CN108550991A

CN108550991A - 用于智能终端的高隔离度极化分集微带mimo天线及制作方法

Info

Publication number: CN108550991A
Application number: CN201810350593.2A
Authority: CN
Inventors: 孙岩
Original assignee: Datang Terminal Technology Co Ltd
Current assignee: Datang Terminal Technology Co Ltd
Priority date: 2018-04-18
Filing date: 2018-04-18
Publication date: 2018-09-18

Abstract

本发明提出了用于智能终端的高隔离度极化分集微带MIMO天线，包括：第一天线单元、第二天线单元和介质基板，第一天线单元和第二天线单元正交放置且共用该介质基板，每个天线单元包括：印刷单极子辐射贴片、微带线和金属接地板，印刷单极子辐射贴片和微带线位于介质基板的上表面，印刷单极子辐射贴片的直径边与介质基板短边平行，微带线位于介质基板的长边边缘且偏离中心第一预设距离，金属接地板位于介质基板的下表面，且在微带线的正下方，与介质基板下表面的两个相邻直角边对其，移动终端的辐射系统的信号线与每个天线单元的微带线的馈电微带线直接连接。本发明制作成本低，易于加工，可批量生产，具有较大的实际应用价值。

Description

用于智能终端的高隔离度极化分集微带MIMO天线及制作方法

技术领域

本发明涉及宽带微带MIMO天线技术领域，特别涉及一种用于智能终端的高隔离度极化分集微带MIMO天线。

背景技术

移动通信是当今发展最为快速的领域之一，移动通信经历了几代变革，从移动电话、互联网中给人们提供了前所未有的高效率和便利性，尤其在移动通信领域里，电磁波的出现实现了有线通信到无线通信的飞跃发展，而且当前多媒体通信实现了单一的语音数据到集成图像、数据、音频等综合业务性数据传输。近年来，随着越来越多的终端用户和无线数据通信服务，通信系统向无线化、高速化、多样化的需求提供更宽的频段带宽、更高速率数据通信服务，使得无线通信系统在人们生活中起到越来越重要的角色。

4G和5G通信时代，智能终端成为人们上网的主要工具，这就要求智能终端能够实现高可靠性和高速率的数据传输。多输入多输出技术是解决这一问题的关键技术，并且在4G通信的基站端和移动终端中得到了广泛的应用。MIMO系统的特点是在发射机或者接收机中拥有多个天线，能够在不增加发射功率和系统频谱的前提下，利用无线信道的多路径属性提高传输质量和系统容量。为了使MIMO系统具有较好的性能，天线单元之间必须是不相关的(耦合度较低)，然而，移动设备中能够为天线预留出的空间非常有限，使得天线之间的空间距离不可能大于或者等于一个波长。于是便携式设备中集成多个具有低耦合的宽带天线是一个比较棘手的问题，尤其是降低有限空间中多个天线之间的耦合。

4G移动终端都具备2G、3G、通信的功能，而每一代通信标准使用的频率是不一样的，这就要求在同一个终端中布置多部天线或者布置一部能够工作在多个频点的天线。除此之外，另一种解决方式是能够安装一个宽带天线，能够覆盖智能终端所有的或者较多的频点。这样就可以减少使用的天线的数目，节约了空间。本发明所涉及的天线就是能够覆盖智能终端中较多工作频点的单极子天线，并且是两单元的MIMO天线，既可以用来发生语音信号也可以发射数据信号，而且两个单元天线之间的隔离度非常高，耦合很小，大部分能量都能够被发射出去，用来通信而不会在两个天线之间互传。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。

为此，本发明的目的在于提出一种用于智能终端的高隔离度极化分集微带MIMO天线。

为了实现上述目的，本发明的实施例提供用于智能终端的高隔离度极化分集微带MIMO天线，包括：第一天线单元、第二天线单元和介质基板，所述第一天线单元和第二天线单元正交放置且共用该介质基板，每个所述天线单元包括：印刷单极子辐射贴片、微带线和金属接地板，所述印刷单极子辐射贴片和所述微带线位于所述介质基板的上表面，所述印刷单极子辐射贴片的直径边与所述介质基板短边平行，所述微带线位于所述介质基板的长边边缘且偏离中心第一预设距离，所述金属接地板位于所述介质基板的下表面，且在所述微带线的正下方，与所述介质基板下表面的两个相邻直角边对其，移动终端的辐射系统的信号线与每个所述天线单元的微带线的馈电微带线直接连接。

