CN107465002B - 一种多频多波束mimo天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多频多波束MIMO天线，属于天线技术领域。包括若干个反射板（1）和若干个MIMO单元（2），若干个反射板（1）围绕竖向轴线沿圆周方向首尾依次相互连接，若干个反射板（1）均向远离竖向轴线的方向倾斜，每个所述反射板外侧均平行地固定设置一个所述MIMO单元，所述MIMO单元包括若干个偶极子阵元（9），若干个所述偶极子阵元（9）围绕所述MIMO单元的轴心沿圆周方向依次排列。本发明为应用于WLAN/WiMAX无线通信的多频多波束MIMO天线，四个MIMO单元产生的波束朝向不同的方向，反映了本装置具有方向图分集的特性，表明该装置可以产生四个定向波束，满足不同方向上的能量需求；具有天线小型化，占据空间小，便于安装。

Description

一种多频多波束MIMO天线
技术领域
本发明涉及一种多频多波束MIMO天线，属于天线技术领域。
背景技术
现如今无线通信技术发展迅速，对于无线通信速率和通信质量要求与日俱增。多波束技术可以实现波束隔离，频率复用，提高通信容量；MIMO技术利用多个天线发射和接收信号，可以增加数据传输速率和通信质量。WLAN/WiMAX无线通信一般希望能够覆盖2.4GHz-2.48GHz，3.4GHz-3.7GHz，5.15GHz-5.85GHz频段，且要求具有较高增益。现有技术中的MIMO天线结构复杂，体积占据空间大，实用性不佳。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种小型化，高增益，低造价的多频多波束MIMO天线。
为达到上述目的，本发明提供一种多频多波束MIMO天线，包括若干个反射板和若干个MIMO单元，若干个反射板围绕竖向轴线沿圆周方向首尾依次相互连接，若干个反射板均向远离竖向轴线的方向倾斜，每个所述反射板外侧均平行地固定设置一个所述MIMO单元，所述MIMO单元包括若干个偶极子阵元，若干个所述偶极子阵元围绕所述MIMO单元的轴心沿圆周方向依次排列。
优先地，本发明中包括四个所述反射板和四个MIMO单元，所述反射板上部为长方形板，所述反射板下部为倒置的等腰梯形板，所述长方形板下边缘长度等于所述等腰梯形板的上边缘长度，所述反射板一体成型，四个所述反射板上的四个等腰梯形板的两个斜边依次相互固定连接。
优先地，本发明中所述MIMO单元包括四个偶极子阵元，所述偶极子阵元包括上贴片、下贴片、基板和馈电端口，所述上贴片固定设置在所述基板上表面，所述下贴片固定设置在所述基板下表面，所述馈电端口固定设置在所述基板后侧壁上，所述馈电端口上端连接所述上贴片，所述馈电端口下端连接所述下贴片，所述上贴片、所述下贴片和所述馈电端口均为导电体；所述基板外形为长方形，所述基板下部两端均倒角45°，四个所述基板上的两个倒角沿圆周方向依次相互固定连接形成“十”型。
优先地，本发明中包括枝节一、枝节二和枝节三，所述上贴片外形为“7”型，所述下贴片外形为倒置的U型，所述上贴片包括第一横板和第一竖板，所述第一横板右端固定连接所述第一竖板上端，所述下贴片包括第二竖板、第二横板和第三竖板，所述第二竖板上端固定连接所述所述第二横板左端，所述第二横板右端固定连接所述第三竖板，所述第三竖板长度小于所述第二竖板长度，所述第一横板、所述第二横板平行于所述基板上表面前侧边缘，所述第一竖板、第二竖板和第三竖板平行于所述基板上表面左侧壁，所述枝节一垂直固定连接所述第一竖板左边缘，所述枝节二、所述枝节三垂直固定连接所述第三竖板左边缘，所述枝节二位于所述枝节三前侧，所述枝节二与所述第二横板之间开设凹槽，所述第一横板、所述第一竖板和所述枝节一一体成型，所述枝节二、所述枝节三、第二竖板、第二横板和第三竖板一体成型。
优先地，本发明中若干个反射板与竖向轴线的夹角为10~80°。
