CN107623177B - 基于四单元的宽带mimo天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于四单元宽带MIMO天线，主要解决现有MIMO天线带宽较窄，尺寸较大，信道容量较低的问题，其包括介质基板(2)、金属地板(3)和馈电端口(4)，介质基板上表面设有辐射层(1)，辐射层包括对称分布的四个相同辐射单元(11)，每个辐射单元包括馈电线(111)和单极子(112)，单极子由扇形金属贴片(1121)和“L”形金属贴片(1122)组成，该扇形金属贴片位于“L”形金属贴片正上方的外侧，且圆心位于馈电线边缘的延长线上，该“L”形金属贴片的上端与扇形金属贴片下端相连，下端与馈电线的上端相连。本发明减小了体积，实现了2.68GHz至4.55GHz的工作频段，可用于移动通信中。

Description

基于四单元的宽带MIMO天线

本发明属于天线技术领域，特别涉及一种宽带MIMO天线，可用于移动通信。

背景技术

多输入多输出系统MIMO是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号能够通过发射端多个天线发射，同时接收端多个天线接收。MIMO技术可以利用多径效应，为系统提供复用增益和空间分集增益，提高通信系统的性能，进而提高信号稳定性和信道容量。MIMO技术的另一个特点在于不需要额外的带宽或者功率就可以充分利用多径信道中的空间自由度，从而提高频谱利用率。因此，对于如今的第五代移动通信系统，MIMO技术毫无疑问是一个核心技术。

由于移动设备中天线设计的空间十分狭小，内部的电磁环境也非常复杂，若同时存在多个天线，天线之间的互耦往往非常强烈。因此，在MIMO天线设计中隔离度这项指标尤其重要，较低的隔离度意味着天线单元之间存在较大的干扰，这会导致天线接收信号的相关性降低，干扰彼此的工作状态，造成天线系统性能的恶化。现今大多数通信设备终端都要求天线能在满足辐射性能的前提下，尺寸尽可能的小。然而天线的辐射增益和阻抗带宽会随着天线尺寸的减小而降低，辐射方向图也会恶化，更重要的是天线单元间的耦合也大幅度增强，这将导致天线单元间的隔离度降低，MIMO系统的信道容量大幅度下降。因此，如何提高天线单元间的隔离度同时保持天线具有较小的尺寸和宽带性能是当前亟需解决的问题。

2016年，云南大学的申东娅等人发明了一种4×4超宽带MIMO天线，专利申请公开号为CN106532235A，其中，天线由辐射单元、馈电线和接地板组成，介质基板采用介电常数为4.4，损耗角正切为0.02的FR4，尺寸为60mm×60mm×1.6mm，通过引入两个对称的矩形网状十字型隔离结构，使得天线获得了良好的隔离性能，但是该天线的整体尺寸相对较大，不利于安装于终端设备中。

2017年，广东工业大学的吴艳杰等人发明了一种紧凑型高隔离度MIMO天线，专利申请公开号为CN106374212A，其中天线单元由辐射单元、馈电线和接地板组成，介质基板采用的是FR4，通过天线第一单元和第二单元的摆放位置形成极化分集和方向图分集实现高隔离，但是其天线单元个数为2，导致系统信道容量较低，无法满足现今通信对速率的要求。

2014年，中国电子科技集团公司第七研究所的吴裕婷等人发明了一种无去耦结构的四单元宽带缝隙MIMO天线，专利申请公开号CN1O4638365A，其中天线由辐射单元、微带馈线和接地板组成，相邻天线单元相互垂直，未引入任何去耦结构，同样能获得高隔离度的特性，但是其工作带宽相对较窄，无法满足下一代移动通信的需求。

综上可知，目前已报道的MIMO天线通常带宽很窄，隔离度相对较低，尺寸相对较大，而二单元的MIMO天线系统的信道容量通常很低，无法满足下一代通信系统的需求。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于四单元的宽带MIMO天线，以减小天线体积，实现天线在移动通信频段2.68GHz至4.55GHz内取得良好的阻抗带宽和隔离度，满足下一代通信系统的需求。

为实现上述目的，本发明包括介质基板、金属地板和馈电端口，介质基板的上表面设置有辐射层，该辐射层包括四个相同辐射单元，每个辐射单元由馈电线和单极子组成，其特征在于：

所述单极子，由扇形金属贴片和“L”形金属贴片组成，该扇形金属贴片位于“L”形金属贴片正上方的外侧，且扇形金属贴片的圆心位于馈电线边缘的延长线上；该“L”形金属贴片的上端部与扇形金属贴片下端部相连，“L”形金属贴片的下端部与所述馈电线的上端部相连；