进一步，所述印刷单极子辐射贴片为半圆形，所述介质基板为长方形，所述金属接地板为矩形。

进一步，每个所述微带线采用50欧姆微带线，每个所述印刷单极子辐射贴片的半径为R＝14±5％mm～16±5％mm。

进一步，每个所述天线单元的微带线分别位于所述介质基板的两个相邻的正交边上。

进一步，所述印刷单极子辐射贴片、微带线和金属接地板均采用印刷结构，三者的介质基板均采用介电常数为4.4±3％的FR4。

进一步，所述第二天线单元的馈电端口位于所述介质基板的短边边缘正中心处，与所述第一天线单元的馈电端口方向正交。

本发明实施例还提出一种用于智能终端的高隔离度极化分集微带MIMO天线的制作方法，包括如下步骤：

步骤S1，选用介质基板；

步骤S2，在所述介质基板的上表面下沿，距离所述介质基板左边界第二预设距离处选为端口，在端口所处位置的上表面刻蚀一段微带线，在端口所在处的下表面刻蚀一段40*8±5％mm2金属接地板，在介质基板上表面距两个边缘分别为第三预设距离和第四预设距离处为中心，刻蚀一个半圆，作为印刷单极子辐射贴片，完成第一天线单元的制作；

步骤S3，采用步骤S2中的方式制作第二天线单元，其中，所述第二天线单元的排列方向与所述第一天线单元正交，所述第二天线单元的端口位于介质基板右边的短边边缘上。

进一步，所述第二预设距离为23±5％mm；所述第三预设距离为15±5％mm，所述第四预设距离为23±5％mm。

根据本发明实施例的用于智能终端的高隔离度极化分集微带MIMO天线，由两个单元组成，两个天线单元的结构完全相同。两个单元天线正交放置，以此来降低端口之间的耦合，并且该MIMO天线系统的带宽比较宽，能够覆盖手机通讯的大部分工作频带。

本发明有益效果是由于采用平面单极子天线结构，所以该MIMO天线系统中的两个单元天线都可以实现宽带辐射。两个单机子天线的极化方式都是线极化，并且两个天线正交放置，所以天线单元之间的耦合变得很小，实现了天线单元之间高端口隔离度。除了极化方向正交之外，两个天线的其他特性都基本相同。

因为采用了极化分集技术，两个天线之间的距离小于一个波长，所以包含两个天线单元的MIMO系统尺寸明显减小，实现了小型化的效果。天线的阻抗频带宽度为1.86GHz(1.24GHz-3.10GHz)，天线的相对带宽为42.9％，该工作频带包括了智能终端通信中的GSM1.9GHz、Wi-Fi 2.4GHz、Bluetooth 2.4GHz、FDD LTE 2.5-2.7GHz等频点。天线的最大辐射方向为平面发现的两个方向上，并且在这两个方向上都能使均匀全向辐射。另外，该天线介质基板两侧的金属结构都采用印刷工艺，该工艺简单，技术成熟。介质基板采用介电常数为4.4±3％的FR4材料，这种材料是作为PCB板最常见的板材，价格低廉，易于购买，所以，本发明制作成本低，易于加工，可批量生产，具有较大的实际应用价值。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的用于智能终端的高隔离度极化分集微带MIMO天线的结构图；

图2为根据本发明实施例的用于智能终端的高隔离度极化分集微带MIMO天线的制作方法的流程图；

图3为根据本发明实施例的高隔离度宽带微带MIMO天线S参数随频率变化曲线图；

图4(a)和(b)为根据本发明实施例的用仿真软件HFSS对整个天线系统进行仿真后端口激励时2.0GHz频点的远场辐射方向图；

图5(a)和(b)为根据本发明实施例的用仿真软件HFSS对整个天线系统进行仿真后端口2激励时2.0GHz频点的远场辐射方向图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明提出一种用于智能终端的高隔离度极化分集微带MIMO天线及制作方法，为适用于终端设备进行数据通信的高隔离度微带MIMO天线系统。

为了解决当前智能终端中天线个数太多，天线之间相互影响导致天线性能下降的问题，本发明的MIMO天线系统中的两个单元天线之间利用极化分集技术，实现了较高的端口隔离度。智能终端的很多工作频点都包含在该发明天线的频带内，实现了同一个天线完成多个功能，最终达到减少智能终端中天线数目，提高天线性能的目的。

如图1所示，本发明实施例的用于智能终端的高隔离度极化分集微带MIMO天线，包括：第一天线单元、第二天线单元和介质基板，第一天线单元和第二天线单元正交放置且共用该介质基板。其中，第一天线单元和第二天线单元的结构完全相同。

具体的，每个天线单元包括：印刷单极子辐射贴片、微带线和金属接地板，印刷单极子辐射贴片和微带线位于介质基板的上表面，印刷单极子辐射贴片的直径边与介质基板短边平行，微带线位于介质基板的长边边缘且偏离中心第一预设距离，金属接地板位于介质基板的下表面，且在微带线的正下方，与介质基板下表面的两个相邻直角边对其，移动终端的辐射系统的信号线与每个天线单元的微带线的馈电微带线直接连接。

