CN108172995B - 多频高隔离度mimo天线 - Google Patents

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Abstract

一种高隔离度MIMO天线，其特征是：三个相同的单元天线之间设置有三个相同的沙漏型隔离框和对称的三叉形隔离条，其中单元天线由介质基板、上表面良导体层及下表面良导体层构成，上表面良导体层为路灯式单极子结构，下表面良导体层为等腰梯形结构，沙漏型隔离框为中间内缩的对称多边形框式结构，三叉形隔离条由三个矩形枝节连接而成，三个相同的沙漏型隔离框以及对称的三叉形隔离条与单元天线的上表面良导体层处于同一平面。本发明与现有的多频MIMIO天线相比采用了沙漏型隔离框及三叉形隔离条，有效地实现了高隔离度性能，进一步改善了天线的性能，扩展了天线的阻抗带宽。本发明具有辐射特性好、结构简单、易于加工、低互耦、多频兼容和全向辐射的优点。

Description

多频高隔离度MIMO天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，特别是一种加载沙漏型隔离框和三叉形隔离条的多频高隔离度MIMO天线。
背景技术
近年来,在社会的发展中,无线通信技术扮演了至关重要的角色，天线作为无线通信系统的关键部件，在很大程度上决定了无线通信系统整体性能的好坏。目前，常见的移动通信设备，频段和制式多样性是最大的特点，人们对无线通信系统的速度、容量及安全性方面的需求不断增加，而多频MIMO天线能够在兼容多个频段的基础上实现多天线工作，实现同时发送和接收多个空间方位的信号，提高通信系统的容量、频谱利用率以及信道的可靠性，能在一定程度上缓解现今频谱资源不足的问题。
对于现阶段无线通信设备趋近于高速率、多功能的趋势，对适用于无线通信系统的天线也提出了多端口、多频段、高隔离度以及能够发射和接收来自空间不同方位信号等要求，但是目前普通多频MIMO天线受到空间限制，单元天线相距较近，相互之间耦合能量很强，彼此干扰太大。因此，如何提高多频MIMO系统中天线单元之间的隔离度就成为了现阶段需要解决的关键问题。
多频高隔离度MIMO天线的优势主要表现在以下方面：
1、相比于单频天线，多频天线能够工作于多个频段，由此兼容各种多功能通信系统。
2、随着单元天线数量的增加，MIMO天线系统传输速率高，它能充分利用空间资源，通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍的提高系统信道容量，显示出明显的优势、被视为下一代移动通信的核心技术。
3、高隔离度MIMO天线，大大减小端口之间的耦合能量，降低了单元天线之间的互扰，使得MIMO天线能够更高效的工作。
现有的MIMO天线普遍存在着隔离度和辐射性差和损耗大的缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种回波损耗低、辐射特性好、隔离度高、结构简单易加工，可很好应用于多频通信系统的高隔离度MIMO天线。
本发明是这样实现的，包括上表面良导体层、下表面良导体层、介质基板、沙漏型隔离框和三叉形隔离条，其特征是：三个相同的单元天线之间设置有三个相同的沙漏型隔离框和对称的三叉形隔离条，其中单元天线由介质基板、上表面良导体层及下表面良导体层构成，上表面良导体层为路灯式单极子结构，下表面良导体层为等腰梯形结构，沙漏型隔离框为中间内缩的对称多边形框式结构，三叉形隔离条由三个矩形枝节连接而成，三个相同的沙漏型隔离框以及对称的三叉形隔离条与单元天线的上表面良导体层处于同一平面。
所述的路灯式单极子结构为内部加载微带枝节的多边形对称框式结构，对称框式结构的边数为4～12，内部加载微带矩形枝节的顶端设计为圆形。
所述的沙漏型隔离框为中间内缩的对称多边形框式结构，中间内缩的对称多边形框式结构的边数为4～12。
所述的对称的三叉形隔离条由三个矩形枝节连接而成。
所述的介质基板采用相对介电常数为2～8的陶瓷、或者环氧复合板双面覆铜、或覆银材料。
所述的介质基板为长方体结构，长为30mm～40mm，宽为30mm～40mm，高为0.5mm～2.5mm。
