CN109494463A - 一种互补半圆形结构的高隔离度mimo天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的互补半圆形结构的高隔离度MIMO天线，属于无线通讯技术领域。包括在介质基板上正交设置的第一天线单元和第二天线单元；两个天线单元的结构都是由一个半圆形金属贴片和一个矩形金属贴片组成，采用极化分集技术，使两个天线单元间的耦合变得很小，实现了高端口隔离度。两个天线单元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。智能终端的很多工作频点都包含在本发明的频带内，实现了同一个天线完成多个功能，最终减少智能终端中天线数目，提高天线性能的目的。

Description

一种互补半圆形结构的高隔离度MIMO天线
技术领域
本发明属于无线通讯技术领域，具体涉及一种互补半圆形结构的高隔离度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。于是如何在便携式设备有限的空间中集成多个宽带天线并降低天线之间的耦合，是目前急需解决的问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种互补半圆形结构的高隔离度MIMO天线。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种互补半圆形结构的高隔离度MIMO天线，包括介质基板，介质基板为矩形，介质基板上设有第一天线单元和第二天线单元；第一天线单元与第二天线单元结构相同且正交设置，第一天线单元与第二天线单元的端口分别设在介质基板相邻的两条边的边缘；第一天线单元包括第一半圆形辐射贴片、第一馈电微带线和第一接地板；第二天线单元包括第二半圆形辐射贴片、第二馈电微带线和第二接地板；第一半圆形辐射贴片、第一馈电微带线、第二半圆形辐射贴片和第二馈电微带线设在介质基板的一面；第一接地板和第二接地板设在介质基板的另一面；第一馈电微带线为矩形，与第一半圆形辐射贴片相连，第一馈电微带线与第一接地板构成微带线结构；第二馈电微带线为矩形，与第二半圆形辐射贴片相连，第二馈电微带线与第二接地板构成微带线结构。
优选地，第一半圆形辐射贴片和第二半圆形辐射贴片的直径边均与其相对的介质基板的边平行。
优选地，第一馈电微带线和第二馈电微带线均与其相对的介质基板的边平行。
优选地，第一接地板和第二接地板的长度为介质基板长度的60％～65％，第一接地板和第二接地板的宽度为介质基板宽度的20％～25％。
优选地，第一馈电微带线与第一接地板构成的微带线结构的特征阻抗为50±10％Ω，第二馈电微带线与第二接地板构成的微带线结构的特征阻抗为50±10％Ω。
优选地，介质基板的材料为介电常数为4.4的FR-4环氧玻璃布层压板。
优选地，第一天线单元和第二天线单元均采用印刷结构。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的互补半圆形结构的高隔离度MIMO天线，包括介质基板，介质基板为矩形，介质基板上设有第一天线单元和第二天线单元；第一天线单元与第二天线单元结构相同且正交设置，第一天线单元与第二天线单元的端口分别设在介质基板相邻的两条边的边缘；第一天线单元包括第一半圆形辐射贴片、第一馈电微带线和第一接地板；第二天线单元包括第二半圆形辐射贴片、第二馈电微带线和第二接地板；第一半圆形辐射贴片、第一馈电微带线、第二半圆形辐射贴片和第二馈电微带线设在介质基板的一面；第一接地板和第二接地板设在介质基板的另一面；第一馈电微带线为矩形，与第一半圆形辐射贴片相连，第一馈电微带线与第一接地板构成微带线结构；第二馈电微带线为矩形，与第二半圆形辐射贴片相连，第二馈电微带线与第二接地板构成微带线结构。两个天线单元的结构都是由一个半圆形金属贴片和一个矩形金属贴片组成，有利于实现相同的辐射效果、达到相同的工作频率。两个天线单元的端口位于介质基板的两个正交的边缘，而不是位于介质基板的同一个边缘，有利于提高该MIMO天线单元天线间的隔离度。两个天线单元正交设置，使两个天线单元间的耦合变得很小，实现了高端口隔离度。