CN108847526A - 一种基于地板辐射模式的多频段mimo终端天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于地板辐射模式的多频段MIMO终端天线。本发明天线包括介质基板、金属地以及多个天线单元；介质基板的边缘设置多个天线单元，其他铺设金属地；相邻天线单元镜像对称设置，天线由同轴馈线进行馈电；天线单元包括由馈电口延伸出的第一辐射金属带、第二辐射金属带；第二辐射金属带嵌套在第一辐射金属带内；第一、二辐射金属带的辐射枝节根部分别通过电容C1、C2与金属地相连。本发明利用金属带的嵌套结构来实现地板天线的多频段模式以及提高天线的空间利用率，同时将电容器并联在多层嵌套结构和金属地之间，来增加天线电长度，减少天线的物理尺寸。

Description

一种基于地板辐射模式的多频段MIMO终端天线
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，提出了一种基于地面辐射模式，应用在WLAN频段以及未来5G通信频段的多频段MIMO终端天线。
背景技术
随着无线通信技术的发展，无线通信对于天线的要求越来越高。大部分天线的辐射性能跟尺寸有着密切关系。尺寸越大，整体性能越好。但如今终端设备所集成的功能越来越多，设备的空间越来越紧凑，导致天线的尺寸也越来越小。由于天线的阻抗带宽和物理尺寸密切相关。因此，在天线的尺寸与其辐射性能之间的做出最佳选择是主要的挑战。
地板辐射天线(Ground Radiation Antenna)的尺寸小，这种新的天线(所谓的“地面辐射天线”)是将地平面有效地用作高频应用(WiFi和蓝牙频带)的辐射器。这种天线辐射原理是通过激励，在环状结构和电容以及地面边缘之间形成谐振，由于地面也参与辐射，能量损耗大大减少，天线性能进一步提升(O.Cho,H.Choi,and H.Kim,‘Loop-type groundantenna usingcapacitor,’Electronic Letters,Vol.47,No.1,pp.11-12,Jan.2011)。而且由于地面的辐射，天线的具有很好的全向性、高增益以及稳定的结构等优势，在终端无线通信中具有很大的潜力。
近来对于地板辐射天线的研究多应用于WiFi通信、蓝牙通信以及可穿戴设备等近距离通信，频段都比较单一(L.Qu,H.Piao,Y.Qu,H-Hoon.Kim and H.Kim,Circularlypolarised MIMO ground radiationantennas for wearable devices,ElectronicsLetters,Vol.54,No.4,pp.189–190,Feb.2018)。由于金属地对于地板辐射天线的谐振具有较大的影响，在进行多频段设计时，要避免这种影响。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种基于地板辐射模式的多频段小型MIMO终端天线。
本发明天线采用地板辐射天线(Ground Radiation Antenna)的结构，包括介质基板、金属地以及多个天线单元；
所述的介质基板的边缘设置多个天线单元，其他铺设金属地；相邻天线单元镜像对称设置，天线由同轴馈线进行馈电。
所述的天线单元包括由馈电口延伸出的第一辐射金属带、第二辐射金属带；第一辐射金属带为垂直翻转后的“凵”结构，第二辐射金属带为呈开口矩形结构，开口朝向相同，且第二辐射金属带嵌套在第一辐射金属带内；第一、二辐射金属带的辐射枝节根部分别通过电容C1、C2与金属地相连。
第一辐射金属带与金属地之间的间距大于第二辐射金属带与金属地之间的间距，即g1大于g2。
第一辐射金属带的辐射枝节上设有短路点，使得第一辐射金属带与金属地形成环路结构。
所述的电容C1、C2容值可调，用以实现阻抗匹配以及谐振点的微调；
所述的第一辐射金属带的LT2长度可调(但需要满足上述条件：g1大于g2)，可以实现低频(2.5GHz左右)谐振点的调整；同理，第二辐射金属带中LT5、LT6和LT7也可调，可以实现高频(3.5GHz左右)谐振点的调整。
所述的电容C1与第一、二辐射金属带并联连接，电容C2串联在第二辐射金属带与金属地之间，进一步减少了第二辐射金属带的物理尺寸；由于电容C1、C2的补偿特性，减小了电长度，实现天线单元的小型化。
其中，G3的改变会改变电容C2的位置，会改变第二辐射金属带的环路长度，导致频率点的偏移；而电容C1位置的改变(即LT3的改变)则对于整体的频点偏移影响较小。
相邻的天线单元间的距离影响隔离度。