所述扇形金属贴片、“L”形金属贴片和馈电线三者为一体结构。

上述天线，其中所述的馈电线位于介质基板上表面边缘的一侧。

上述天线，其中所述的单极子设置在馈电线正上方的边缘处。

上述天线，其中所述的金属地板由四个相同的缺陷地枝节复合结构组成，每个缺陷地枝节复合结构由矩形贴片和“V”字形地板枝节组成，分布在介质基的下表面，且“V”字形地板枝节位于矩形贴片的对角线顶端，其与矩形贴片二者为一体结构。

上述天线，其中所述的矩形贴片正上方边缘的一侧设置有矩形槽，该矩形槽与馈电线的中线相互重合。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1.本发明由于采用了扇形金属贴片和“L”形金属贴片的结构，且使扇形金属贴片的圆心位于馈电线边缘的延长线，通过调整扇形金属贴片和“L”形金属贴片的结构尺寸，改变了天线谐振的频率，进一步克服了现有技术天线阻抗带宽较窄的问题，实现了2.68GHz至4.55GHz的阻抗带宽。

2.本发明由于采用了扇形金属贴片与“L”形金属贴片的一体结构，减小了天线单元的尺寸，克服了现有技术天线单元尺寸较大的问题，实现了天线单元小型化。

3.本发明由于采用了辐射层和金属地板以介质基板中心旋转对称设置的结构，使得相邻天线单元相互垂直，同时在金属地板上加载“V”字形地板枝节，实现了在频段2.68GHz至4.55GHz内的高隔离度特性。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明中的MIMO天线单元结构示意图。

图3为本发明中的辐射单元结构图。

图4为本发明中的缺陷地枝节复合结构示意图。

图5为MIMO天线单元回波损耗相反数S11的电磁仿真曲线图。

图6为本发明实施例1的S参数电磁仿真曲线图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明作进一步的描述：

实施例1：

参照图1，本发明包括辐射层1、介质基板2、金属地板3和馈电端口4，其中辐射层1设置于介质基板2的上表面，金属地板3设置于介质基板2的下表面。该辐射层1和金属地板3以介质基板2中心旋转对称设置。

参照图2，本发明中的MIMO天线单元包括辐射单元11、缺陷地枝节复合结构和馈电子端口41。

所述辐射单元11由馈电线111和单极子112组成，馈电线111位于介质基板2上表面边缘的一侧，单极子112设置在所述辐射单元11正上方的边缘处。

所述单极子112由扇形金属贴片1121和“L”形金属贴片1122组成，该扇形金属贴片1121位于“L”形金属贴片1122正上方的外侧，且扇形金属贴片1121的圆心位于馈电线111边缘的延长线上；该“L”形金属贴片1122的上端部与扇形金属贴片1121下端部相连，“L”形金属贴片1122的下端部与馈电线111的上端部相连。

所述扇形金属贴片(1121)、“L”形金属贴片(1122)和馈电线(111)三者为一体结构。

所述缺陷地枝节复合结构由矩形贴片31和“V”字形地板枝节32组成，分布在介质基板2的下表面，且“V”字形地板枝节32位于矩形贴片31的对角线顶端，其与矩形贴片31二者为一体结构。

所述“V”字形地板枝节32包括第一枝节321和第二枝节322，其中，第一枝节321垂直于矩形贴片31，第二枝节322倾斜于矩形贴片31。

所述矩形贴片31正上方边缘的一侧设置有矩形槽33，该矩形槽33中线与馈电线111的中线重合，通过设置矩形槽33，改善了馈电线111的阻抗匹配，使得馈电线111的能量能够更多的传输到单极子112上，天线的辐射效率得到了提高。

