CN107591608A - 三极化的mimo天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种天线系统，设置于基板上，所述基板具有依序排列的第一层，第二层、第三层及第四层，并包括有一接地层，设置于基板的第一辐射部，第二辐射部，第三辐射部；接地部，位于所述基板的所述接地层；及馈入部，包括第一馈入部、第二馈入部以及第三馈入部，设置于所述第四层上，其中，所述馈入部通过设置于所述接地部的槽孔与所述辐射部相互耦合以辐射电磁波。本发明采用层级结构，结构简单，占用空间小，制造工艺简单，便于推广使用，并且具有高增益、低损耗的特点，能稳定用于2.412GHz～2.472GHz频段的无线通信应用上。

Description

三极化的MIMO天线系统

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种三极化的多输入多输出(MultipleInput Multiple Output，简称MIMO)天线系统。

背景技术

目前，随着无线通信技术的不断发展，人们对无线通信的要求越来越高，传统的天线系统已经不能满足人们对于信道容量的要求。利用MIMO技术能够显着提升信道容量，通过同时在发射端和接收端使用多个天线，能够大大提升频谱利用率，提升传输效率。已有研究表明，MIMO天线系统的信道容量可以随着天线数量的增加而增大，具有多极化性质的MIMO天线系统已经越来越得到人们的关注。目前，已经有很多三极化的MIMO天线系统，三级化MIMO天线系统能够实现三个方向正交极化，在同等体积下增大了信道路径，从而提升了信道容量和传输效率。

然而，现有的三级化MIMO天线系统采用立体结构，不仅天线系统体积大，而且制造成本高，不利于大规模推广使用。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种三极化的MIMO天线系统，能够减小天线系统体积，降低成本，便于推广使用。

本发明提供一种天线系统，设置于基板上，所述基板具有依序排列的第一层，第二层、第三层及第四层，并包括有一接地层，所述天线系统包括：

辐射部，包括第一辐射部、第二辐射部以及第三辐射部，用于辐射电磁波，其中：

所述第一辐射部呈方形，设置于所述第一层靠近所述第二层的一面；

所述第二辐射部呈方形，设置于所述第三层靠近所述第二层的一面；

所述第三辐射部呈圆环形，设置于所述第二层靠近所述第一层的一面；

接地部，位于所述基板的所述接地层；及

馈入部，包括第一馈入部、第二馈入部以及第三馈入部，设置于所述第四层上，其中，所述馈入部通过设置于所述接地部的槽孔与所述辐射部相互耦合以辐射电磁波。

优选地，所述第一层、第二层、第三层及第四层之间相互平行，所述第一层与所述第二层之间有间隔，所述第二层与第三层之间有间隔，所述接地层位于所述第三层与第四层之间。

优选地，所述第一层与第二层之间的间隔，以及所述第二层与第三层之间的间隔为电介质。

优选地，所述接地部上设置的槽孔分别为第一槽孔、第二槽孔以及第三槽孔。

优选地，所述第一槽孔、第二槽孔以及第三槽孔为I形。

优选地，所述第一辐射部、第二辐射部和第三辐射部的几何中心位于同一条直线上。

优选地，所述第一槽孔的中心位于所述第一辐射部在所述接地层上的方形投影的一条对角线上，所述第一槽孔与所述对角线垂直；所述第二槽孔的中心位于所述第二辐射部在所述接地层上的方形投影的一条对角线上，所述第二槽孔与所述对角线垂直，所述第二槽孔与所述第一槽孔垂直；所述第三槽孔穿过所述第三辐射部在所述接地层上的圆环形投影，且位于所述圆环形投影的一条直径上。

优选地，所述馈入部，呈L形，分为长端和短端，长端与短端的连接处为一倾斜拐角；所述第一馈入部的长端垂直穿过所述第一槽孔在所述第四层上的槽孔投影的中心位置；所述第二馈入部的长端垂直穿过所述第二槽孔在所述第四层上的槽孔投影的中心位置，所述第二馈入部的短端向远离所述第一馈入部的方向延伸，所述第一馈入部的短端向远离所述第二馈入部的方向延伸；所述第三馈入部的长端垂直穿过所述第三槽孔在所述第四层上的槽孔投影的中心位置，所述第三馈入部的短端向远离所述第三辐射部在所述第四层上的圆环形投影的方向延伸。

