CN109037933B - 双频三极化mimo天线及无线通信设备 - Google Patents

双频三极化mimo天线及无线通信设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双频三极化MIMO天线及无线通信设备，所述天线包括介质基板、地板、三条馈线以及两个辐射贴片，所述地板设置在介质基板上表面，且地板上蚀刻有哑铃状缝隙，该哑铃状缝隙具有一条长缝以及与长缝两端相连的两个槽，所述三条馈线和两个辐射贴片均设置在介质基板下表面，其中一条馈线与哑铃状缝隙的长缝对应，另外两条馈线、两个辐射贴片和哑铃状缝隙的两个槽均为一一对应，每个辐射贴片与对应的馈线相连；所述无线通信设备包括上述的天线。本发明的天线具有双频和三种极化特性，且易加工、结构简单、成本低、频带宽，线极化可以应用于1.98GHz～2.9GHz频段的蓝牙、Wi‑MAX、ISM等通信频段，圆极化可应用于3.13GHz～4.53GHz频段的Wi‑MAX和5G等通信频段。

Description

双频三极化MIMO天线及无线通信设备
技术领域
本发明涉及一种MIMO天线，尤其是一种双频三极化MIMO天线及无线通信设备，属于无线通信技术领域。
背景技术
天线作为重要的射频前端器件，对其性能的要求随着无线通信技术的发展，越来越高。为了满足物联网系统对高质量和高数据的传输需求，多输入多输出(Multiple-InputMultiple-Output，MIMO)技术得到了很好地应用。MIMO技术通过多天线技术,采用多输出方法，很好地克服了多径效应，从而提高了系统通信的质量和通信容量，因而能够满足多移动终端的覆盖。因为MIMO天线的应用可以在不增加系统频谱资源和总发射功率的情况下大幅度提高系统的传输速率及信道容量,此外还可以提高通信系统的稳定性。MIMO多天线技术已成为当前无线通信领域最热门的研究对象之一，且受到国内外研究者的广泛关注。
随着5G时代的到来，运用于5G频段的MIMO天线，将受到越来越多的关注，目前大多数MIMO天线采用的是线极化形式，对圆极化MIMO天线的研究较少。
据调查与了解，已经公开的现有技术如下：
2013年29卷第4期的《微博学报》，夏运强和唐涛发表题为“多用途双频双极化双通道MIMO室内基站天线”的文章中提出了一种新型双频MIMO天线。该文章通过改变辐射单元的尺寸与形状，获得了能够同时覆盖LTE、WiMAX频段以及WiFi的部分频段，其可满足室内基站的要求，研究表明该双频双极化天线具有较好的电特性和方向图特性。但这种现有技术使用的是线极化形式，且带宽不宽。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足之处，提供了一种双频三极化MIMO天线，该天线具有双频和三种极化特性，且易加工、结构简单、成本低、频带宽，线极化可以应用于1.98GHz～2.9GHz频段的蓝牙(2400MHz～2484MHz)、Wi-MAX(2500MHz～2690MHz)、ISM(2.4GHz～2.5GHz)等通信频段，圆极化可以应用于3.13GHz～4.53GHz频段的Wi-MAX(3.2GHz～3.8GHz)和5G(3.3GHz～3.6GHz)等通信频段。
本发明的另一目的在于提供一种无线通信设备。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
双频三极化MIMO天线，包括介质基板、地板、三条馈线以及两个辐射贴片，所述地板设置在介质基板上表面，且地板上蚀刻有哑铃状缝隙，该哑铃状缝隙具有一条长缝以及与长缝两端相连的两个槽，所述三条馈线和两个辐射贴片均设置在介质基板下表面，其中一条馈线与哑铃状缝隙的长缝对应，另外两条馈线、两个辐射贴片和哑铃状缝隙的两个槽均为一一对应，每个辐射贴片与对应的馈线相连。