所述的对称的三叉形隔离条由三个矩形枝节连接而成，矩形枝节长度为15mm～25mm，宽度为0.5mm～3mm，矩形枝节之间的夹角为120°，所述三叉形隔离条的材料为铝、或铜等良导体材料。
所述的矩形枝节馈电结构的长度为3mm～8mm，宽度为1mm～4mm；内部加载微带枝节由矩形和圆形组成，矩形长度为5mm～15mm，宽为1mm～3mm，顶端圆形半径为2mm～4mm；内部加载微带枝节的多边形对称框式结构，多边形宽度为0.5mm～3mm，多边形总长为45mm～70mm，矩形馈电结构边缘位于介质基板上表面的边上，馈电结构边缘中点与介质基板上表面边的中点重合，矩形馈电结构边缘距离三叉形隔离条中点距离为15mm～25mm，等腰梯形结构上底长度为10mm～20mm，下底长度为22mm～35mm，腰的长度为5mm～15mm，等腰梯形的上底位于介质基板下表面的边上，等腰梯形上底的中点与介质基板下表面边的中点重合，三个单元天线关于三叉形隔离条的中间点呈旋转对称设置，三个单元天线的三条轴对称线与三叉形隔离条的三条轴对称线重合。
所述的沙漏型隔离框中间内缩的边宽度为0.6mm～1.4mm，长度为15mm～25mm，所述沙漏型隔离框上下为底部加载小三角形凹坑的等腰三角形结构，等腰三角形结构底边的长度为10mm～15mm，腰的长度为8mm～12mm；小三角形凹坑为等腰三角形结构，底边长度为3mm～8mm，腰的长度为2mm～5mm。沙漏型隔离框关于三叉形隔离条的中间点呈旋转对称设置，沙漏型隔离框的材料为铝或铜等良导体材料，三个沙漏型隔离框的三条轴对称线与三叉形隔离条的三条轴对称线重合，沙漏型隔离框靠近三叉形隔离条那一侧的等腰三角形底边距离三叉形隔离条中点的距离为20mm～35mm。
本发明与现有的多频MIMIO天线相比采用了沙漏型隔离框及三叉形隔离条，有效地实现了高隔离度性能。同时，在路灯式单极子结构上采用弯折角度渐变的形式，以及宽度渐变的等腰梯形结构，更好地实现阻抗匹配，进一步改善了天线的性能，扩展了天线的阻抗带宽。在频带范围2.34GHz～2.55GHz、3.10GHz～3.37GHz和5.38GHz～5.83GHz内实现回波损耗小于-10dB，在2.34GHz～2.55GHz频带内隔离度小于-20.5dB，在3.10GHz～3.37GHz频带内隔离度小于-22dB，在5.38GHz～5.83GHz频带内隔离度小于-31.5dB。本发明具有辐射特性好、结构简单、易于加工、低互耦、多频兼容和全向辐射的优点。
附图说明
以下结合附图对本发明作进一步说明：
图1是多频高隔离度MIMO天线的俯视图；
图2是多频高隔离度MIMO天线的单元天线结构示意图；
图3是多频高隔离度MIMO天线的单元天线上表面示意图；
图4是多频高隔离度MIMO天线的单元天线下表面示意图；
图5是多频高隔离度MIMO天线的沙漏型隔离框示意图；
图6是多频高隔离度MIMO天线的三叉形隔离条示意图；
图7是多频高隔离度MIMO天线的回波损耗(S11)性能图，在图中的直角坐标系中，横坐标表示频率(GHz)，纵坐标表示回波损耗(dB)；
图8是多频高隔离度MIMO天线的隔离度(S12、S13和S23)性能图，在图中的直角坐标系中，横坐标表示频率(GHz)，纵坐标表示隔离度(dB)；
图9为本发明实施例的一种多频高隔离度MIMO天线2.4GHz时的E面方向图，图中坐标为极坐标；
图10为本发明实施例的一种多频高隔离度MIMO天线2.4GHz时的H面方向图，图中坐标为极坐标；
图11为本发明实施例的一种多频高隔离度MIMO天线3.2GHz时的E面方向图，图中坐标为极坐标；
图12为本发明实施例的一种多频高隔离度MIMO天线3.2GHz时的H面方向图，图中坐标为极坐标；
图13为本发明实施例的一种多频高隔离度MIMO天线5.6GHz时的E面方向图，图中坐标为极坐标；
图14为本发明实施例的一种多频高隔离度MIMO天线5.6GHz时的H面方向图，图中坐标为极坐标。
具体实施方式