本发明实施方式中的天线系统，采用三个馈入部通过三个槽孔与三个辐射部相互耦合以辐射电磁波，形成三个方向的极化，能够提升天线的信道容量和传输效率。本发明采用层级结构，结构简单，占用空间小，制造工艺简单，便于推广使用，并且具有高增益、低损耗的特点，能稳定用于2.412GHz～2.472GHz频段的无线通信应用上。

附图说明

图1为本发明天线系统的一实施方式的立体图。

图2为本发明天线系统的一实施方式的投影示意图。

图3为本发明天线系统的一实施方式的侧视图。

图4为本发明天线系统的一实施方式的尺寸图。

图5为本发明天线系统的一实施方式的各天线单元回波损耗测试结果。

图6为本发明天线系统的一实施方式的各天线单元之间隔离度测试结果。

图7为本发明天线系统的一实施方式的天线增益测试结果。

图8为本发明天线系统的一实施方式的天线增益测试结果。

图9为本发明天线系统的一实施方式的最大增益测试结果。

主要元件符号说明

天线系统 10

基板 20

第一层 201

第二层 203

第三层 205

第四层 207

接地层 206

第一辐射部 301

第二辐射部 302

第三辐射部 303

第一槽孔 401

第二槽孔 402

第三槽孔 403

第一馈入部 501

第二馈入部 502

第三馈入部 503

第一馈入部端口 P1

第二馈入部端口 P2

第三馈入部端口 P3

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明作进一步的详细描述。

请参阅图1，图1为本发明天线系统10一实施方式的立体图。

在本实施方式中，天线系统10位于基板20上。基板20分为四层，各层之间相互平行，第一层201与第二层203之间、第二层203与第三层205之间有间隔，第三层205与第四层207之间为接地层206。在本实施方式中，第一层201与第二层203之间、第二层203与第三层205之间所述间隔为电介质。

在本实施方式中，天线系统10包括辐射部、接地部以及馈入部。天线系统10的辐射部是设置于基板20上的多个金属层，用于辐射电磁波信号，包括第一辐射部301、第二辐射部302以及第三辐射部303。其中，第一辐射部301呈方形，位于第一层201的下表面，该下表面为第一层201靠近第二层203的一面；第二辐射部302呈方形，位于第三层205的上表面，该上表面为第三层205靠近第二层203的一面；第三辐射部303呈圆环形，位于第二层203的上表面，该上表面为第二层203靠近第一层201的一面。应该明白此处辐射部的形状并不用以限制本发明，可以根据实际情况作出适应性的改变，例如第一辐射部301、第二辐射部302、第三辐射部303除可为方形、圆形外，也可以是椭圆形、菱形、矩形等其他形状。

在本实施方式中，接地层206为金属层，其上设置有均呈I形的第一槽孔401、第二槽孔402以及第三槽孔403。设置有槽孔的接地层206是天线系统10的接地部。第一槽孔401位于第一辐射部301在接地层206所在平面的方形投影内，与该方形投影的一条对角线垂直，且第一槽孔401的中心位于该对角线上；第二槽孔402位于第二辐射部302在接地层206所在平面的方形投影内，与该方形投影的一条对角线垂直，且第二槽孔402的中心位于该对角线上，第二槽孔402的大小与第一槽孔401相同，且与第一槽孔401相互垂直；第三槽孔403穿过第三辐射部303在接地层206所在平面的圆环形投影，且位于该圆环投影的一条直径上。需要说明的是，不同于本实施方式中第三槽孔403与第二槽孔402方向垂直，第三槽孔403还可以位于其他位置，只要位于第三辐射部303在接地层206所在平面的圆环形投影的一条直径上即可，且第三槽孔403的位置决定了第三馈入部503的位置，也决定第三辐射部303的辐射方向和与第一辐射部301、第二辐射部302之间的隔离度，本发明仅以图1所示为例，并不以此为限，同样，设置于接地层206的第一槽孔401、第二槽孔402以及第三槽孔403除了可以设置为I形外，在其他实施方式中，也可以设置为其他形状，比如长条形等。

在本实施方式中，馈入部是设置于第四层207下表面上的多个导电金属层，呈L形，由长端以及与长端垂直的短端组成。馈入部包括第一馈入部501、第二馈入部502以及第三馈入部503，用于馈入电磁波信号。第一馈入部501，第一馈入部501的长端垂直穿过第一槽孔401在第四层207上的I形投影的中心位置；第二馈入部502，第二馈入部502的大小与第一馈入部501相同，第二馈入部502的长端垂直穿过第二槽孔402在第四层207上的I形投影的中心位置，第二馈入部502的短端向远离第一馈入部501的方向延伸，第一馈入部501的短端向远离第二馈入部502的方向延伸；第三馈入部503，第三馈入部503的长端垂直穿过第三槽孔403在第四层207所在平面的I形投影的中心位置，其短端向远离第三辐射部303在第四层207上的圆环形投影的方向延伸。馈入部通过槽孔与辐射部相互耦合以辐射电磁波信号。