进一步的，所述地板上还蚀刻有两条缝隙，该两条缝隙分别位于哑铃状缝隙的两侧，并分别与哑铃状缝隙的两个槽相连。
进一步的，与哑铃状缝隙的长缝对应的馈线的开路端形状为圆形。
进一步的，所述两个辐射贴片均为Z形辐射贴片。
进一步的，每个辐射贴片从介质基板下表面上看，包括两个竖直段和一个水平段，其中一个竖直段与对应的馈线相连，并通过水平段与另一个竖直段相连。
进一步的，所述哑铃状缝隙的两个槽均为方形槽。
进一步的，所述介质基板和地板的截面形状均为矩形，介质基板的长度、宽度与地板的长度、宽度相同，且介质基板的厚度大于地板的厚度。
进一步的，与哑铃状缝隙的长缝对应的馈线设置在介质基板下表面宽度方向的中线位置上，且该馈线的馈电端位于介质基板下表面的下边缘处。
进一步的，与两个辐射贴片、哑铃状缝隙的两个槽一一对应的两条馈线的馈电端分别位于介质基板下表面的左边缘和右边缘处。
本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：
无线通信设备，包括上述的双频三极化MIMO天线。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、本发明的双频三极化MIMO天线与现有技术的MIMO天线设计相比，设置了三条馈线和两个辐射贴片，从其中一条馈线的馈电端接入馈电信号，可以通过地板上蚀刻的哑铃状缝隙的长缝向上辐射，产生线极化波，从另外两条馈线的馈电端接入馈电信号，可以通过两个辐射贴片地板上蚀刻的哑铃状缝隙的两个槽向上辐射，产生圆极化波(左旋圆极化波和右旋圆极化波)，实现了三极化，线极化波和圆极化波分别应用于两个频段，即具有双频特性，且两个频段的带宽都较宽，能够满足多频段无线通信系统的运用，并且采用圆极化辐射形式，使得天线具有圆极化天线的抗极化干扰和多径反射等优点。
2、本发明的双频三极化MIMO天线，从输入端口回波损耗的仿真结果表明，线极化波为1.98GHz～2.9GHz频段，可以满足蓝牙(2400MHz～2484MHz)、Wi-MAX(2500MHz～2690MHz)，ISM(2.4GHz～2.5GHz)等通信频段的要求，圆极化波为3.13GHz～4.53GHz频段，可以满足Wi-MAX(3.2GHz～3.8GHz)和5G(3.3GHz～3.6GHz)等通信频段的要求。
3、本发明的双频三极化MIMO天线中，地板上除了蚀刻哑铃状缝隙外，还可以蚀刻两条分别与哑铃状缝隙的两个槽相连的缝隙，通过加上这两条缝隙，可以适当改善天线的轴比，拓宽天线的圆极化带宽。
4、本发明的双频三极化MIMO天线中，将与哑铃状缝隙的长缝对应的馈线开路端形状优化为圆形，可以调节阻抗匹配，并减少该馈线的长度。
5、本发明的双频三极化MIMO天线中，两个辐射贴片均采用Z形辐射贴片，与现有天线采用L形辐射贴片相比，Z形辐射贴片可以使天线达到更宽的圆极化带宽。
6、本发明的双频三极化MIMO天线具有结构简单、低剖面的优点，需要调整的参数较少，容易加工设计，适合工程应用，解决了现有技术的一些MIMO天线结构复杂的问题。
附图说明
图1为本发明实施例的双频三极化MIMO天线介质基板上下表面图形的透视图。
图2为本发明实施例的双频三极化MIMO天线的正视图。
图3为本发明实施例的双频三极化MIMO天线的俯视图。
图4为本发明实施例的双频三极化MIMO天线的仰视图。
图5为本发明实施例的双频三极化MIMO天线分别从三条馈线处馈电得到的|S11|、|S22|、|S33|参数的仿真结果曲线图。
图6为本发明实施例的双频三极化MIMO天线从第一馈线处馈电得到的|S11|和增益参数的仿真结果曲线图。
图7为本发明实施例的双频三极化MIMO天线从第二馈线处馈电得到的|S22|、轴比和增益参数的仿真结果曲线图。
