CN108321517A - 一种正交双极化宽频段mimo贴片天线及其制作方法 - Google Patents

一种正交双极化宽频段mimo贴片天线及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种正交双极化宽频段MIMO贴片天线。一种正交双极化宽频段MIMO贴片天线，其中，包括介质基板、以及分别设在介质基板相对两侧面上的第一辐射片组和第二辐射片组，第一辐射片组和第二辐射片组结构相同且相互垂直设置，第一辐射片组和第二辐射片组通过穿过介质基板的金属过孔相连接，介质基板上第一辐射片组所在的侧面上设有与第一辐射片组连接的第一SMA头，介质基板上第二辐射片组所在的侧面上设有与第二辐射片组连接的第二SMA头。本发明还提供上述正交双极化宽频段MIMO贴片天线的制作方法。本发明通过引入耦合辐射片，有效地展宽了天线的带宽，使得天线在谐振点具有更好地阻抗匹配，使得天线结构更加紧凑，简单，容易集成于各种系统之中。

Description

一种正交双极化宽频段MIMO贴片天线及其制作方法
技术领域
本发明涉及天线技术领域，更具体地，涉及一种正交双极化宽频段MIMO贴片天线及其制作方法。
背景技术
将MIMO技术运用于通信系统，充分利用空间传播中的多径分量，在不需要占用额外通信带宽和提高收发机功率的情况下，可以让通信系统拥有更高的信道容量。而MIMO天线各个端口间的高隔离度是提高信道容量和频谱利用率的重要保障，因此高隔离度小型化MIMO终端天线和基站天线的设计将始终贯穿新一代移动通信技术的进程。
发明内容
本发明的目的是提供一种正交双极化宽频段MIMO贴片天线。本发明通过引入耦合辐射片，有效地展宽了天线的带宽，使得天线在谐振点具有更好地阻抗匹配，使得天线结构更加紧凑，简单，容易集成于各种系统之中。
本发明的另一个目的是提供一种正交双极化宽频段MIMO贴片天线的制作方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种正交双极化宽频段MIMO贴片天线，其中，包括介质基板、以及分别设在所述介质基板相对两侧面上的第一辐射片组和第二辐射片组，所述第一辐射片组和第二辐射片组结构相同且相互垂直设置，所述第一辐射片组和第二辐射片组通过穿过所述介质基板的金属过孔相连接，所述介质基板上第一辐射片组所在的侧面上设有与所述第一辐射片组连接的第一SMA头，第一辐射片组通过第一SMA头进行馈电，所述介质基板上第二辐射片组所在的侧面上设有与所述第二辐射片组连接的第二SMA头，第二辐射片组通过第二SMA头进行馈电。这样，由于介质基板相对两侧面上的第一辐射片组和第二辐射片组是相互垂直的，故在馈电时，第一SMA头和第二SMA头是正交馈在第一SMA头端口和第二SMA头端口上的；因此，当第一SMA头端口进行馈电时，电流在通过第二SMA头端口时是以平行的方式绕过第二SMA头端口而不是横跨过第二SMA头端口，因此不会在第二SMA头端口产生切向电场，所以理论上没有能量到达第二SMA头端口，隔离度可以无限大。
进一步的，所述第一辐射片组和第二辐射片组均包括一个领结型辐射片，以及设在所述领结型辐射片四周空缺处并与所述领结型辐射片相配合的V型辐射片，所述领结型辐射片的正中设有矩形缝隙。所述金属过孔设在所述领结型辐射片和V型辐射片的端头所在的位置上。所述第一SMA头设在所述第一辐射片组中领结型辐射片的矩形缝隙处，第一辐射片组中的领结型辐射片的其中半部分与第一SMA头的芯线连接，另外半部分与第一SMA头的接地线连接；所述第二SMA头设在所述第二辐射片组中领结型辐射片的矩形缝隙处，第二辐射片组中的领结型辐射片的其中半部分与第二SMA头的芯线连接，另外半部分与第二SMA头的接地线连接。这样，第一辐射片组和第二辐射片组中领结型辐射片的矩形缝隙处分别为第一辐射片组和第二辐射片组的馈电点，第一SMA头和第二SMA头正交的设在第一辐射片组和第二辐射片组的馈电点处，实现该天线进行正交馈电。
本发明中，领结型辐射片通过第一SMA头/第二SMA头直接馈电，V型辐射片通过领结型辐射片耦合馈电。通过第一SMA头/第二SMA头直接馈电的领结型辐射片谐振在3.5GHz频段，但是该谐振点带宽窄且匹配不佳，通过在领结型辐射片旁边加入V型辐射片使得领结型辐射片的能量可以耦合到V型辐射片，从而V型辐射片也能产生一个新的谐振点，谐振在4.5GHz，这两个谐振点耦合在一起，使得天线的匹配带宽得到有效地拓展。
