CN108063312B - 一种移动终端宽带mimo双天线 - Google Patents

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Abstract

一种移动终端宽带MIMO双天线，包括介质板、位于介质板一面的金属地部分、以及位于介质板另一面的平面单极子部分和信号馈入部分；金属地部分包括主地板，第一寄生地分支，第二寄生地分支；平面单极子部分包括天线单元一，天线单元二；单元一和单元二放置于主地板长边的两端；每个单元包括两个长度不相等的分支；该天线为平面结构，可在较小尺寸内覆盖多个移动通信频段；具有低剖面、宽频带、高隔离、尺寸小的优点，适用于以手机为代表的各种小型移动终端。

Description

一种移动终端宽带MIMO双天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及移动终端天线，特别涉及一种移动终端宽带MIMO双天线。
背景技术
移动通信技术的飞速发展极大地改变了人们生产生活的方式。手机作为移动终端的常见形式，目前已成为全球最为普及的电子产品之一。为了满足高速上网、高清视频、虚拟现实等多种综合业务，手机的功能变得越来越强大，这主要体现在无线数据传输速率上。根据香农公式，提高数据传输速率的方式主要有两种，一种是增加带宽，另一种是增加天线数量。移动通信的带宽越来越宽，4G标准中可用来传输数据的频段包括DCS(1710-1880MHz)、PCS(1850-1990MHz)、UMTS(1920-2170MHz)、LTE2300(2300-2400MHz)、LTE2500(2500-2690MHz)，这要求移动终端天线能够覆盖1710-2690MHz的频带。此外，在移动终端集成多个天线以实现MIMO通信受到越来越多的关注。当前的研究热点是双天线设计。在不增加带宽的情况下，双天线能将单天线的传输速率提高2倍。为了保证两个天线独立工作，天线端口的高隔离是双天线设计的关键。
在双天线设计中，主流的解耦技术有：引入寄生单元，在地板上刻槽、在地板上引入隔离枝节、引入中和线、利用集总元件搭建解耦网络。这些解耦技术均能在一定频段范围内实现双天线的隔离。然而，这些技术也有一定的局限。第一是解耦带宽窄。由于这些技术是通过引入新的耦合来抵消已存在的耦合，而引入的耦合往往与工作频率有关，难以做到宽带范围内解耦。第二是需要额外占用天线体积。为了引入新的耦合，这些技术需要在两个天线单元之间增加新的结构，这使得天线的整体尺寸变大、结构变复杂。考虑到移动终端的体积严格受限，采用这些技术的成本较高。因此，在移动终端内集成两个小尺寸、高隔离、宽频带的MIMO双天线具有重要的意义。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种移动终端宽带MIMO双天线，通过选择合适的天线形式以及合理放置双天线的位置，本发明无需引入新的耦合即可实现宽带范围内的高隔离。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种移动终端宽带MIMO双天线，其特征在于，包括天线单元一1、天线单元二2、金属地3、信号馈入口一4、信号馈入口二5，其中：
所述金属地3印刷于介质板的一面、天线单元一1、天线单元二2、信号馈入口一4、信号馈入口二5印刷于介质板的另一面；
所述天线单元一1、天线单元二2均为单极子结构，分别位于金属地3的两个角部，关于金属地3长边的中心线对称，或者关于金属地3的中心对称；
所述天线单元一1与信号馈入口一4相连，天线单元二2与信号馈入口二5相连。
所述天线单元一1、天线单元二2的形状和尺寸完全一致，均为由一条竖直边和两条横边组成的F形，其中，上部的横边为第一分支1a，下部的横边为第二分支1b，第一分支1a的长度大于第二分支1b的长度；
所述金属地3包括主地板3c、第一寄生地分支3a、第二寄生地分支3b，主地板3c为T形结构，在一个大矩形的两个角部有两个小矩形缺口，第一寄生地分支3a在一个小矩形缺口处与主地板3c连接，第二寄生地分支3b在另一个小矩形缺口处与主地板3c连接；
所述天线单元一1与第一寄生地分支3a、天线单元二2与第二寄生地分支3b通过耦合馈电。
所述第一分支1a、第二分支1b、第一寄生地分支3a和第二寄生地分支3b均工作在λ/4模式。
所述第一寄生地分支3a和第二寄生地分支3b的总长度大于第一分支1a和第二分支1b的总长度。
所述天线单元一1所有分支的微带线宽度均相等，且微带线的特征阻抗为50欧姆。
所述第一寄生地分支3a、第二寄生地分支3b的形状为U形，两者尺寸完全一致，第一寄生地分支3a的一端连接主地板3c，另一端悬空，第二寄生地分支3b的一端连接主地板3c，另一端悬空，且第一寄生地分支3a和第二寄生地分支3b的U形开口均朝向主地板3c的长边中心线。