所述馈电子端口41的上端与馈电线111的始端相连，下端与矩形贴片31边缘相连。

参照图3，所述扇形金属贴片1121外半径R1为6mm，内半径R2为2mm。

所述“L”形金属贴片1122的外侧边长度W1为7.5mm,宽度L1为2mm,内侧边长度L2为5mm,宽度W2为1mm。

参照图4，所述第一枝节321的长度L3为11mm,第二枝节322的长度L4为14mm,两枝节的夹角α为45°。

实施例2：

本实施例与实施例1的结构相同，仅对如下参数做出调整：

参照图3，所述扇形金属贴片1121外半径R1为5mm，内半径R2为1.5mm。

所述“L”形金属贴片1122的外侧边长度W1为6.0mm，宽度L1为1.5mm，内侧边长度L2为4.0mm,宽度W2为0.5mm。

参照图4，所述第一枝节321的长度L3为10mm,第二枝节322的长度L4为13mm，两枝节的夹角α为30°。

实施例3：

本实施例与实施例1的结构相同，仅对如下参数做出调整：

参照图3，所述扇形金属贴片1121外半径R1为7mm，内半径R2为2.5mm。

所述“L”形金属贴片1122的外侧边长度W1为9.0mm，宽度L1为2.5mm，内侧边长度L2为6.0mm,宽度W2为1.5mm。

参照图4，所述第一枝节321的长度L3为12mm,第二枝节322的长度L4为15mm，两枝节的夹角α为50°。

下面结合附图对本发明的效果作进一步的描述：

仿真1，本发明通过电磁仿真软件Ansoft HFSS建模，在频段3.0GHz-4.0GHz对实施例1中的MIMO天线单元模型进行仿真，得到的S11曲线如图5所示，其中图5的横轴表示频率，纵轴表示反射系数S11，图5中实线曲线代表MIMO天线单元反射系数S11仿真曲线。从反射系数S11随频率的变化曲线可以看出，实施例1中MIMO天线单元的S11≤-10dB的频带范围为3.17-3.85GHz，S11最低点对应的频点为3.48GHz，代表了谐振频点，中心频点为3.51GHz，相对带宽为19.3％。

仿真2，本发明通过电磁仿真软件Ansoft HFSS建模，在频段2.5GHz-5.0GHz对实施例1中的四单元宽带MIMO天线模型进行仿真，得到的S11、S21和S31曲线如图6所示，其中图6的横轴表示频率，纵轴表示S参数。其中：图6中方形标志曲线表示本发明MIMO天线的S11仿真曲线，圆形标志曲线表示本发明MIMO天线的S21仿真曲线，三角形曲线表示本发明MIMO天线的S31仿真曲线。

从图6中可以看出，实施例1中的MIMO天线在2.66-4.55GHz内S11<-10dB,S21在全频段内均小于-15dB,S31在大于2.68GHz时能满足S31<-15dB的要求。综合S11和隔离度可知，实施例1中的MIMO天线工作带宽为2.68-4.55GHz,相对带宽达到了51.7％。

以上仿真结果说明，本发明的MIMO天线在2.68-4.55GHz内实现了宽带高隔离度的特性，且提高了工作带宽。

以上描述仅是本发明的三个实施例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求和保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于四单元宽带MIMO天线，包括介质基板(2)、金属地板(3)和馈电端口(4)，介质基板(2)的上表面设置有辐射层(1)，该辐射层(1)包括四个相同辐射单元(11)，每个辐射单元(11)由馈电线(111)和单极子(112)组成，其特征在于：

所述单极子(112)，由扇形金属贴片(1121)和“L”形金属贴片(1122)组成，该扇形金属贴片(1121)位于“L”形金属贴片(1122)正上方的外侧，且扇形金属贴片(1121)的圆心位于馈电线(111)边缘的延长线上；该“L”形金属贴片(1122)的上端部与扇形金属贴片(1121)下端部相连，“L”形金属贴片(1122)的下端部与所述馈电线(111)的上端部相连；

所述扇形金属贴片(1121)、“L”形金属贴片(1122)和馈电线(111)三者为一体结构。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：所述馈电线(111)位于介质基板(2)上表面边缘的一侧。

3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：所述单极子(112)设置在馈电线(111)正上方的边缘处。

4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：所述金属地板(3)由四个相同的缺陷地枝节复合结构组成，每个缺陷地枝节复合结构由矩形贴片(31)和“V”字形地板枝节(32)组成，分布在介质基板(2)的下表面，且“V”字形地板枝节(32)位于矩形贴片(31)的对角线顶端，其与矩形贴片(31)二者为一体结构。

5.根据权利要求4所述的天线，其特征在于：所述矩形贴片(31)正上方边缘的一侧设置有矩形槽(33)，该矩形槽(33)与馈电线(111)的中线相互重合。

6.根据权利要求4所述的天线，其特征在于：所述“V”字形地板枝节(32)包括第一枝节(321)和第二枝节(322)，其中，第一枝节垂直于矩形贴片(31)，第二枝节(322)倾斜于矩形贴片(31)。

7.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：所述馈电端口(4)由四个相同的馈电子端口(41)组成，每个馈电子端口(41)的上端与馈电线(111)的始端相连，下端与矩形贴片(31)边缘相连。

8.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：

所述扇形金属贴片(1121)的外半径R1为5～7mm，内半径R2为1.5～2.5mm；

所述“L”形金属贴片(1122)的外侧边的长度L1为6～9mm,宽度W1为1.5～2.5mm,内侧边的长度L2为4～6mm,宽度W2为0.5～1.5mm。

9.根据权利要求6所述的天线，其特征在于：所述第一枝节(321)的长度L3为10～12mm,第二枝节(322)的长度L4为13～15mm,两枝节的夹角α为30～50°。

10.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：所述辐射层(1)和金属地板(3)均以介质基板(2)中心旋转对称设置。