如图1—6所示，该高隔离度MIMO天线包括上表面良导体层1、下表面良导体层2、介质基板3、沙漏型隔离框4和三叉形隔离条5，三个相同的单元天线之间设置有三个相同的沙漏型隔离框4和对称的三叉形隔离条5，其中单元天线由介质基板3、上表面良导体层1及下表面良导体层2构成，单元天线的介质基板3的两个端面上分别设置有上表面良导体层3、下表面良导体层2，上表面良导体层3为路灯式单极子结构，下表面良导体层2为等腰梯形结构，沙漏型隔离框4为中间内缩的对称多边形框式结构，三叉形隔离条5由三个矩形枝节连接而成，三个相同的沙漏型隔离框4以及对称的三叉形隔离条5与单元天线的上表面良导体层3处于同一平面。
所述的路灯式单极子结构为内部加载微带枝节的多边形对称框式结构，对称框式结构的边数为4～12，内部加载微带矩形枝节的顶端设计为圆形。
所述的沙漏型隔离框4为中间内缩的对称多边形框式结构，中间内缩的对称多边形框式结构的边数为4～12。
所述的对称的三叉形隔离条5由三个矩形枝节连接而成。
所述的介质基板采用相对介电常数为2～8的陶瓷、或者环氧复合板双面覆铜、或覆银材料。
所述的介质基板为长方体结构，长为30mm～40mm，宽为30mm～40mm，高为0.5mm～2.5mm。
所述的对称的三叉形隔离条5由三个矩形枝节连接而成，矩形枝节长度为15mm～25mm，宽度为0.5mm～3mm，矩形枝节之间的夹角为120°，所述三叉形隔离条3的材料为铝、或铜等良导体材料。
所述的矩形枝节馈电结构的长度为3mm～8mm，宽度为1mm～4mm；内部加载微带枝节由矩形和圆形组成，矩形长度为5mm～15mm，宽为1mm～3mm，顶端圆形半径为2mm～4mm；内部加载微带枝节的多边形对称框式结构，多边形宽度为0.5mm～3mm，多边形总长为45mm～70mm，矩形馈电结构边缘位于介质基板3上表面的边上，馈电结构边缘中点与介质基板上表面边的中点重合，矩形馈电结构边缘距离三叉形隔离条5中点距离为15mm～25mm，等腰梯形结构上底长度为10mm～20mm，下底长度为22mm～35mm，腰的长度为5mm～15mm，等腰梯形的上底位于介质基板下表面3的边上，等腰梯形上底的中点与介质基板下表面3边的中点重合，三个单元天线对于三叉形隔离条5的中间点呈旋转对称设置，三个单元天线的三条轴对称线与三叉形隔离条5的三条轴对称线重合。
所述的沙漏型隔离框4中间内缩的边宽度为0.6mm～1.4mm，长度为15mm～25mm，所述沙漏型隔离框4上下为底部加载小三角形凹坑的等腰三角形结构，等腰三角形结构底边的长度为10mm～15mm，腰的长度为8mm～12mm；小三角形凹坑为等腰三角形结构，底边长度为3mm～8mm，腰的长度为2mm～5mm。沙漏型隔离框4对于三叉形隔离条5的中间点呈旋转对称设置，沙漏型隔离框4的材料为铝或铜等良导体材料，三个沙漏型隔离框4的三条轴对称线与三叉形隔离条5的三条轴对称线重合，沙漏型隔离框4靠近三叉形隔离条5那一侧的等腰三角形底边距离三叉形隔离条中点的距离为20mm～35mm。
所述介质基板3的介电常数是4.4，介质基板长La为35.0±0.1mm，介质基板宽Lb为32.5±0.1mm，介质基板高H为1.0±0.1mm，其基本形状是长方体。图3为矩形枝节馈电的路灯式单极子结构，所述矩形枝节馈电结构的长度FL为7.0±0.1mm，宽度FW为2.5±0.1mm；所述内部加载微带枝节由矩形和圆形组成，矩形长度JL为10.6±0.1mm，宽JW为1.4±0.1mm，顶端圆形半径R为2.5±0.1mm；所述内部加载微带枝节的多边形对称框式结构，多边形宽度PW为1.0±0.1mm，多边形总长L5+2*(L1+L2+L3+L4)为66.2±0.1mm；所述矩形馈电结构边缘距离三叉形隔离条5中点距离PL1为16.3±0.1mm；所述等腰梯形结构上底长度Ts为15.3±0.1mm，下底长度Tx为32.5±0.1mm，腰Ty的长度为10.0±0.1mm。
参照图1和图5，所述沙漏型隔离框4中间内缩的边宽度Nw1为0.8±0.1mm，长度Ns1为20.0±0.1mm，所述沙漏型隔离框4上下为底部加载小三角形凹坑的等腰三角形结构，等腰三角形结构底边的长度Sd1为13.6±0.1mm，腰的长度Sy1为8.7±0.1mm，内缩的边与等腰三角形底边夹角为76°；所述小三角形凹坑为等腰三角形结构，底边长度Sd2为5.5±0.1mm，腰Sy2的长度为3.4±0.1mm。所述沙漏型隔离框4靠近三叉形隔离条5那一侧的等腰三角形底边距离三叉形隔离条5中点的距离SL1为26.6±0.1mm。