进一步的，所述V型辐射片的边缘与其所在的领结型辐射片上的空缺处的边缘相平行。领结型辐射片与双V型辐射片平行的边缘产生的等效电容可以抵消领结型辐射片自身携带的等效电感，这使得领结型辐射片谐振的3.5GHz频段可以具有更好的阻抗匹配。
进一步的，所述领结型辐射片的长度L为所述介质基板的介质波长的一半，所述V型辐射片的长度L略小于所述领结型辐射片的长度L。
进一步的，所述介质基板的材质为Rogers。
本发明还提供一种正交双极化宽频段MIMO贴片天线的制作方法，其中，包括如下步骤：
S1. 选择介质基板：根据需要的频段，选择介质基板的材料，并算出介质波长；
S2. 设计第一辐射片组中的领结型辐射片：取介质波长的一半作为第一辐射片组中的领结型辐射片的长度L，将设计好长度L的领结型辐射片印刷在介质基板的一个侧面上；
S3. 设计第一辐射片组中的V型辐射片：在步骤S2得到领结型辐射片四周空缺处的介质基板上印刷上V型辐射片，V型辐射片的边缘应与第一辐射片组中领结型辐射片上该V型辐射片所在的空缺处的边缘平行，以保证完美的耦合，V型辐射片边缘和领结型辐射片边缘之间的距离应该尽量小，以保证高的耦合，V型辐射片的长度L应略小于领结型辐射片的长度L，以保证V型辐射片的谐振点略高于领结型辐射片；
S4. 设计第二辐射片组中的领结型辐射片和V型辐射片：将步骤S2到S3中设计好的第一辐射片组中的领结型辐射片和V型辐射片整体旋转度，印刷在介质基板的另一侧面上；
S5. 第一辐射片组中的领结型辐射片和V型辐射片与第二辐射片组中的领结型辐射片和V型辐射片通过金属过孔连接起来。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明在直接馈电的领结型辐射片周围设置了耦合馈电的V型辐射片，直接馈电的领结型辐射片谐振在3.5GHz频段，V型辐射片也能产生一个新的谐振点，谐振在4.5GHz，这两个谐振点耦合在一起，使得天线的匹配带宽得到有效地拓展。同时引入的耦合馈电的V型辐射片和直接馈电的领结型辐射片带来的等效电容有效地抵消了直接馈电的领结型辐射片的电感，使得天线在谐振点具有更好地阻抗匹配。
本发明中第一辐射片组和第二辐射片组垂直设置，第一SMA头和第二SMA头正交的设在第一辐射片组和第二辐射片组的馈电点处，这样就实现了该天线的正交馈电，天线两个端口之间可以达到极高的隔离度，同时不需要额外的去耦结构，使得天线结构更加紧凑，简单，容易集成于各种系统之中。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是本发明第一辐射片组的结构示意图。
图3是本发明第二辐射片组的结构示意图。
图4是本发明实施例1中天线的S11参数仿真结果图。
图5是本发明实施例1中天线的Gain参数仿真结果图。
图6是本发明实施例1中在第一SMA头端口激励下天线在3.5GHz频率处YOZ面上的方向图。
图7是本发明实施例1中在第一SMA头端口激励下天线在3.5GHz频率处XOZ面上的方向图。
图8是本发明实施例1中在第一SMA头端口激励下天线在4.5GHz频率处YOZ面上的方向图。
图9是本发明实施例1中在第一SMA头端口激励下天线在4.5GHz频率处XOZ面上的方向图。
图10是本发明实施例1中在第二SMA头端口激励下天线在3.5GHz频率处YOZ面上的方向图。
图11是本发明实施例1中在第二SMA头端口激励下天线在3.5GHz频率处XOZ面上的方向图。
图12是本发明实施例1中在第二SMA头端口激励下天线在4.5GHz频率处YOZ面上的方向图。
图13是本发明实施例1中在第二SMA头端口激励下天线在4.5GHz频率处XOZ面上的方向图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
实施例1