优先地，本发明中所述上贴片、所述下贴片和所述馈电端口材质均为铜。
优先地，本发明中所述反射板与相对应的所述MIMO单元之间的距离为10-14mm。
优先地，本发明中所述基板为FR介质基板。
优先地，本发明中所述反射板材质为铝。
本发明所达到的有益效果：
本发明为应用于WLAN/WiMAX无线通信的多频多波束MIMO天线，四个MIMO单元产生的波束朝向不同的方向，反映了本装置具有方向图分集的特性，表明该装置可以产生四个定向波束，满足不同方向上的能量需求；具有天线小型化，占据空间小，便于安装；
本发明中MIMO单元和反射板之间具有良好的隔离度，四个MIMO天线单元分别朝向不同方向的优点在于它们产生的方向图彼此没有交叉，实现了方向图分集；
本发明中反射板和MIMO单元之间没有实体连接，反射板将向下辐射的能量反射到辐MIMO单元的上方，加强正向辐射的增益，具有高增益的优点；
四个偶极子阵元在间距尽可能小的情况下，使各个偶极子阵元之间产生较好的隔离，减小了彼此之间的耦合；
枝节一、枝节二、枝节三和凹槽相互作用，彼此影响，共同实现了阻抗匹配和频带拓展，达到天线所需要求；
本发明易于加工制作，制造成本较低，有较好的市场前景低造价的优点。
附图说明
图1是本发明的结构图；
图2是本发明的侧视图；
图3是本发明的仰视图；
图4是本发明中偶极子阵元的主视图；
图5是图4的仰视图；
图6是本发明中偶极子阵元的结构图；
图7是图6的俯视图；
图8是图6中上贴片的俯视图；
图9是图6中下贴片的俯视图；
图10是本发明中一个MIMO天线单元的回波损耗；
图11是本发明中一个MIMO天线单元的S参数；
图12是本发明中一个偶极子阵元在YZ平面的增益方向图；
图13是本发明中4个波束的增益方向图。
附图中标记含义，1-反射板；2-MIMO单元；3-左MIMO单元；4-后MIMO单元；5-前MIMO单元；6-右MIMO单元；7-上贴片；8-下贴片；9-偶极子阵元；10-基板；11-凹槽；12-枝节二；13-枝节三；14-馈电端口；15-枝节一；D1-上偶极子阵元；D2-左偶极子阵元；D3-下偶极子阵元；D4-右偶极子阵元。
实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1-图4所示，一种多频多波束MIMO天线，包括若干个反射板1和若干个MIMO单元2，若干个反射板1围绕竖向轴线沿圆周方向首尾依次相互连接，若干个反射板1均向远离竖向轴线的方向倾斜，每个所述反射板外侧均平行地固定设置一个所述MIMO单元，所述MIMO单元包括若干个偶极子阵元9，若干个所述偶极子阵元9围绕所述MIMO单元的轴心沿圆周方向依次排列。
进一步地，本发明中包括四个所述反射板1和四个MIMO单元，所述反射板1上部为长方形板，所述反射板1下部为倒置的等腰梯形板，所述长方形板下边缘长度等于所述等腰梯形板的上边缘长度，所述反射板1一体成型，四个所述反射板1上的四个等腰梯形板的两个斜边依次相互固定连接。
进一步地，如图5所示，本发明中所述MIMO单元2包括四个偶极子阵元9，四个MIMO单元包括左MIMO单元3、后MIMO单元4、前MIMO单元5和右MIMO单元，四个MIMO单元上的反射板焊接在一起，其中后MIMO单元4、前MIMO单元5在x轴方向关于原点对称分布，左MIMO单元3、右MIMO单元6在y轴方向关于原点对称分布，四个MIMO天线单元分别朝向不同方向的优点在于它们产生的方向图彼此没有交叉，实现了方向图分集。
如图7-图10所示，所述偶极子阵元9包括上贴片7、下贴片8、基板10和馈电端口14，所述上贴片7固定设置在所述基板10上表面，所述下贴片8固定设置在所述基板10下表面，所述馈电端口14固定设置在所述基板10后侧壁上，所述馈电端口14上端连接所述上贴片7，所述馈电端口14下端连接所述下贴片8，所述上贴片7、所述下贴片8和所述馈电端口14均为导电体；所述基板10外形为长方形，所述基板10下部两端均倒角45°，四个所述基板10上的两个倒角沿圆周方向依次相互固定连接形成“十”型。
