CN108649330A - 一种适用于5g移动终端的八单元mimo天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于5G移动终端的八单元MIMO天线，包括一介质基板，所述介质基板的底部设置有地板，所述介质基板的上方有1*8个支架，所述支架上刻蚀有微带天线结构，所述微带天线结构上均设置有接地点与馈电点，所述接地点与地板进行焊接。本发明由于净空区较大，因此该阵列天线具有很高的辐射效率，在5G频段内天线的辐射效率大于62％，且本设计通过支架将天线的结构架高，提高了辐射空间，因此该阵列天线具有较高的辐射增益。由于本设计采用特殊的排列方式，因此天线之间的隔离度均大于10dB。且本文所提出的阵列天线具有结构简单、尺寸小的特点，故在移动终端通信中具有很高的实用价值。

Description

一种适用于5G移动终端的八单元MIMO天线
技术领域
本发明属于5G移动通信技术领域，涉及一种适用于5G移动终端的八单元MIMO天线。
背景技术
随着全球经济的不断发展和人民对美好生活的不断要求，移动通信业务得到了飞速发展，随着移动通信用户数量的快速增长，随之而来的是频谱资源缺乏，进而无法满足现代移动通信的需求。2016年中国大陆地区4G用户总数超7亿户。纵观移动通信发展史来说，从2000年ITU确定了三大主流天线接口标准—3G时代的产生，发展到2010年全球最大4G移动通信网络的建成，直到如今5G(5th generation mobile networks)通信技术伴随着人们的期待发展起来，据了解未来5G通信系统业务将会为年度GDP创造的贡献将高达到3万亿美元。更重要的是5G技术将弥补了4G技术在吞吐率、时延、连接数量、能耗等方面的不足，并有着进一步的提升，且5G移动通信的在频谱利用率以及效率都应有明显的提高。但是随着手机用户的不断增多，通信系统的压力不断增大，在现代的无线通信系统中，带宽受到限制，因此需要增加信道容量来提高数据的传输速率，随着LTE新型无线标准的出现，多输入多输出(MIMO)技术相比于单输入单输出(SISO)系统，MIMO系统能够在不提高系统性能的情况下成倍的增加信道容量，从而提高无线通信系统性能。通过研究发现，多径环境下随着发射和结构天线数目的增加，信道的通信容量也会增加。
在2017年6月工信部发布了5G的使用频段为3.3～3.6Ghz。目前国内外针对5G通信系统所采用的MIMO天线技术进行了大量的研究，MIMO天线由于需要在小尺寸内放入多个天线，天线之间的隔离度是MIMO天线设计的重点，从目前公开的文献资料来看，在高频段可以在天线之间加入去耦结构降低天线之间的耦合度。常用的去耦结构有：四分之一波长缝隙技术、中和线技术、去耦电路技术和隔离地板技术等，但是在低频段目前没有有效的方法，而隔离度又影响天线的相关系数，天线的相关系数较高情况下会影响MIMO天线系统的信道容量，且移动终端天线的相关系数需要小于0.3才能满足通信的需求。再有一般的平面天线的辐射空间受到限制，天线的辐射效率低，很难满足终端天线的需求。
综上所述，基于现有技术存在的缺陷，本发明涉及了一种适用于5G移动终端的八单元MIMO天线，天线之间的隔离度大于10dB。本发明通过采用3D-IFA天线结构设计，可以有效的提高天线的辐射空间以及减小天线的尺寸。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于5G移动终端的八单元MIMO天线，本发明的八单元MIMO天线具有辐射效率高，隔离度高，结构简单，天线尺寸小，信道容量高等优点。
为了达到本发明的目的，本发明采取如下技术方案：
一种适用于5G移动终端的八单元MIMO天线，包括一介质基板，其特征在于：所述介质基板的底部设置有地板，所述介质基板的上方有1*N个支架，所述支架上刻蚀有微带天线结构，所述微带天线结构上均设置有接地点与馈电点，所述接地点与地板进行连接，所述馈电点与SMA头连接，所述N＝8。
本发明的支架结构将天线架高，因此该天线系统的净空区较大，提高了天线的辐射效率。
进一步地，所述地板的两侧均开设有的矩形缝隙，优选地，所述矩形缝隙的长度为10.4mm，宽度为5.4mm。
进一步地，所述微带天线结构为3D-IFA天线结构，包括两条微带支节，和连接接地点的短金属带。
进一步地，所述微带天线呈镜像对称结构排列，微带天线结构1和微带天线3结构之间以及微带天线结构2和微带天线4结构之间都关于Y轴对称排列，上方四个天线与下方四个天线关于X轴镜像对称。
进一步地，所述微带天线与微带天线相垂直。
进一步地，所述支架的长度为13.5mm，宽度为6mm，高度为3mm。