所述第一分支1a与第一寄生地分支3a的悬空边垂直，且其投影覆盖在第一寄生地分支3a上方，第二分支1b位于第一寄生地分支3a的悬空边端部与主地板3c之间。
所述第一分支1a的端部投影与第一寄生地分支3a的悬空边外侧平齐。
所述介质板介质板尺寸为：长×宽×厚＝140mm×75mm×1mm，所述主地板3c的小矩形缺口的宽度为25mm，长度为10mm，第一寄生地分支3a的悬空边的宽度为4mm，另一边的宽度为2mm，且所述另一边与天线单元一1的竖直边的间距为2.5mm，所述悬空边在宽度方向上与主地板3c的间距为8mm，U形结构的两条边之间的间距为11mm；所述第一分支1a长度14.5mm，宽度2mm，所述第二分支1b长度11mm，宽度2mm，第一分支1a与第二分支1b的间距为3mm，天线单元一1的总宽度即F形的竖直边长度为12mm。
所述信号馈入口一4、信号馈入口二5为同轴馈电。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)用平面的结构覆盖了DCS、PCS、UMTS、LTE2300、LTE2500等5个频段，且单个天线的尺寸仅为17×10mm2。
(2)地板尺寸在移动终端中所占的比例大，整个结构中只有两个大小为25×10mm2的区域是非地板区域，地板占比大有利于集成更多的电路。
(3)两个天线在宽带范围内具有天然的高隔离，无需增加额外的解耦网络，天线整体结构简单紧凑。
(4)两个天线的位置可灵活配置，即可放置于地板长边的两端，也可放置于地板的对角线上。
附图说明
图1为本发明提供的移动终端宽带MIMO双天线示意图。
图2为图1中天线的一种变形，即两个天线单元位于地板的对角线上。
图3为图1中天线安装后的实施实例俯视图，单位为毫米(mm)。
图4为图1中天线安装后的实施实例仰视图，单位为毫米(mm)。
图5为图1中天线安装后实施实例仿真的散射参数图。
图6为图1中天线安装后实施实例仿真的辐射效率图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1所示，本发明的移动终端宽带MIMO天线，天线结构为平面结构，包括介质板、金属地板3、天线单元一1、天线单元二2、信号馈入口一4以及信号馈入口二5。介质板为常用的FR4板，相对介电常数为4.4，介电损耗为0.02。尺寸为140mm×75mm×1mm。其中，1mm为厚度。金属地板3印刷于介质板的一面，天线单元一1、天线单元二2印刷于介质板的另一面。信号馈入口一4和信号馈入口二5为常用的同轴馈电。天线单元一1、天线单元二2位于介质板长边的两个角上，且关于介质板的长边中心线对称。
本发明的天线的变形结构如图2所示，天线单元一1和天线单元二2位于金属地板3的对角线上，即，关于介质板的中心对称。金属地板3的寄生地分支也相应被放置于对角线上，其他包括介质板、天线尺寸等均不变。
本发明天线单元一1或天线单元二2的形状结构完全相同，参照图1和图3，每个天线单元的形状为F形，由两个长度不等的横边和一个竖直边组成，以天线单元一1为例，上部的横边为第一分支1a，下部的横边为二分支1b，竖直边长度为12mm，第二分支1b更靠近金属地板3，其长度为11mm，第一分支1a的长度为14.5mm。两个分支的线宽相等，均为2mm，第一分支1a与第二分支1b的间距为3mm。天线单元与地板左侧边缘的距离为2.5mm。
本发明金属地板3的尺寸如图4，金属地板3由主地板3a、第一寄生地分支3a、第二寄生地分支3b组成，主地板3c为T形结构，在一个140mm×75mm大矩形的两个角部有两个10mm×25mm的小矩形缺口，也即，由一个120mm×75mm的大矩形和两个两个10mm×20mm的小矩形组成，第一寄生地分支3a在一个小矩形缺口处与主地板3c连接，第二寄生地分支3b在另一个小矩形缺口处与主地板3c连接。
第一寄生地分支3a、第二寄生地分支3b的形状为U形，两者尺寸完全一致，第一寄生地分支3a的一端连接主地板3c，另一端悬空，第二寄生地分支3b的一端连接主地板3c，另一端悬空，且第一寄生地分支3a和第二寄生地分支3b的U形开口均朝向主地板3c的长边中心线。
第一寄生地分支3a的悬空边的宽度为4mm，长度为8mm，另一边的宽度为2mm，长度为10mm，U形结构的两条边之间的间距为11mm，即U形结构的底边长17mm。
本发明的技术方案是这样实现的：
两个天线单元为单极子结构，单极子的两个分支均工作在λ/4模式。由于这两个臂的长度不相等，这两个分支可在不同频率上谐振，从而有效扩展带宽。金属地板3的两个寄生地分支也工作在λ/4模式，其总长度比单极子的两个分支的长度要长，因此对应的谐振频率也要低。单极子与寄生地分支通过耦合馈电。这三个单极子模式组合起来形成了宽带。由于介质的加载，这些单极子的物理长度可有效缩减。