图8为本发明实施例的双频三极化MIMO天线三个馈电端口的隔离参数|S12|、|S13|和|S23|的仿真结果曲线图。
图9为本发明实施例的双频三极化MIMO天线从第一馈线馈电时在2.41GHz频率下的主平面方向图。
图10为本发明实施例的双频三极化MIMO天线从第二馈线馈电时在2.41GHz频率下的主平面方向图。
图11为本发明实施例的双频三极化MIMO天线从第三馈线馈电时在2.41GHz频率下的主平面方向图。
其中，1-介质基板，2-地板，3-第一馈线，4-第二馈线，5-第三馈线，6-第一辐射贴片，601-第一竖直段，602-第二竖直段，603-第一水平段，7-第二辐射贴片，701-第三竖直段，702-第四竖直段，703-第二水平段，8-第一缝隙，801-长缝，802-左槽，803-右槽，9-第二缝隙，10-第三缝隙。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例：
如图1和图2所示，本实施例提供了一种双频三极化MIMO天线，该天线能够应用于无线通信设备中，其包括介质基板1、地板2、第一馈线3、第二馈线4、第三馈线5、第一辐射贴片6和第二辐射贴片7，地板2设置在介质基板1上表面，介质基板1和地板2的截面形状均为矩形，介质基板1的长度、宽度与地板2的长度、宽度相同，且介质基板1的厚度大于地板2的厚度，第一馈线3、第二馈线4、第三馈线5、第一辐射贴片6和第二辐射贴片7均设置在介质基板1下表面。
如图1～图3所示，所述地板2上蚀刻有第一缝隙8，该第一缝隙8为哑铃状缝隙，本领域技术人员可以理解，即第一缝隙8具有一条长缝801以及与长缝801左右两端相连的两个槽，两个槽关于长缝801左右对称，分别为左槽802和右槽803，优选地，左槽802和右槽803均为方形槽，长缝801的长度大于左槽802和右槽803的边长，长缝801的宽度小于左槽802和右槽803的边长。
进一步地，所述地板2上还蚀刻有第二缝隙9和第三缝隙10，第二缝隙9和第三缝隙10左右对称，并分别位于第一缝隙8的左右两侧，其中第二缝隙9与第一缝隙8的左槽802相连，第三缝隙10与第一缝隙8的右槽803相连，虽然没有第二缝隙9和第三缝隙10这两条缝隙，本实施例的天线也可以实现双频三极化，但是加上第二缝隙9和第三缝隙10这两条缝隙，可以适当改善天线的轴比，拓宽天线的圆极化带宽。
如图1、图2和图4所示，所述第一馈线3设置在介质基板1的宽度方向中线位置上，其与第一缝隙8的长缝801对应，第一馈线3的馈电端位于介质基板1下表面的下边缘处，第一馈线3的开路端形状优化为圆形，可以调节阻抗匹配，并减小第一馈线3的长度，从第一馈线3的馈电端接入馈电信号，通过第一缝隙8的长缝801向上辐射，产生线极化波；第二馈线4和第三馈线5关于第一馈线3对称，第二馈线4的馈电端位于介质基板1下表面的左边缘处，并与第一辐射贴片6相连，第二馈线4、第一辐射贴片6和第一缝隙8的左槽802均为对应的关系，从第二馈线4的馈电端接入馈电信号，通过第一辐射贴片6在第一缝隙8的左槽802向上辐射，产生右旋圆极化波；第三馈线5的馈电端位于介质基板1下表面的右边缘处，并与第二辐射贴片7相连，第三馈线5、第二辐射贴片7和第一缝隙8的右槽803均为对应的关系，从第三馈线5的馈电端接入馈电信号，通过第二辐射贴片7在第一缝隙8的右槽803向上辐射，产生左旋圆极化波。
进一步地，第一馈线3在地板2上的投影与第一缝隙8的长缝801相交并垂直；第二馈线4在地板2上的投影位于第二缝隙9和第一缝隙8的左槽802构成的空间内，大部分位于第二缝隙9内；第三馈线5在地板2上的投影位于第三缝隙10和第一缝隙8的右槽803构成的空间内，大部分位于第三缝隙10内；第一辐射贴片6在地板2上的投影位于第一缝隙8的左槽802内；第二辐射贴片7在地板2上的投影位于第一缝隙8的右槽803内。
