且通过部分介质基板隔开形成共面波导阶梯阻抗谐振器。
5.如权利要求3所述的基于中和线的双频缝隙MIMO天线，其特征在于，所述折叠缝隙谐振器的第一槽线的中部位置向下垂直方向开设有第六槽线，该第六槽线的一端连通至第一槽线的中部位置，第六槽线的另一端向下延伸并连接至介质基板的一条长边缘。
6.如权利要求5所述的基于中和线的双频缝隙MIMO天线，其特征在于，所述共面波导馈线包括第一馈线和第二馈线，所述第二馈线的一端垂直连接至第一馈线的中部位置形成T形结构，所述第一馈线内置于所述缝隙谐振器的第一槽线中且使第一馈线与第一槽线下边框之间的间隔为d1的位置处，所述第二馈线内置于第六槽线且使第二馈线两侧的镂空缝隙均为d0的中央位置处，使T形结构的共面波导馈线给多模缝隙谐振器馈电。
7.如权利要求3所述的基于中和线的双频缝隙MIMO天线，其特征在于，所述两根第四槽线之间的内侧间距为S0，两根第四槽线之间的外侧间距等于金属线的宽度。
8.如权利要求1至7任一项所述的基于中和线的双频缝隙MIMO天线，其特征在于，所述中和线是由五段弯折线组成“准几字型”的金属铜线。
9.如权利要求8所述的基于中和线的双频缝隙MIMO天线，其特征在于，所述中和线的宽度为0.5mm，所述中和线的五段弯折线长度分别为L8＝8.45mm、L9＝12.2mm、L10＝5.8mm、L9＝12.2mm以及L8＝8.45mm。
10.如权利要求9所述的基于中和线的双频缝隙MIMO天线，其特征在于，所述两个天线辐射体中的多模缝隙谐振器之间的最小距离为D3＝3.0mm。
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