两个天线单元之间的隔离由天线在地板上的布局决定。当单元的两个分支的末端指向地板长边中心时，地板短边上的电流由边缘流向中心，导致辐射的最强点在长边的中心，能量不会沿长边耦合到另一个单元。因此，沿长边放置的两个天线单元可以实现高隔离。
本发明的实施例的结构具体说明如下：
具体实施尺寸由图3和图4所示。以上述2个图所示尺寸制作的移动终端MIMO双天线仿真的散射系数结果如图5所示。反射系数曲线有两个谐振点，形成的-10dB阻抗带宽为1650-2720MHz，覆盖了DCS、PCS、UMTS、LTE2300和LTE2500频段。在阻抗带宽内，两个天线的端口隔离度在15dB以上，最低隔离为16dB。
以上述2个图所示尺寸制作的移动终端双天线仿真的辐射效率结果如图6所示。所述手机天线DCS、PCS、UMTS、LTE2300及LTE2500频段的辐射效率高于80％，效率的波动范围为81％到94％。
所述移动终端MIMO双天线在17×10mm2的平面空间内覆盖了移动通信的5个频段，且无需解耦网络即可实现15dB以上的隔离。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限定，凡是在本发明权利要求范围内所作的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种移动终端宽带MIMO双天线，其特征在于，包括天线单元一(1)、天线单元二(2)、金属地(3)、信号馈入口一(4)、信号馈入口二(5)，其中：
所述金属地(3)印刷于介质板的一面、天线单元一(1)、天线单元二(2)、信号馈入口一(4)、信号馈入口二(5)印刷于介质板的另一面；
所述天线单元一(1)、天线单元二(2)均为单极子结构，分别位于金属地(3)的两个角部，关于金属地(3)长边的中心线对称，或者关于金属地(3)的中心对称；
所述天线单元一(1)、天线单元二(2)的形状和尺寸完全一致，均为由一条竖直边和两条横边组成的F形，其中，上部的横边为第一分支(1a)，下部的横边为第二分支(1b)，第一分支(1a)的长度大于第二分支(1b)的长度，天线单元一(1)、天线单元二(2)的开口沿金属地(3)短边指向内部；
所述金属地(3)包括主地板(3c)、第一寄生地分支(3a)、第二寄生地分支(3b)，主地板(3c)为T形结构，在一个大矩形的两个角部有两个小矩形缺口，第一寄生地分支(3a)在一个小矩形缺口处与主地板(3c)连接，第二寄生地分支(3b)在另一个小矩形缺口处与主地板(3c)连接，所述第一寄生地分支(3a)、第二寄生地分支(3b)的形状为U形，两者尺寸完全一致，第一寄生地分支(3a)的一端连接主地板(3c)，另一端悬空，第二寄生地分支(3b)的一端连接主地板(3c)，另一端悬空，且第一寄生地分支(3a)和第二寄生地分支(3b)的U形开口均朝向主地板(3c)的长边中心线；所述第一分支(1a)与第一寄生地分支(3a)的悬空边垂直，且其投影覆盖在第一寄生地分支(3a)上方，第二分支(1b)位于第一寄生地分支(3a)的悬空边端部与主地板(3c)之间，所述第一分支(1a)的端部投影与第一寄生地分支(3a)的悬空边外侧平齐；
所述天线单元一(1)与信号馈入口一(4)相连，天线单元二(2)与信号馈入口二(5)相连，信号馈入口一(4)位于天线单元一(1)竖直边的下端，信号馈入口二(5)位于天线单元二(2)竖直边的上端；
所述天线单元一(1)与第一寄生地分支(3a)、天线单元二(2)与第二寄生地分支(3b)通过耦合馈电；
所述介质板尺寸为：长×宽×厚＝140mm×75mm×1mm，所述主地板(3c)的小矩形缺口的宽度为25mm，长度为10mm，第一寄生地分支(3a)的悬空边的宽度为4mm，另一边的宽度为2mm，所述悬空边在宽度方向上与主地板(3c)的间距为8mm，U形结构的两条边之间的间距为11mm；所述天线单元一(1)的竖直边与地板(3)左侧边缘的间距为2.5mm，第一分支(1a)长度14.5mm，宽度2mm，所述第二分支(1b)长度11mm，宽度2mm，第一分支(1a)与第二分支(1b)的间距为3mm，天线单元一(1)的总宽度即F形的竖直边长度为12mm。
2.根据权利要求1所述移动终端宽带MIMO双天线，其特征在于，所述第一分支(1a)、第二分支(1b)、第一寄生地分支(3a)和第二寄生地分支(3b)均工作在λ/4模式。
3.根据权利要求1所述移动终端宽带MIMO双天线，其特征在于，所述第一寄生地分支(3a)和第二寄生地分支(3b)的总长度大于第一分支(1a)和第二分支(1b)的总长度。
4.根据权利要求1所述的移动终端宽带MIMO双天线，其特征在于，所述天线单元一(1)所有分支的微带线宽度均相等，且微带线的特征阻抗为50欧姆。
5.据权利要求1所述的移动终端宽带MIMO双天线，其特征在于，所述信号馈入口一(4)、信号馈入口二(5)为同轴馈电。
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