进一步地，第一辐射贴片6和第二辐射贴片7均为Z形辐射贴片，采用Z形辐射贴片是为了产生圆极化性能，之前对于槽缝天线，虽然采用L形辐射贴片，也可以产生圆极化性能，但是本实施例采用Z形辐射贴片可以使天线达到更宽的圆极化带宽，从介质基板1下表面上看，第一辐射贴片6包括第一竖直段601、第二竖直段602和第一水平段603，第一竖直段601的左侧与第二馈线4相连，且第一竖直段601的上端通过第一水平段603与第二竖直段602的下端相连，第二辐射贴片7包括第三竖直段701、第四竖直段702和第二水平段703，第三竖直段701的右侧与第三馈线5相连，且第三竖直段701的上端通过第二水平段703与第四竖直段702的下端相连；在第一辐射贴片6中，第一竖直段601的长度与第二竖直段602的长度相同，第一竖直段601的宽度小于第二竖直段602的宽度，第一水平段603的长度和宽度均小于第一竖直段601的长度和宽度，同理，在第二辐射贴片7中，第三竖直段701的长度与第四竖直段702的长度相同，第三竖直段701的宽度小于第四竖直段702的宽度，第二水平段703的长度和宽度均小于第三竖直段701的长度和宽度。
调整本实施例的双频三极化MIMO天线各部分的尺寸参数后，通过计算和电磁场仿真，对本实施例的双频三极化MIMO天线进行了验证仿真，如图5所示，给出了该天线在1.5GHz～5GHz频率范围内的|S11|、|S22|和|S33|参数(输入端口回波损耗)仿真结果的曲线，图中有三条曲线，虚线是从第一馈线3接入馈电信号的|S11|仿真参数，两条重合的实线分别是从第二馈线4和第三馈线5接入馈电信号的|S22|和|S33|仿真参数；可以看到，在1.98GHz～2.9GHz频段范围内，虚线曲线的值小于-10dB，在3.13GHz～4.53GHz频段范围内，实线曲线的值都小于-10dB，仿真结果表明本实施例的双频三极化天线具有较宽的带宽，性能良好，能够满足蓝牙(2400MHz～2484MHz)、Wi-MAX(2500MHz～2690MHz)、ISM(2.4GHz～2.5GHz)、Wi-MAX(3.2GHz～3.8GHz)和5G(3.3GHz～3.6GHz)等通信频段的要求。
本实施例的双频三极化MIMO天线从第一馈线3处馈电得到的|S11|和增益参数的仿真结果曲线图如图6所示，图中有两条曲线，虚线是从第一馈线3接入馈电信号的|S11|仿真参数，实线是从第一馈线3接入馈电信号的增益参数，可以看出在其|S11|≤-10dB的范围内，增益都大于4dB，最大增益可达6.5dB。
本实施例的的双频三极化MIMO天线从第二馈线4处馈电得到的|S22|、轴比和增益参数的仿真结果曲线图如图7所示，图中有三条曲线，点划形状的虚线从第二馈线4接入馈电信号的|S22|仿真参数，实线是从第二馈线4接入馈电信号的轴比，其在2.8GHz～4.78GHz范围内轴比都小于3dB，该频率范围可覆盖|S22|≤-10dB的频率范围。普通虚线是从第二馈线4接入馈电信号的增益参数，在满足轴比小于3dB和|S22|≤-10dB的频率范围内，其增益都大于3.5dB；同理，从第三馈线5处馈电的情况相类似，在此不再赘述。
本实施例的双频三极化MIMO天线三个馈电端口的隔离参数|S12|、|S13|和|S23|的仿真结果曲线图如图8所示，图中有三条曲线，上面两条接近重合的曲线分别为隔离参数|S12|和|S13|，端口1和端口2或端口1和端口3的隔离度由于天线的对称结构，所以仿真曲线基本重合，它们之间的隔离度在整个可用频段范围内都大于11.5dB；下面一条曲线为隔离参数|S23|，这是端口2与端口3之间的隔离度，这两者之间的隔离度在整个可用频段范围内大于18dB。