参照图7和图8可以看出，本发明天线在2.34GHz～2.55GHz、3.10GHz～3.37GHz和5.38GHz～5.83GHz三个频段内的回波损耗S11小于-10dB，在三个频带内的端口隔离度依次为-20.5dB、-22.5dB和-32.5dB。
参照图9和图10，为2.4GHz时E面方向图和H面方向图。
参照图11和图12，为3.2GHz时E面方向图和H面方向图。
参照图13和图14，为5.6GHz时E面方向图和H面方向图。

Claims (6)

1.一种多频高隔离度MIMO天线，它包括上表面良导体层、下表面良导体层、介质基板、沙漏型隔离框和三叉形隔离条，其特征是：三个相同的单元天线之间设置有三个相同的沙漏型隔离框和对称的三叉形隔离条，其中单元天线由介质基板、上表面良导体层及下表面良导体层构成，上表面良导体层为路灯式单极子结构，下表面良导体层为等腰梯形结构，沙漏型隔离框为中间内缩的对称多边形框式结构，三叉形隔离条由三个矩形枝节连接而成，三个相同的沙漏型隔离框以及对称的三叉形隔离条与单元天线的上表面良导体层处于同一平面；
路灯式单极子结构为内部 加载微带枝节的多边形对称框式结构，对称框式结构的边数为4~12，内部加载微带矩形枝 节的顶端设计为圆形；
沙漏型隔离框为中间内缩 的对称多边形框式结构，中间内缩的对称多边形框式结构的边数为4~12；
对称的三叉形隔离条由三 个矩形枝节连接而成；
等腰梯形的上底位于介质基板下表面的边上，等腰 梯形上底的中点与介质基板下表面边的中点重合，三个单元天线对于三叉形隔离条的中间 点呈旋转对称设置，三个单元天线的三条轴对称线与三叉形隔离条的三条轴对称线重合；
沙漏型隔离框对于三叉形隔离条的中间点呈旋转对称设置；
三个沙漏型隔离框的三条轴对称线与三叉形隔离条的三条轴对称线重合。
2.根据权利要求1所述的多频高隔离度MIMO天线，其特征是：介质基板采用相对介电常数为2~8的陶瓷、或者环氧复合板双面覆铜、或覆银材料。
3.根据权利要求1所述的多频高隔离度MIMO天线，其特征是：介质基板为长方体结构，长 为30mm~40mm，宽为30mm~40mm，高为0.5mm~2 .5mm。
4.根据权利要求1所述的多频高隔离度MIMO天线，其特征是：对称的三叉形隔离条由三个矩形枝节连接而成，矩形枝节长度为15mm~25mm，宽度为0.5mm~3mm，矩形枝节之间的夹角为1200，所述三叉形隔离条的材料为铝、或铜良导体材料。
5.根据权利要求1所述的多频高隔离度MIMO天线，其特征是：矩形枝节馈电结构的长度为3mm~8mm，宽度为1mm~4mm； 内部加载微带枝节由矩形和圆形组成，矩形长度为5mm~15mm，宽为1mm~3mm，顶端圆形半径为2mm~4mm； 内部加载微带枝节的多边形对称框式结构，多边形宽度为0.5mm~3mm，多边形总长为45mm~70mm，矩形馈电结构边缘位于介质基板上表面的边上，馈电结构边缘中点与介质基板上表面边的中点重合，矩形馈电结构边缘距离三叉形隔离条中点距离为15mm~25mm，等腰梯形结构上底长度为10mm~20mm，下底长度 为22mm~35mm，腰的长度为5mm~15mm。
6.根据权利要求1所述的多频高隔离度MIMO天线，其特征是：沙漏型隔离框中间内缩的边宽度为0 .6mm~1 .4mm，长度为15mm~25mm，所述沙漏型隔离框上下为底部加载小三角形凹坑 的等腰三角形结构，等腰三角形结构底边的长度为10mm~15mm，腰的长度为8mm~12mm；小三角形凹坑为等腰三角形结构，底边长度为3mm~8mm，腰的长度为2mm~5mm，沙漏型隔离框的材料为铝或铜良导体材料，沙漏 型隔离框靠近三叉形隔离条那一侧的等腰三角形底边距离三叉形隔离条中点的距离为 20mm~35mm。
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