请参阅图2，图2为为本发明一实施方式的投影示意图。在本实施方式中，第一辐射部301呈方形，第二辐射部302呈方形，第三辐射部303呈圆环形。第一槽孔401位于第一辐射部301对接地层206投影内，该投影呈方形，与该方形投影的一条对角线垂直，且第一槽孔401的中心位于该对角线上；第二槽孔402位于第二辐射部302的方形投影内，与该方形投影的一条对角线垂直，且第二槽孔402的中心位于该对角线上，第二槽孔402的大小与第一槽孔401相同，且与第一槽孔401相互垂直；第三槽孔403穿过第三辐射部303的圆环形投影，且位于该圆环投影的一条直径上。需要说明的是，不同于本实施方式中第三槽孔403与第二槽孔402方向垂直，第三槽孔403还可以位于其他位置，只要位于第三辐射部303在接地层206所在平面的圆环形投影的一条直径上即可，且第三槽孔403的位置决定了第三馈入部503的位置，也决定第三辐射部303的辐射方向和与第一辐射部301、第二辐射部302之间的隔离度，本发明仅以图2所示为例，并不以此为限，另外，设置于接地层206的第一槽孔401、第二槽孔402以及第三槽孔403除了可以设置为I形外，在其他实施方式中，也可以设置为其他形状，比如长条形等。

在本实施方式中，第一馈入部501、第二馈入部502以及第三馈入部503，用于馈入电磁波信号。第一馈入部501，第一馈入部端口为P1，第一馈入部501的长端垂直穿过第一槽孔401的I形投影的中心位置；第二馈入部502，第二馈入部端口为P2，第二馈入部502的大小与第一馈入部501相同，第二馈入部502的长端垂直穿过第二槽孔402的I形投影的中心位置，第二馈入部502的短端向远离第一馈入部501的方向延伸，第一馈入部501的短端向远离第二馈入部502的方向延伸；第三馈入部503，第三馈入部端口为P3，第三馈入部503的长端垂直穿过第三槽孔403的I形投影的中心位置，其短端向远离第三辐射部303的圆环形投影的方向延伸。馈入部通过槽孔与辐射部相互耦合以辐射电磁波信号。

请参阅图3，图3为本发明一实施方式的侧视图。在本实施方式中，第一辐射部301位于第一层201的下表面，该下表面为第一层201靠近第二层203的一面；第二辐射部302位于第三层205的上表面，该上表面为第三层205靠近第二层203的一面；第三辐射部303位于第二层203的上表面，该上表面为第二层203靠近第一层201的一面，如图所示，第一辐射部301、第二辐射部302和第三辐射部303的几何中心均位于一条直线上，在本实施方式中，该直线为如图所示的竖直的直线L，该直线L为穿过基板20几何中心的垂直于基板20的直线，当然图3所示直线L并非要限制本发明，因基板20可以采用不同形状，当天线系统10位于基板20时，直线L将具有不同的位置。

请参阅图4，所示为本发明天线系统10一实施方式的尺寸图。

在本实施方式中，第一层201、第二层203、第三层205以及第四层207的介电常数依次为：2.33、2.33、2.33、2.2。其中，第一层201、第二层203、第三层205厚度均为1.6mm，第四层207厚度为0.8mm，第一层201与第二层203之间间隔为3.4mm，第二层203与第三层205之间间隔为2mm；第一辐射部301对角线长为39mm，第二辐射部302对角线长为32mm，第三辐射部303外环直径为78mm，内环直径为76mm；第一槽孔401中间部分长度为12mm、宽度为1mm，两端部分长度为3mm、宽度为4mm，第二槽孔402尺寸与第一槽孔401相同，第三槽孔403中间部分长度为10mm、宽度为1mm，头部长度为2mm，宽度为8mm；第一馈入部501宽度为2.4mm，短端长度为6mm，拐角处长度为3.4mm，超过第一槽孔401的投影的长度为7.5mm，第二馈入部502的尺寸与第一馈入部501相同，第三馈入部503宽度为2mm，短端长度为3.25mm，拐角处长度为2.8mm，超过第三槽孔403的投影的长度为3.5mm。在其他实施方式中，基板若为其他类型电路板，根据上述设计理论，基板及辐射部尺寸可以有所不同，本发明并不以此为限。