除了极化方向正交之外，两个天线单元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。根据目前的通信领域的参数，使用该结构制作的MIMO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GSM 1.9GHz、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在平面法线的两个方向上，并且在这两个方向上都能均匀全向辐射。智能终端的很多工作频点都包含在本发明的频带内，实现了同一个天线完成多个功能，最终减少智能终端中天线数目，降低天线间的耦合，提高天线的性能。
优选地，第一接地板和第二接地板的长度为介质基板长度的60％～65％，第一接地板和第二接地板的宽度为介质基板宽度的20％～25％，两个接地板都比较小，有利于拓展天线的频带宽度。
优选地，第一馈电微带线与第一接地板构成的微带线结构的特征阻抗为50±10％Ω，第二馈电微带线与第二接地板构成的微带线结构的特征阻抗为50±10％Ω，有利于与其它器件相互连接。
优选地，介质基板的材料为介电常数为4.4的FR-4环氧玻璃布层压板，该材料能够满足使用需要，而且价格低廉，易于购买。
优选地，第一天线单元和第二天线单元均采用印刷结构，使得该天线制作成本降低，并且便于实现大规模生产。
附图说明
图1为本发明的MIMO天线的正面结构示意图；
图2为本发明的MIMO天线的反面结构示意图；
图3为本发明的MIMO天线的侧面结构示意图；
图4为用仿真软件HFSS对本发明的MIMO天线进行仿真后所得的天线端口反射系数随频率的变化曲线；
图5为用仿真软件HFSS对本发明的MIMO天线系统进行仿真后第一天线单元在2.0GHz E-plane上的远场辐射方向图；
图6为用仿真软件HFSS对本发明的MIMO天线系统进行仿真后第一天线单元在2.0GHz H-plane上的远场辐射方向图；
图7为用仿真软件HFSS对本发明的MIMO天线系统进行仿真后第二天线单元在2.0GHz E-plane上的远场辐射方向图；
图8为用仿真软件HFSS对本发明的MIMO天线系统进行仿真后第二天线单元在2.0GHz H-plane上的远场辐射方向图；
图中，1-1为第一半圆形辐射贴片，1-2为第一馈电微带线，1-3为第一接地板，2-1为第一半圆形辐射贴片，2-2为第一馈电微带线，2-3为第一接地板，3为介质基板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述，所做是对技术方案的解释而不是限定，所引入的“正面”、“反面”、“底面”、“上”、“下”、“左”、“右”等位置限定词只是为了方便描述而采用的相对位置，不能理解为是对技术方案的限定性：
如图1、图2、图3所示为本发明的互补半圆形结构的高隔离度MIMO天线，包括介质基板3，介质基板3为矩形，材料为介电常数为4.4的FR-4环氧玻璃布层压板。介质基板3上印刷有第一天线单元和第二天线单元；第一天线单元与第二天线单元结构相同且正交设置，第一天线单元与第二天线单元的端口分别设在介质基板3相邻的两条边的边缘；第一天线单元包括第一半圆形辐射贴片1-1、第一馈电微带线1-2和第一接地板1-3；第二天线单元包括第二半圆形辐射贴片2-1、第二馈电微带线2-2和第二接地板2-3；第一半圆形辐射贴片1-1、第一馈电微带线1-2、第二半圆形辐射贴片2-1和第二馈电微带线2-2设在介质基板3的一面；第一半圆形辐射贴片1-1和第二半圆形辐射贴片2-1可以拼接为一个整圆。优选地，第一半圆形辐射贴片1-1、第二半圆形辐射贴片2-1的直径边均与其相对的介质基板的边平行；优选地，第一馈电微带线1-2和第二馈电微带线2-2均与其相对的介质基板3的边平行。第一接地板1-3和第二接地板2-3设在介质基板3的另一面；优选地，第一接地板1-3和第二接地板2-3的长度为介质基板3长度的60％～65％，第一接地板1-3和第二接地板2-3的宽度为介质基板3宽度的20％～25％。第一馈电微带线1-2为矩形，与第一半圆形辐射贴片1-1相连，第一馈电微带线1-2与第一接地板1-3构成微带线结构；第二馈电微带线2-2为矩形，与第二半圆形辐射贴片2-1相连，第二馈电微带线2-2与第二接地板2-3构成微带线结构。第一馈电微带线1-2与第一接地板1-3构成的微带线结构的特征阻抗为50±10％Ω，第二馈电微带线2-2与第二接地板2-3构成的微带线结构的特征阻抗为50±10％Ω。