在本发明的一个实施例中，印刷单极子辐射贴片为半圆形，介质基板为长方形，金属接地板为矩形。半圆形印刷单极子辐射贴片、50欧姆微带线以及矩形接地板都采用印刷结构，三者的介质基板均采用介电常数为4.4±2％的FR4。这种材料是作为PCB板最常见的板材，价格低廉，易于购买。所以本发明制作成本低、易于加工、可批量生产，具有较大的实际应用价值。

优选的，每个微带线采用50欧姆微带线，每个印刷单极子辐射贴片的半径为R＝14±5％mm～16±5％mm。

即，每个天线单元都是由一个半圆形金属辐射贴片，一个50欧姆馈电微带线，一个矩形接地板构成。其中长方形介质基板被两个天线共同使用。两个天线单元放置方式是正交的。两个天线单元的微带线分别位于长方形介质基板的两个相邻的正交边上。移动终端辐射系统的信号线可以与两个微带线的馈电微带线直接相连。

每个天线单元的微带线分别位于介质基板的两个相邻的正交边上。第二天线单元的馈电端口位于介质基板的短边边缘正中心处，与第一天线单元的馈电端口方向正交。

参考图1，图1(a)为天线正面结构图，图1(b)为天线侧视图。第一天线单元1是由一个半圆形金属辐射贴片11、一个50欧姆馈电微带线14和一个矩形接地板13构成。第二天线单元2是由一个半圆形金属辐射贴片21、一个50欧姆馈电微带线23和一个矩形接地板22构成。其中，第一天线单元1和第二天线单元2共用介质基板12。

具体的，MIMO天线系统中第一个天线单元的结构为：半径为R＝14±5％mm～16±5％mm的半圆形金属辐射贴片11是平面单极子天线的主辐射结构。半圆形金属辐射贴片11的直径平行于50欧姆馈电微带线14，并且与50欧姆馈电微带线14相连。微带线14的几何尺寸为Lf*Wf＝11.2*2±5％mm2。半圆形金属辐射贴片11和微带线14位于长方体介质基板12的上表面，介质基板12的大小为L*W*h＝66*40*1.6±5％mm3。半圆形金属辐射贴片11的直径边与矩形介质基板12短边平行，50欧姆馈电微带线14位于矩形介质基板12的长边边缘，并且偏离中心的距离为Xp＝10±5％mm。第一天线单元1的金属接地板13位于矩形介质基板12的另一表面，大小为Lg*Wg＝40*8±5％mm2。并且在天线馈电微带下的正下方，与介质基板12下表面的两个相邻直角边对齐。

第二天线单元2的结构与第一天线单元1完全相同，馈电端口位于长方体介质基板12的短边边缘正中心处，与第一天线单元1的馈电端口方向正交，大小为Lg*Wg＝40*8±5％mm2的金属接地板位于第二天线单元2馈电微带线线的正下方。

如图2所示，本发明实施例还提出一种用于智能终端的高隔离度极化分集微带MIMO天线的制作方法，包括如下步骤：

步骤S1，选用介质基板；

步骤S2，在介质基板的上表面下沿，距离介质基板左边界第二预设距离处选为端口，在端口所处位置的上表面刻蚀一段微带线，在端口所在处的下表面刻蚀一段40*8±5％mm2金属接地板，在介质基板上表面距两个边缘分别为第三预设距离和第四预设距离处为中心，刻蚀一个半圆，作为印刷单极子辐射贴片，完成第一天线单元的制作。

在本发明的一个实施例中，第二预设距离为23±5％mm；第三预设距离为15±5％mm，第四预设距离为23±5％mm。

步骤S3，采用步骤S2中的方式制作第二天线单元，其中，第二天线单元的排列方向与第一天线单元正交，第二天线单元的端口位于介质基板右边的短边边缘上。

具体的，选长66±5％mm，宽40±5％mm，高1.6±5％mm的介质基板，介质基板材料为FR4，在介质基板上表面下沿，距离介质基板左边界23±5％mm处选为端口1，在端口1所处位置的上表面刻蚀一段11.2*2±5％mm2的微带线，在端口所在处的下表面刻蚀一段40*8±5％mm2的金属接地板，位置如图1(a)中的13所示.在介质基板上表面矩两个边缘分别为15±5％mm和23±5％mm处为中心，刻蚀一个半径为14±5％mm的半圆，如图1(a)中的11所示，该结构就是天线单元1的整体结构。