请参阅图5，所示为各天线单元的回波损耗测试结果。由图5可知，天线系统10工作于2.412GHz～2.472GHz频段时，其各端口回波损耗(Return Loss)S11、S22、S33均低于-10dB。

请参阅图6，所示为各天线单元之间隔离度测试结果。由图6可知，天线系统10工作于2.412GHz～2.472GHz频段时，第一馈入部端口P1与第二馈入部端口P2之间隔离度(Isolation)S12低于-30dB，第一馈入部端口P1与第三馈入部端口P3之间隔离度S13低于-18dB，第二馈入部端口P2与第三馈入部端口P3之间隔离度S23低于-55dB。测试结果表明，各端口之间隔离效果良好，均能独立工作。

请参阅图7、图8，所示为天线增益测试结果。其中，天线系统工作频率为2.44GHz，图7为X-Z平面，图8为Y-Z平面。由图7与图8可知，天线系统10工作于中心频段为2.44GHz时，具有三个方向辐射的特性。

请参阅图9，所示为天线最大增益测试结果。由图9可知，天线系统10工作于2.412GHz～2.472GHz频段时，最大增益均高于8dB。

本发明实施方式的天线系统10，采用三个馈入部通过三个槽孔与三个辐射部相互耦合以辐射电磁波，形成三个方向的极化，能够提升天线的信道容量和传输效率。本发明采用层级结构，结构简单，占用空间小，制造工艺简单，便于推广使用，并且具有高增益、低损耗的特点，能稳定用于2.412GHz～2.472GHz频段的无线通信应用上。

Claims (8)

1.一种天线系统，设置于基板上，所述基板具有依序排列的第一层，第二层、第三层及第四层，并包括有一接地层，其特征在于，所述天线系统包括：

辐射部，包括第一辐射部、第二辐射部以及第三辐射部，用于辐射电磁波，其中：

所述第一辐射部呈方形，设置于所述第一层靠近所述第二层的一面；

所述第二辐射部呈方形，设置于所述第三层靠近所述第二层的一面；

所述第三辐射部呈圆环形，设置于所述第二层靠近所述第一层的一面；

接地部，位于所述基板的所述接地层；及

馈入部，包括第一馈入部、第二馈入部以及第三馈入部，设置于所述第四层上，其中，所述馈入部通过设置于所述接地部的槽孔与所述辐射部相互耦合以辐射电磁波。

2.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述第一层、第二层、第三层及第四层之间相互平行，所述第一层与所述第二层之间有间隔，所述第二层与第三层之间有间隔，所述接地层位于所述第三层与第四层之间。

3.如权利要求2所述的天线系统，其特征在于，所述第一层与第二层之间的间隔，以及所述第二层与第三层之间的间隔为电介质。

4.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述接地部上设置的槽孔分别为第一槽孔、第二槽孔以及第三槽孔。

5.如权利要求4所述的天线系统，其特征在于，所述第一槽孔、第二槽孔以及第三槽孔为I形。

6.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述第一辐射部、第二辐射部和第三辐射部的几何中心位于同一条直线上。

7.如权利要求4所述的天线系统，其特征在于：

所述第一槽孔的中心位于所述第一辐射部在所述接地层上的方形投影的一条对角线上，所述第一槽孔与所述对角线垂直；

所述第二槽孔的中心位于所述第二辐射部在所述接地层上的方形投影的一条对角线上，所述第二槽孔与所述对角线垂直，所述第二槽孔与所述第一槽孔垂直；

所述第三槽孔穿过所述第三辐射部在所述接地层上的圆环形投影，且位于所述圆环形投影的一条直径上。

8.如权利要求7所述的天线系统，其特征在于：

所述馈入部，呈L形，分为长端和短端，长端与短端的连接处为一倾斜拐角；

所述第一馈入部的长端垂直穿过所述第一槽孔在所述第四层上的槽孔投影的中心位置；

所述第二馈入部的长端垂直穿过所述第二槽孔在所述第四层上的槽孔投影的中心位置，所述第二馈入部的短端向远离所述第一馈入部的方向延伸，所述第一馈入部的短端向远离所述第二馈入部的方向延伸；

所述第三馈入部的长端垂直穿过所述第三槽孔在所述第四层上的槽孔投影的中心位置，所述第三馈入部的短端向远离所述第三辐射部在所述第四层上的圆环形投影的方向延伸。