工作过程：天线单元通过同轴馈电进行馈电，须放置于介质基板边缘。第一、二辐射金属带主要形成了两个谐振点，同时将第二辐射金属带的二次谐振激发，形成第三个谐振点。天线主要谐振在两个频段2.4-2.8GHz、3.3-3.6GHz和4.55-4.75GHz(以-6bB阻抗带宽为标准)，覆盖WLAN频段和未来5G通信频段，适合用小型化的无线终端设备。由于其小型化的优势，可以在终端设备中利用MIMO技术增加天线单元数量。需要注意的是在设计MIMO系统时，需要注意天线单元之间的电磁耦合，以免影响各个单元的辐射性能。
本发明的有益效果：提出了一种基于地板辐射模式的多频段小型化终端天线，提出了金属带的嵌套结构来实现地板天线的多频段模式以及提高天线的空间利用率，同时将电容器并联在多层嵌套结构和金属地之间，来增加天线电长度，减少天线的物理尺寸，为以后的地板辐射天线的多频段和小型化设计提供了思路。
附图说明
图1是所提出的天线单元的详细结构以及参数标注图。
图2是所提出的MIMO天线系统的整体结构以及参数标注图。
图3是天线单元的仿真与实测的S参数示意图。
图中：1.第一辐射金属带；2.第二辐射金属带；3.介质基板；4.金属地；5.天线单元。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的天线作进一步说明。
实施实例1:
如图1所示，本发明天线单元金属地的边缘的矩形净空区中，天线单元具有两条开口环形金属带，嵌套连接在一起，利用多条金属带嵌套的结构，来实现地面辐射天线的多频段谐振。同时通过电容器的加载，以较小的物理尺寸实现期望的谐振频率，电容加载于金属带与金属地之间。馈电方式采用同轴馈电馈电。
需要注意的是外层的第一辐射金属带1不可以将内层的第二辐射金属带2完全包络(即图1中g1大于g2)，否则就会影响第二辐射金属带2的辐射性能。
实施实例2：
如图2所示，本发明的MIMO天线系统包括介质基板3、金属地4以及天线单元5；四个天线单元的其中两个放置在介质基板一侧边缘，另外两个放置在介质基板的对面一侧边缘，其他作为金属地。天线单元可以呈镜像结构放置，可由同轴馈线进行馈电。需要注意的是，天线单元之间无任何去耦结构，在图1中，相邻天线之间的间距已经被优化，满足隔离度低于-10dB的要求。
本例天线的设计是在三维电磁仿真软件HFSS中进行的，相关的尺寸是通过软件优化所确定，如下表所示：
Parameters LS WS Lc Wc LT1 LT2
Unit(mm) 130 70 11.5 6 8.5 5.2
Parameters LT3 LT4 LT5 LT6 LT7 WT1
Unit(mm) 2.4 6.1 3.2 2 1.8 0.5
Parameters WT2 Wp G1 G2 G3 g1
Unit(mm) 1 0.8 1.1 2.1 0.3 0.8
Parameters g2
Unit(mm) 0.4
其中微波介质基板是大小为130×70×1.6mm3的PCB板FR4(介电常数4.4，损耗正切0.02)，所有参数单位为毫米。
如图3所示的S参数示意图可以看出，天线的主要谐振在2个频段，以-6dB阻抗带宽为标准，低频频段范围为2.41-2.75GHz，高频频段范围为3.38-3.68GHz。实测的S11参数与仿真的基本一致，尽管存在些许差异，这可能是由于制作过程中的误差引起的。
通过上述分析，说明本发明的天线结构设计和辐射特性。上述类型的天线设计只是说明本发明的设计，并非是对于本发明的限制，本发明也并非仅限于上述实例，只要符合本发明的设计，均属于本发明的设计的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于地板辐射模式的多频段MIMO终端天线，其特征在于包括介质基板、金属地以及多个天线单元；
所述的介质基板的边缘设置多个天线单元，其他铺设金属地；相邻天线单元镜像对称设置，天线由同轴馈线进行馈电；
所述的天线单元包括由馈电口延伸出的第一辐射金属带、第二辐射金属带；第一辐射金属带为垂直翻转后的“凵”结构，第二辐射金属带为呈开口矩形结构，第一辐射金属带与第二辐射金属带开口朝向相同，且第二辐射金属带嵌套在第一辐射金属带内；第一、二辐射金属带的辐射枝节根部分别通过电容C1、C2与金属地相连；
第一辐射金属带与金属地之间的间距大于第二辐射金属带与金属地之间的间距；
第一辐射金属带的辐射枝节上设有短路点，使得第一辐射金属带与金属地形成环路结构。
2.如权利要求1所述的一种基于地板辐射模式的多频段MIMO终端天线，其特征在于包括所述的电容C1、C2容值可调，用以实现阻抗匹配以及谐振点的微调。
3.如权利要求1所述的一种基于地板辐射模式的多频段MIMO终端天线，其特征在于所述的电容C1与第一、二辐射金属带并联连接，电容C2串联在第二辐射金属带与金属地之间。
4.如权利要求1所述的一种基于地板辐射模式的多频段MIMO终端天线，其特征在于第一、二辐射金属带主要形成了两个谐振点，同时将第二辐射金属带的二次谐振激发，形成第三个谐振点。
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