进一步地，本发明中包括枝节一15、枝节二12和枝节三13，所述上贴片7外形为“7”型，所述下贴片外形为倒置的U型，所述上贴片7包括第一横板和第一竖板，所述第一横板右端固定连接所述第一竖板上端，所述下贴片包括第二竖板、第二横板和第三竖板，所述第二竖板上端固定连接所述所述第二横板左端，所述第二横板右端固定连接所述第三竖板，所述第三竖板长度小于所述第二竖板长度，所述第一横板、所述第二横板平行于所述基板10上表面前侧边缘，所述第一竖板、第二竖板和第三竖板平行于所述基板10上表面左侧壁，所述枝节一15垂直固定连接所述第一竖板左边缘，所述枝节二12、所述枝节三13垂直固定连接所述第三竖板左边缘，所述枝节二12位于所述枝节三13前侧，所述枝节二12与所述第二横板之间开设凹槽11，所述第一横板、所述第一竖板和所述枝节一15一体成型，所述枝节二12、所述枝节三13、第二竖板、第二横板和第三竖板一体成型。
进一步地，本发明中若干个反射板1与竖向轴线的夹角为10~80°；本实施例中若干个反射板1与竖向轴线的夹角均为70°。
进一步地，本发明中所述上贴片7、所述下贴片8和所述馈电端口14材质均为铜。
进一步地，如图6所示，本发明中所述反射板1与相对应的所述MIMO单元之间的距离为10-14mm，本实施例中取值12mm。
进一步地，本发明中所述基板10为FR4介质基板。
进一步地，本发明中所述反射板1材质为铝。
反射板尺寸为100mm*100mm*1mm，与MIMO单元没有实体连接，它的作用是将辐射器向下辐射的能量反射到辐射器的上方，加强正向辐射的增益。
辐射器含有四个结构相同的偶极子阵元，对应于编号D1-D4，其中D1与D3对称分布，相距36mm，D2与D4对称分布，相距36mm。这样分布的优点是在间距尽可能小的情况下，使各个阵元之间产生较好的隔离，减小彼此之间的耦合。
FR4介质基板尺寸为48mm*26mm*3mm。上下贴片均为铜皮，上贴片为贴片a，位于介质基板的上表面，中心线的左侧；下贴片为贴片b，位于介质基板的下表面，中心线的右侧，上、下贴片通过馈电端口连接。馈电端口为4mm*3mm的铜皮。当对馈电端口馈电时，上贴片产生向上的能量辐射，下贴片产生向下的能量辐射。
偶极子阵元是在传统的印刷偶极子的基础上，添加枝节和挖槽实现的。其中，枝节一15为矩形，属于贴片a，位于第一横板下方4mm处，尺寸为2mm*5.5mm；凹槽为矩形槽，尺寸为2mm*12mm；枝节二12、枝节三13均为矩形，枝节二12、枝节三13尺寸分别为1.5mm*10.3mm、1.5mm*5mm。枝节一15、枝节二12和枝节三13和凹槽11相互作用，彼此影响，共同实现了阻抗匹配和频带拓展，达到天线所需要求。
图11是一个MIMO天线单元的回波损耗（Sii）。如图所示，在2.4GHz-2.48GHz，3.4GHz-3.7GHz，5.15GHz-5.85GHz频段内，回波损耗均在-10dB以下，满足MIMO天线性能对回波损耗的要求。回波损耗反映了天线在相应频段内的阻抗匹配情况，其谐振点越低，阻抗匹配越好，反射回来的能量越少。
图12是一个MIMO天线单元的S参数（Sij）。如图所示，在2.4GHz-2.48GHz，3.4GHz-3.7GHz，5.15GHz-5.85GHz频段内，S参数均在-18dB以下，优于MIMO天线性能要求的-10dB标准。该S参数反映了MIMO天线各个单元之间的隔离度，隔离度（S参数的绝对值）越大，各个单元之间的耦合影响越小，对天线整体性能越好。
图13是MIMO天线单元中的一个偶极子阵元D1在YZ平面内，不同频点时的增益辐射方向图。如图所示，偶极子阵元分别在2.45GHz、3.5GHz和5.8GHz频点时，均产生一个增益峰值，大约都在Theta等于0deg的方向上。反映了偶极子阵元可以定向辐射能量的特性，即产生一个定向辐射波束。