进一步地，所述支架的一面按照微带天线的结构进行覆铜，另一面则不覆铜。
进一步地，所述介质基板的一面上按照地板的结构进行覆铜，另一面则不覆铜。
进一步地，所述微带天线结构的个数N＝8，微带天线结构的第一枝节的长度为10.4mm，宽度为0.5mm；第二枝节的长度为6mm，宽度为0.5mm；第二枝节与第一枝节之间的金属带的长度为6mm，宽度为0.5mm；50Ω同轴馈线的长度为6mm，宽度为1mm，支架的上表面和侧面分别刻蚀有3mm长的微带天线结构；支架之间的距离为30.8mm；介质基板和支架的材料均为FR4，介电常数为4.4，介质基板的厚度为1mm，支架的厚度为3mm。
本发明有益效果：
(1)本发明的天线结构为3D-IFA结构，因此天线系统的净空区较大，大大的提高了天线的辐射效率实测在5G低频段(3.3Ghz～3.6Ghz)范围内的天线效率在62％～80％之间。
(2)本发明利用天线单元间的方向图特性，无需特定的设计如增加额外的去耦结构即可保证天线间的高隔离度。
(3)本发明还具有结构简单、天线尺寸小，信道容量高的优点，在移动终端通信中具有很高的实用价值。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的支架结构视图。
图3(a)为本发明的微带天线结构视图。
图3(b)为本发明的介质板接地面结构图。
图4(a)为本发明的微带天线的S11和S33的仿真与实测对比图。
图4(b)为本发明的微带天线的隔离度仿真数据与实测数据对比图。
图4(c)为本发明的微带天线L2变化时的S11参数模拟仿真曲线图。
图5(a)为本发明的终端微带天线Ant1仿真与实测二维辐射方向对比图。
图5(b)为本发明的终端微带天线Ant2仿真与实测二维辐射方向对比图。
图5(c)为本发明的终端微带天线Ant3仿真与实测二维辐射方向对比图。
图5(d)为本发明的终端微带天线Ant4仿真与实测二维辐射方向对比图。
图6为本发明的微带天线Ant1和Ant2实物测试效率结果图。
图7为本发明的微带天线单元之间的相关系数计算结果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。
如图1所示，一种适用于5G移动终端的八单元MIMO天线，包括一介质基板1，所述介质基板1的底部设置有地板3，整个介质板长167mm，宽度为70mm，高度为1mm。地板结构如图3(b)所示，地板3上蚀刻有1*8个矩形缝隙，缝隙的长度为10.4mm，宽度www＝5.4mm。所述介质基板1的上方有1*8个支架2，支架2的结构如图2所示，每个支架2的长度为14.5mm长度为13.5mm，宽度为6mm，高度为3mm。所述阵列天线的长边上的4个天线单元之间的距离为30.8mm，且上边的四个天线与下边四个天线呈镜像对称，且左边的四个天线与右边的四个天线也呈镜像对称，由于天线单元指向接地点的方向辐射较弱，相反方向的辐射较强，所以Ant1和Ant2之间的隔离度较高，而所述支架2上刻蚀有微带天线结构21。本发明的天线结构为3D-IFA结构，因此天线系统的净空区较大，大大的提高了天线的辐射效率。
如图3(a)所示为3D-IFA微带线的平面展开图，所述微带天线结构21上均设置有接地点与馈电点，接地点与地板进行焊接，馈电点与SMA头进行焊接；每个微带线结构包括第一枝节211、第二枝节212、50Ω同轴馈线213以及垂直微带线L2，所述第一枝节211的长度为L1＝10.4mm，宽度W1＝0.5mm，激励出1/4波长的频点。所述第二枝节212的长度L3＝6mm,第二枝节212接地板3，能够激励一个1/4波长的谐振频率，从而减小天线的尺寸。
本实施例所述50欧姆同轴馈线213垂直于微带线L2的中间点，如图4(c)所示通过调节微带线L2的长度调节天线的谐振点。
本实施例所述的微带天线阵列结构蚀刻在支架上，并将支架连接到介质板上的，支架与介质板的材质均为FR4，介质常数为4.2。
本实施例所述微带天线阵列结构是蚀刻在介质基板1上的，其中在介质基板的一面按照地板的结构进行覆铜，用作无线大接地平面。另一面则不覆铜，而支架则按照微带线的结构进行覆铜，其中侧面采用半孔工艺进行覆铜，另一面则不覆铜，支架不覆铜的一面与介质板不覆铜的一面采用AB胶粘在一起。
具体实现如下：
本实施例采用电路板刻蚀技术，在厚度为1mm的PCB基板的一面上刻蚀出图3(b)所示的接地面结构，其中每个矩形缝隙的长宽为10.4mm*5.4mm，整个介质板材料的大小为167mm*70mm*1mm，其中接地点位置按照过铜进行打孔，馈电点位置按照不覆铜打孔。同时也采用该蚀刻技术在厚度为3mm的FR4的PCB基板某一面上刻蚀出图3(a)所示的微带天线结构，其中接地点枝节214以及馈线按照半孔工艺进行蚀刻，整个支架的尺寸13.5mm*6mm*3mm。