如图1到图3所示，一种正交双极化宽频段MIMO贴片天线，其中，包括介质基板1、以及分别设在所述介质基板1相对两侧面上的第一辐射片组2和第二辐射片组3，所述第一辐射片组2和第二辐射片组3结构相同且相互垂直设置，所述第一辐射片组2和第二辐射片组3通过穿过所述介质基板1的金属过孔4相连接，所述介质基板1上第一辐射片组2所在的侧面上设有与所述第一辐射片组2连接的第一SMA头，第一辐射片组2通过第一SMA头进行馈电，所述介质基板1上第二辐射片组3所在的侧面上设有与所述第二辐射片组3连接的第二SMA头，第二辐射片组3通过第二SMA头进行馈电。这样，由于介质基板1相对两侧面上的第一辐射片组2和第二辐射片组3是相互垂直的，故在馈电时，第一SMA头和第二SMA头是正交馈在第一SMA头端口和第二SMA头端口上的；因此，当第一SMA头端口进行馈电时，电流在通过第二SMA头端口时是以平行的方式绕过第二SMA头端口而不是横跨过第二SMA头端口，因此不会在第二SMA头端口产生切向电场，所以理论上没有能量到达第二SMA头端口，隔离度可以无限大。
如图1到图3所示，所述第一辐射片组2和第二辐射片组3均包括一个领结型辐射片5，以及设在所述领结型辐射片5四周空缺处并与所述领结型辐射片5相配合的V型辐射片6，所述领结型辐射片5的正中设有矩形缝隙7。所述金属过孔4设在所述领结型辐射片5和V型辐射片6的端头所在的位置上。所述第一SMA头设在所述第一辐射片组2中领结型辐射片5的矩形缝隙7处，第一辐射片组2中的领结型辐射片5的其中半部分与第一SMA头的芯线连接，另外半部分与第一SMA头的接地线连接；所述第二SMA头设在所述第二辐射片组3中领结型辐射片5的矩形缝隙7处，第二辐射片组3中的领结型辐射片5的其中半部分与第二SMA头的芯线连接，另外半部分与第二SMA头的接地线连接。这样，第一辐射片组2和第二辐射片组3中领结型辐射片5的矩形缝隙7处分别为第一辐射片组2和第二辐射片组3的馈电点，第一SMA头和第二SMA头正交的设在第一辐射片组2和第二辐射片组3的馈电点处，实现该天线进行正交馈电。
本实施例中，领结型辐射片5通过第一SMA头/第二SMA头直接馈电，V型辐射片6通过领结型辐射片5耦合馈电。通过第一SMA头/第二SMA头直接馈电的领结型辐射片5谐振在3.5GHz频段，但是该谐振点带宽窄且匹配不佳，通过在领结型辐射片5旁边加入V型辐射片6使得领结型辐射片5的能量可以耦合到V型辐射片6，从而V型辐射片6也能产生一个新的谐振点，谐振在4.5GHz，这两个谐振点耦合在一起，使得天线的匹配带宽得到有效地拓展。
如图2和图3所示，所述V型辐射片6的边缘与其所在的领结型辐射片5上的空缺处的边缘相平行。领结型辐射片5与双V型辐射片6平行的边缘产生的等效电容可以抵消领结型辐射片5自身携带的等效电感，这使得领结型辐射片5谐振的3.5GHz频段可以具有更好的阻抗匹配。
本实施例中，所述领结型辐射片5的长度L为所述介质基板1的介质波长的一半，所述V型辐射片6的长度L略小于所述领结型辐射片5的长度L。
本实施例中，所述介质基板1的材质为Rogers。
对上述实施例中的天线进行性能仿真测试，图2和图3中所示的各项参数如下表所示：
Parameter L L 1 L 2 W 1 W 2 W 3 W 4
Value (mm) 40 7.7 12.5 1 5.9 1.3 1.5
Parameter g g 1 g 2 d d 1 d 2
Value(mm) 1.4 4.2 0.6 1 1.6 3
仿真测试结果如图4到图13所示，天线的-10dB匹配带宽如图4所示，从3.2-GHz到4.75-GHz，相对带宽为约为40%；天线的增益如图5所示，在3.2到4.4-GHz范围内，天线的视轴增益从1.75到2.4 dBi；天线的方向图如图6到图13所示，可见天线的为全向辐射天线，天线的交叉极化小于30dBi。
实施例2
本实施例为实施例1所述的正交双极化宽频段MIMO贴片天线的制作方法，其中，包括如下步骤：
S1. 选择介质基板1：根据需要的频段，选择介质基板1的材料，并算出介质波长；
S2. 设计第一辐射片组2中的领结型辐射片5：取介质波长的一半作为第一辐射片组2中的领结型辐射片5的长度L，将设计好长度L的领结型辐射片5印刷在介质基板1的一个侧面上；