图13是在5.8GHz时，每个MIMO天线单元的偶极子阵元D1的增益辐射方向图。
如图所示，四个波束朝向不同的方向，反映了该天线具有方向图分集的特性，表明该装置可以产生四个定向波束，满足不同方向上的能量需求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种多频多波束MIMO天线，其特征在于，包括若干个反射板（1）和若干个MIMO单元（2），若干个反射板（1）围绕竖向轴线沿圆周方向首尾依次相互连接，若干个反射板（1）均向远离竖向轴线的方向倾斜，每个所述反射板外侧均平行地固定设置一个所述MIMO单元，所述MIMO单元包括若干个偶极子阵元（9），若干个所述偶极子阵元（9）围绕所述MIMO单元的轴心沿圆周方向依次排列；
所述MIMO单元（2）包括四个偶极子阵元（9），所述偶极子阵元（9）包括上贴片（7）、下贴片（8）、基板（10）和馈电端口（14），所述上贴片（7）固定设置在所述基板（10）上表面，所述下贴片（8）固定设置在所述基板（10）下表面，所述馈电端口（14）固定设置在所述基板（10）后侧壁上，所述馈电端口（14）上端连接所述上贴片（7），所述馈电端口（14）下端连接所述下贴片（8），所述上贴片（7）、所述下贴片（8）和所述馈电端口（14）均为导电体；
所述反射板（1）材质为铝。
2.根据权利要求1所述的一种多频多波束MIMO天线，其特征在于，包括四个所述反射板（1）和四个MIMO单元，所述反射板（1）上部为长方形板，所述反射板（1）下部为倒置的等腰梯形板，所述长方形板下边缘长度等于所述等腰梯形板的上边缘长度，所述反射板（1）一体成型，四个所述反射板（1）上的四个等腰梯形板的两个斜边依次相互固定连接。
3.根据权利要求1所述的一种多频多波束MIMO天线，其特征在于，所述基板（10）外形为长方形，所述基板（10）下部两端均倒角45°，四个所述基板（10）上的两个倒角沿圆周方向依次相互固定连接形成“十”型。
4.根据权利要求3所述的一种多频多波束MIMO天线，其特征在于，包括枝节一（15）、枝节二（12）和枝节三（13），所述上贴片（7）外形为“7”型，所述下贴片外形为倒置的U型，所述上贴片（7）包括第一横板和第一竖板，所述第一横板右端固定连接所述第一竖板上端，所述下贴片包括第二竖板、第二横板和第三竖板，所述第二竖板上端固定连接所述所述第二横板左端，所述第二横板右端固定连接所述第三竖板，所述第三竖板长度小于所述第二竖板长度，所述第一横板、所述第二横板平行于所述基板（10）上表面前侧边缘，所述第一竖板、第二竖板和第三竖板平行于所述基板（10）上表面左侧壁，所述枝节一（15）垂直固定连接所述第一竖板左边缘，所述枝节二（12）、所述枝节三（13）垂直固定连接所述第三竖板左边缘，所述枝节二（12）位于所述枝节三（13）前侧，所述枝节二（12）与所述第二横板之间开设凹槽（11），所述第一横板、所述第一竖板和所述枝节一（15）一体成型，所述枝节二（12）、所述枝节三（13）、第二竖板、第二横板和第三竖板一体成型。
5.根据权利要求1所述的一种多频多波束MIMO天线，其特征在于，若干个反射板（1）与竖向轴线的夹角为10~80°。
6.根据权利要求3所述的一种多频多波束MIMO天线，其特征在于，所述上贴片（7）、所述下贴片（8）和所述馈电端口（14）材质均为铜。
7.根据权利要求1所述的一种多频多波束MIMO天线，其特征在于，所述反射板（1）与相对应的所述MIMO单元之间的距离为10-14mm。
8.根据权利要求3所述的一种多频多波束MIMO天线，其特征在于，所述基板（10）为FR4介质基板。
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