天线单元2的大小，形状与天线单元1完全相同，包括半圆的半径大小，馈电微带线的长度和宽度，介质基板背面金属接地板的几何尺寸。但是天线单元2的排列方向与天线单元正交，天线的端口2位于介质基板右边的较短的边缘上，端口位于较短边缘的正中心，大小为40*8±5％mm2的金属接地板位于介质基板的下方，如图1(a)中的22所示。

图1(a)为本发明的介质基板上表面结构图，其中13和22其实是介质基板背面的金属接地板，图中半圆形金属贴片为本发明的两个相同尺寸且具有宽带辐射特性的半圆形印刷单极子辐射贴片，与两个半圆形结构相连接的两个矩形均为本发明的馈电微带线，图1(b)为本发明的MIMO天线的侧面示意图。

本发明采用电磁仿真软件HFSS对上述天线结构进行仿真验证。图3为用仿真软件HFSS对整个MIMO天线进行仿真所得的S参数随频率变化曲线示意图。其中a为天线1的端口反射系数S11，b为天线2的端口反射系数S22，c为两个天线之间的耦合系数S12或者S21。从图3中可以看出，本文设计的天线结构在频带1.24GHz～3.10GHz内的耦合度都低于-19.2dB，完全可以满足工程所要求的小于-15dB。

图4为本发明高隔离度宽带微带MIMO天线端口1激励频率为2.0GHz时主极化和交叉极化方向上远场辐射方向图，(a)为E面方向图，其中a曲线表示主极化方向上的远场辐射方向图、b表示交叉极化方向上的远场辐射方向图。(b)为H面方向图，其中a曲线表示主极化方向上的远场辐射方向图、b表示交叉极化方向上的远场辐射方向图。

图5(a)、图5(b)为用仿真软件HFSS对整个天线系统进行仿真后端口2激励时2.0GHz频点的远场辐射方向图。其中(a)为E面方向图，其中a曲线表示主极化方向上的远场辐射方向图、b表示交叉极化方向上的远场辐射方向图(b)为H面方向图，其中a曲线表示主极化方向上的远场辐射方向图、b表示交叉极化方向上的远场辐射方向图。从图中可以看出，两个天线在平面法线方向上具有均匀的辐射特性，并且从主极化和交叉极化方向上的辐射特性可以看出，主极化方向上的辐射远远大于交叉极化方向上的辐射，所以两个天线都具有很好的交叉极化隔离度。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims

1.一种用于智能终端的高隔离度极化分集微带MIMO天线，其特征在于，包括：第一天线单元、第二天线单元和介质基板，所述第一天线单元和第二天线单元正交放置且共用该介质基板，每个所述天线单元包括：印刷单极子辐射贴片、微带线和金属接地板，所述印刷单极子辐射贴片和所述微带线位于所述介质基板的上表面，所述印刷单极子辐射贴片的直径边与所述介质基板短边平行，所述微带线位于所述介质基板的长边边缘且偏离中心第一预设距离，所述金属接地板位于所述介质基板的下表面，且在所述微带线的正下方，与所述介质基板下表面的两个相邻直角边对其，移动终端的辐射系统的信号线与每个所述天线单元的微带线的馈电微带线直接连接。

2.如权利要求1所述的应用于智能终端设备的高隔离极化分集微带MIMO天线，其特征在于，所述印刷单极子辐射贴片为半圆形，所述介质基板为长方形，所述金属接地板为矩形。

3.如权利要求2所述的应用于智能终端设备的高隔离极化分集微带MIMO天线，其特征在于，每个所述微带线采用50欧姆微带线，每个所述印刷单极子辐射贴片的半径为R＝14±5％mm～16±5％mm。

4.如权利要求1所述的应用于智能终端设备的高隔离极化分集微带MIMO天线，其特征在于，每个所述天线单元的微带线分别位于所述介质基板的两个相邻的正交边上。

5.如权利要求1所述的应用于智能终端设备的高隔离极化分集微带MIMO天线，其特征在于，所述印刷单极子辐射贴片、微带线和金属接地板均采用印刷结构，三者的介质基板均采用介电常数为4.4±3％的FR4。

6.如权利要求1所述的应用于智能终端设备的高隔离极化分集微带MIMO天线，其特征在于，所述第二天线单元的馈电端口位于所述介质基板的短边边缘正中心处，与所述第一天线单元的馈电端口方向正交。

7.一种用于智能终端的高隔离度极化分集微带MIMO天线的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1，选用介质基板；

8.如权利要求7所述的用于智能终端的高隔离度极化分集微带MIMO天线的制作方法，其特征在于，所述第二预设距离为23±5％mm；所述第三预设距离为15±5％mm，所述第四预设距离为23±5％mm。