S3. 设计第一辐射片组2中的V型辐射片6：在步骤S2得到领结型辐射片5四周空缺处的介质基板1上印刷上V型辐射片6，V型辐射片6的边缘应与第一辐射片组2中领结型辐射片5上该V型辐射片6所在的空缺处的边缘平行，以保证完美的耦合，V型辐射片6边缘和领结型辐射片5边缘之间的距离应该尽量小，以保证高的耦合，V型辐射片6的长度L应略小于领结型辐射片5的长度L，以保证V型辐射片6的谐振点略高于领结型辐射片5；
S4. 设计第二辐射片组3中的领结型辐射片5和V型辐射片6：将步骤S2到S3中设计好的第一辐射片组2中的领结型辐射片5和V型辐射片6整体旋转度，印刷在介质基板1的另一侧面上；
S5. 第一辐射片组2中的领结型辐射片5和V型辐射片6与第二辐射片组3中的领结型辐射片5和V型辐射片6通过金属过孔4连接起来。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种正交双极化宽频段MIMO贴片天线，其特征在于，包括介质基板（1）、以及分别设在所述介质基板（1）相对两侧面上的第一辐射片组（2）和第二辐射片组（3），所述第一辐射片组（2）和第二辐射片组（3）结构相同且相互垂直设置，所述第一辐射片组（2）和第二辐射片组（3）通过穿过所述介质基板（1）的金属过孔（4）相连接，所述介质基板（1）上第一辐射片组（2）所在的侧面上设有与所述第一辐射片组（2）连接的第一SMA头，所述介质基板（1）上第二辐射片组（3）所在的侧面上设有与所述第二辐射片组（3）连接的第二SMA头。
2.根据权利要求1所述的一种正交双极化宽频段MIMO贴片天线，其特征在于，所述第一辐射片组（2）和第二辐射片组（3）均包括一个领结型辐射片（5），以及设在所述领结型辐射片（5）四周空缺处并与所述领结型辐射片（5）相配合的V型辐射片（6），所述领结型辐射片（5）的正中设有矩形缝隙（7）。
3.根据权利要求2所述的一种正交双极化宽频段MIMO贴片天线，其特征在于，所述金属过孔（4）设在所述领结型辐射片（5）和V型辐射片（6）的端头所在的位置上，所述第一SMA头设在所述第一辐射片组（2）中领结型辐射片（5）的矩形缝隙（7）处，所述第二SMA头设在所述第二辐射片组（3）中领结型辐射片（5）的矩形缝隙（7）处。
4.根据权利要求2所述的一种正交双极化宽频段MIMO贴片天线，其特征在于，所述V型辐射片（6）的边缘与其所在的领结型辐射片（5）上的空缺处的边缘相平行。
5.根据权利要求2所述的一种正交双极化宽频段MIMO贴片天线，其特征在于，所述领结型辐射片（5）的长度L2为所述介质基板（1）的介质波长的一半，所述V型辐射片（6）的长度L1略小于所述领结型辐射片（5）的长度L2。
6.根据权利要求1所述的一种正交双极化宽频段MIMO贴片天线，其特征在于，所述介质基板（1）的材质为Rogers4003。
7.一种正交双极化宽频段MIMO贴片天线的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1. 选择介质基板（1）：根据需要的频段，选择介质基板（1）的材料，并算出介质波长；
S2. 设计第一辐射片组（2）中的领结型辐射片（5）：取介质波长的一半作为第一辐射片组（2）中的领结型辐射片的长度L2，将设计好长度L2的领结型辐射片（5）印刷在介质基板（1）的一个侧面上；
S3. 设计第一辐射片组（2）中的V型辐射片（6）：在步骤S2得到领结型辐射片四周空缺处的介质基板（1）上印刷上V型辐射片（6），V型辐射片（6）的边缘应与第一辐射片组（2）中领结型辐射片（5）上该V型辐射片（6）所在的空缺处的边缘平行，以保证完美的耦合，V型辐射片（6）边缘和领结型辐射片（5）边缘之间的距离应该尽量小，以保证高的耦合，V型辐射片（6）的长度L1应略小于领结型辐射片（5）的长度L2，以保证V型辐射片（6）的谐振点略高于领结型辐射片（5）；
S4. 设计第二辐射片组（3）中的领结型辐射片（5）和V型辐射片（6）：将步骤S2到S3中设计好的第一辐射片组（2）中的领结型辐射片（5）和V型辐射片（6）整体旋转90度，印刷在介质基板（1）的另一侧面上；
S5. 第一辐射片组（2）中的领结型辐射片（5）和V型辐射片（6）与第二辐射片组（3）中的领结型辐射片（5）和V型辐射片（6）通过金属过孔（4）连接起来。
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