具体实施方法为：
选长66±1％mm，宽40±5％mm，高1.6±5％mm的介质基板，介质基板材料为FR-4，介电常数为4.4±3％，在介质基板正表面下沿，距离介质基板左边界分别为23±5％mm处选为第一天线单元的端口，在该端口所处位置的上表面刻蚀一段11.2*2±5％mm2的微带线，偏离中心的距离为10±5％mm，在端口所在处的下表面刻蚀一段40*8±5％mm2的金属接地板，在介质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(14～16)±5％mm的半圆。第二天线单元与第一天线单元的大小相同，形状互为180°中心对称，但第二天线单元与第一天线单元正交放置，第二天线单元的端口位于介质基板右边的较短的边缘上，端口位于介质基板较短边的正中心，大小为40*8±5％mm2的金属接地板位于介质基板的下方。
用电磁仿真软件HFSS对本发明MIMO天线结构进行仿真验证：
图4为本发明的单极子天线进行仿真后所得的天线端口反射系数随频率的变化曲线，其中a为第一天线单元的端口反射系数S11，b为第二天线单元的端口反射系数S22，c为两个天线之间的耦合系数S12或者S21。从图中可以看出，本发明设计的天线结构在频带1.24GHz～3.10GHz内的耦合度都小于-19.2dB。完全可以满足工程所要求的小于-15dB。
图5～图8为两个单元天线的远场辐射方向图，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。

Claims (7)

1.一种互补半圆形结构的高隔离度MIMO天线，其特征在于，包括介质基板(3)，介质基板(3)为矩形，介质基板(3)上设有第一天线单元和第二天线单元；第一天线单元与第二天线单元结构相同且正交设置，第一天线单元与第二天线单元的端口分别设在介质基板(3)相邻的两条边的边缘；第一天线单元包括第一半圆形辐射贴片(1-1)、第一馈电微带线(1-2)和第一接地板(1-3)；第二天线单元包括第二半圆形辐射贴片(2-1)、第二馈电微带线(2-2)和第二接地板(2-3)；
第一半圆形辐射贴片(1-1)、第一馈电微带线(1-2)、第二半圆形辐射贴片(2-1)和第二馈电微带线(2-2)设在介质基板(3)的一面；第一接地板(1-3)和第二接地板(2-3)设在介质基板(3)的另一面；第一馈电微带线(1-2)为矩形，与第一半圆形辐射贴片(1-1)相连，第一馈电微带线(1-2)与第一接地板(1-3)构成微带线结构；第二馈电微带线(2-2)为矩形，与第二半圆形辐射贴片(2-1)相连，第二馈电微带线(2-2)与第二接地板(2-3)构成微带线结构。
2.根据权利要求1所述的互补半圆形结构的高隔离度MIMO天线，其特征在于，第一半圆形辐射贴片(1-1)和第二半圆形辐射贴片(2-1)的直径边均与其相对的介质基板(3)的边平行。
3.根据权利要求1所述的互补半圆形结构的高隔离度MIMO天线，其特征在于，第一馈电微带线(1-2)和第二馈电微带线(2-2)均与其相对的介质基板(3)的边平行。
4.根据权利要求1所述的互补半圆形结构的高隔离度MIMO天线，其特征在于，第一接地板(1-3)和第二接地板(2-3)的长度为介质基板(3)长度的60％～65％，第一接地板(1-3)和第二接地板(2-3)的宽度为介质基板(3)宽度的20％～25％。
5.根据权利要求1所述的互补半圆形结构的高隔离度MIMO天线，其特征在于，第一馈电微带线(1-2)与第一接地板(1-3)构成的微带线结构的特征阻抗为50±10％Ω，第二馈电微带线(2-2)与第二接地板(2-3)构成的微带线结构的特征阻抗为50±10％Ω。
6.根据权利要求1所述的互补半圆形结构的高隔离度MIMO天线，其特征在于，介质基板(3)的材料为介电常数为4.4的FR-4环氧玻璃布层压板。
7.根据权利要求1所述的互补半圆形结构的高隔离度MIMO天线，其特征在于，第一天线单元和第二天线单元均采用印刷结构。
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