本实施例的双频三极化MIMO天线HFSS仿真的模型从第一馈线3馈电时在2.41GHz的辐射方向图如图9所示，从第二馈线4馈电时在2.41GHz的辐射方向图如图10所示，从第三馈线5馈电时在2.41GHz的辐射方向图如图11所示；可以看到，从第一馈线3馈电时，天线辐射的是线极化波，从第二馈线4馈电时，天线辐射的是右旋圆极化波，从第三馈线5馈电时，天线辐射的是左旋圆极化波。
上述实施例中，所述介质基板1采用FR-4、聚酰亚胺、聚四氟乙烯玻璃布和共烧陶瓷中任意两种种材料构成；地板2、第一馈线3、第二馈线4、第三馈线5、第一辐射贴片6和第二辐射贴片7均采用金属材料制成，金属材料可以为铝、铁、锡、铜、银、金和铂的任意一种，或为铝、铁、锡、铜、银、金和铂任意一种的合金；所述无线通信设备可以为手机、平板电脑等电子设备。
综上所述，本发明的双频三极化MIMO天线与现有技术的MIMO天线设计相比，设置了三条馈线和两个辐射贴片，从其中一条馈线的馈电端接入馈电信号，可以通过地板上蚀刻的哑铃状缝隙的长缝向上辐射，产生线极化波，从另外两条馈线的馈电端接入馈电信号，可以通过两个辐射贴片地板上蚀刻的哑铃状缝隙的两个槽向上辐射，产生圆极化波(左旋圆极化波和右旋圆极化波)，实现了三极化，线极化波和圆极化波分别应用于两个频段，即具有双频特性，且两个频段的带宽都较宽，能够满足多频段无线通信系统的运用，并且采用圆极化辐射形式，使得天线具有圆极化天线的抗极化干扰和多径反射等优点。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (8)

1.双频三极化MIMO天线，其特征在于：包括介质基板、地板、第一馈线、第二馈线、第三馈线、第一辐射贴片和第二辐射贴片，所述地板设置在介质基板上表面，且地板上蚀刻有第一缝隙、第二缝隙和第三缝隙，第一缝隙为哑铃状缝隙，第一缝隙具有一条长缝以及与长缝左右两端相连的两个槽，两个槽关于长缝左右对称，分别为左槽和右槽，左槽和右槽均为正方形槽，所述第二缝隙的一端与左槽相连，第二缝隙的另一端位于介质基板上表面的左边缘处，所述第三缝隙的一端与右槽相连，第三缝隙的另一端位于介质基板上表面的右边缘处，所述第一馈线、第二馈线、第三馈线、第一辐射贴片和第二辐射贴片均设置在介质基板下表面；所述第一馈线在地板上的投影与第一缝隙的长缝相交并垂直，所述第二馈线与第一辐射贴片相连，第二馈线在地板上的投影位于第二缝隙和左槽构成的空间内，所述第三馈线与第二辐射贴片相连，第三馈线在地板上的投影位于第三缝隙和右槽构成的空间内。
2.根据权利要求1所述的双频三极化MIMO天线，其特征在于：所述第一馈线的开路端形状为圆形。
3.根据权利要求1所述的双频三极化MIMO天线，其特征在于：所述第一辐射贴片和第二辐射贴片均为Z形辐射贴片。
4.根据权利要求3所述的双频三极化MIMO天线，其特征在于：所述第一辐射贴片和第二辐射贴片从介质基板下表面上看，均包括两个竖直段和一个水平段，其中一个竖直段与对应的馈线相连，并通过水平段与另一个竖直段相连。
5.根据权利要求1-4任一项所述的双频三极化MIMO天线，其特征在于：所述介质基板和地板的截面形状均为矩形，介质基板的长度、宽度与地板的长度、宽度相同，且介质基板的厚度大于地板的厚度。
6.根据权利要求5所述的双频三极化MIMO天线，其特征在于：所述第一馈线设置在介质基板下表面宽度方向的中线位置上，且第一馈线的馈电端位于介质基板下表面的下边缘处。
7.根据权利要求5所述的双频三极化MIMO天线，其特征在于：所述第二馈线的馈电端位于介质基板下表面的左边缘处，所述第三馈线的馈电端位于介质基板下表面的右边缘处。
8.无线通信设备，其特征在于：包括权利要求1-7任一项所述的双频三极化MIMO天线。
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