采用商业电磁仿真软件Ansoft HFSS14对该结构的单个微带贴片8单元进行仿真，仿真调试完成后进行实物制作以及实测。S参数仿真与实测数据对比图如附图4(a)所示，从中可以看出无论是仿真还是实测阵列天线在3.3Ghz～3.6Ghz之间的S参数均小于-6dB，完全可以满足终端天线的需求，由于本文所设计天线是即关于X又关于Y轴镜像对称的阵列天线，因此可以得出实测的天线单元应该都满足移动终端通信的要求。从图中也可以看出实测出的天线的谐振点发生偏移，这是由于天线的接地点与馈电点采用半孔工艺，导致微带线的宽度以及长度被削去一部分，因此天线的中心频点向右偏移。如附图4(b)所示为微带天线单元之间隔离度的仿真与实测对比图，从图中可以看出天线单元之间的隔离度均小于-10dB，其中单元天线Ant1与Ant2之间的隔离度明显小于-20dB，这是由于单元天线的接地点的方向辐射较弱，而相反方向较强，所以指向相反的Ant1与Ant2之间的隔离度较大。如图4(c)是枝节L2发生变化时S11的仿真图，从图中可以看出，当L2的长度发生变化时天线的中心频率发生偏移，通过调节L2的长度达到阻抗匹配。
如图5所示，分别为Ant1/Ant2/Ant3/Ant4单元天线暗室测试的XOZ面与YOZ面的二维辐射方向仿真与实测对比图，由天线单元的辐射方向图可以看出天线的基本是全向辐射，通过对比可知单元天线的辐射增益的仿真与实测相差不大。
如图6所示为实物经过暗室测试得出的天线效率曲线图，从图中可以看出在3.3G～3.6Ghz(5G)频带范围内Ant1与Ant2天线的效率大于62％，而终端天线实际要求的天线的效率大于40％即可。
如图7所示为通过公式(1)计算的天线单元之间的相关系数曲线：
天线单元间的相关系数越小，MIMO天线单元之间的影响越低，系统的信道容量越不会受到影响。如图中所示天线单元之间的相关系数小于0.1，即在进行通信时阵列天线单元之间的影响基本可以忽略，因此该MIMO系统具有很高的信道容量，故本发明所设计的MIMO天线系统具有很高的实用价值。

Claims (10)

1.一种适用于5G移动终端的八单元MIMO天线，包括一介质基板，其特征在于，所述介质基板的底部设置有地板，所述介质基板的上方有1*N个支架，所述支架上刻蚀有微带天线结构，所述微带天线结构上均设置有接地点与馈电点，所述接地点与地板连接，所述馈电点与SMA头连接，所述N＝8。
2.根据权利要求1所述的一种适用于5G移动终端的八单元MIMO天线，其特征在于，所述地板的两侧均开设有矩形缝隙。
3.根据权利要求2所述的一种适用于5G移动终端的八单元MIMO天线，其特征在于，所述微带天线结构为3D-IFAs天线结构，包括两条微带支节，和连接接地点的短金属带。
4.根据权利要求3所述的一种适用于5G移动终端的八单元MIMO天线，其特征在于，所述微带天线呈镜像对称结构排列，微带天线结构1和微带天线3结构之间以及微带天线结构2和微带天线4结构之间都关于Y轴对称排列，上方四个天线与下方四个天线关于X轴镜像对称。
5.根据权利要求4所述的一种适用于5G移动终端的八单元MIMO天线，其特征在于，所述微带天线与微带天线相垂直。
6.根据权利要求5所述的一种适用于5G移动终端的八单元MIMO天线，其特征在于，所述支架的长度为13.5mm，宽度为6mm，高度为3mm。
7.根据权利要求6所述的一种适用于5G移动终端的八单元MIMO天线，其特征在于：所述支架的一面按照微带天线的结构进行覆铜，另一面则不覆铜。
8.根据权利要求7所述的一种适用于5G移动终端的八单元MIMO天线，其特征在于，所述介质基板的一面上按照地面的结构进行覆铜，另一面则不覆铜。
9.根据权利要求8所述的一种适用于5G移动终端的八单元MIMO天线，其特征在于，所述微带天线结构的个数8，微带天线结构的第一枝节的长度为10.4mm，宽度为0.5mm；第二枝节的长度为6mm，宽度为0.5mm；第二枝节与第一枝节之间的金属带的长度为6mm，宽度为0.5mm；550Ω同轴馈线的长度为6mm，宽度为1mm，支架的上表面和侧面分别刻蚀有3mm长的微带天线结构；支架之间的距离为30.8mm。
10.根据权利要求9所述的一种适用于5G移动终端的八单元MIMO天线，其特征在于，所述介质基板和支架的材料均为FR4，介电常数为4.4，介质基板的厚度为1mm，支架的厚度为3mm。
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