CN109659687A - 一种适用于5g移动终端的六单元多频段mimo天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于5G移动终端的的六单元多频段MIMO天线，包括一介质基板，所述介质基板的底部设有地板，所述地板的两侧均匀开设N个凹槽；所述介质基板的顶部均匀设有N个天线单元，所述天线单元与地板的凹槽对应设置；每个所述天线单元由长方体支架和微带天线结构组成，所述微带天线结构刻蚀于长方体支架上，微天线结构设有馈电点。本发明由于天线对净空区需求较小，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，具有较高的辐射增益，结构简单、尺寸非常小，在移动终端通信中具有很高的实用价值。

Description

一种适用于5G移动终端的六单元多频段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移动终端的六单元 多频段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，移动终端通信技 术发展迅速，随着移动通信用户数量的快速增长，频谱资源缺乏等问题越来越 突出，无法充分满足现代移动通信的需求。纵观移动终端通信发展史来说，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，据有关部门预测，预期到2020年，5G商 业化应用在全球逐步展开，5G通信作为新一代通信技术标准在未来将为年度GDP 贡献将达到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。
国内外针对5G通信系统中具有单个谐振频率的MIMO天线已经进行了大量的 研究，移动终端MIMO天线通常在较小的空间内放入多个天线，天线之间的隔离 度是MIMO天线设计的一个重点问题，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，隔离度低有影响天线的相关系数，天线的相关系数 较高情况下会影响天线系统的信道容量，且根据通信标准，终端天线的相关系 数需要小于0.3才能满足通信的需求。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。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种适用于5G移动终端的 六单元多频段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，通过采用3D-Monopole天线结构设计，可以有效的减小天线 的尺寸以及提高天线的辐射空间和辐射效率。
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移动终端的六单元多频段MIMO天线，包括一介质基板，所 述介质基板的底部设有地板，所述地板的两侧均匀开设N个凹槽；所述介质基板 的顶部均匀设有N个天线单元，所述天线单元与地板的凹槽对应设置；每个所述 天线单元由长方体支架和微带天线结构组成，所述微带天线结构刻蚀于长方体 支架上，微天线结构设有馈电点。
优选地，所述凹槽内设有L型地板延伸枝节，所述L型地板延伸枝节与地板 一体成型。
优选地，所述介质基板顶部两侧的天线单元呈镜像对称结构排列，每一侧 的天线单元之间的间距相等。
优选地，所述微带天线结构为3D-Monopole天线结构，包括四条微带线。
优选地，所述四条微带线分别为第一微带线、第二微带线、第三微带线和 第四微带线，所述长方体支架上，与所述馈电点最近的一面为第一侧面，沿顺 时针方向依次为第二侧面、第三侧面和第四侧面；第一微带线沿平行于地板的 方向由第一侧面依次延伸至第二侧面和第三侧面；第二微带线呈L型，设于长方 体支架的顶面边缘；第三微带线沿垂直于地板的方向设于第一侧面，第三微带 线的上端连接第二微带线，下端接触介质基板的上表面，并延伸至所述馈电点； 第四微带线由第一侧面延伸至第四侧面，位于第一侧面的部分平行于地板方向 且与第三微带线连接，位于第四侧面的部分垂直于地板方向并延伸至介质基板 的上表面。
优选地，第一微带天线用作天线的馈线，第二微带线用于产生天线的高频 段谐振，第三微带线用于产生低频段谐振，所述第四微带天线用于实现天线的 阻抗匹配。
优选地，第一微带线的总长度为13.2mm，宽度为2mm，位于第一侧面的长 度为3mm，位于第二侧面的长度为8mm,位于第三侧面的长度为2.2mm。第三 微带线的总长度为9mm，宽度为2mm，位于第一侧面的长度为5mm，位于介 质基板上平面的长度为4mm；第四微带线的总长度为8.4mm，位于第一侧面的 长度为3mm、宽度为1mm，位于第四侧面的长度为3.9mm、宽度为2mm，位 于介质基板上表面的长度为1.5mm、宽度为2mm。
优选地，所述第二微带线包括相互垂直的第一金属带和第二金属带，第一 金属带的长度为5mm，宽度为1mm，第二金属带的长度为5.6mm，宽度为0.5mm。
优选地，所述介质基板和长方体支架的材料均为FR4，介电常数为4.4，介 质基板的厚度为0.8mm，长方体支架的厚度为5mm，同一侧的长方体支架之间 的距离为35mm。
优选地，所述介质基板的底面按照地板的结构进行覆铜；所述长方体支架 的第一侧面、第二侧面、第三侧面、第四侧面和顶面均按照所述微带天线结构 进行覆铜。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明的天线结构为3D-Monopole结构，因此天线系统的中每个天线 单元对净空区的需求较小，且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65％～80％之间，5G中低频段 (4.8～5.0GHz)范围内的天线效率在55％～75％之间。
(2)本发明利用每个天线单元间的辐射特性，结合其辐射方向图，无需特 定的设计即可保证天线间的隔离度大于10dB。
(3)本发明的每个天线单元之间的包络相关性系数远远小于0.5，该天线 系统具有较好的分集性能。
(4)本发明还具有结构简单、天线尺寸非常小，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为本发明的微带天线单元结构视图。
图3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S-Parameters与隔离度的仿真结果图。
图4(b)为本发明的微带天线的S-Parameters与隔离度的实测结果图。
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6为本发明的微带天线Ant1和Ant2及Ant3的仿真及测试效率结果图。
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移动终端的六单元多频段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，整个介质基板长150mm，宽 度为75mm，高度为0.8mm。地板结构如图3所示，地板3上开有6个特定形状 的槽，开槽的长度为7mm，宽度为7mm，每个槽中有特定的地板延伸枝节，包括 第一地板延伸枝节31与第二地板延伸枝节32，所述第一枝节长度为5mm，宽度 为0.9mm，所述第二枝节长度为1.7mm,宽度为1mm，所述地板延伸枝节增强高频 段谐振，加强高频段的辐射性能，且使其达到足够带宽。所述介质基板1的上 方有6个天线单元，每个天线单元由长方体支架2和微天线结构21制成每个微 天线结构21均设有馈电点4，如图2所示，每个长方体支架2的长度为8mm， 宽度为8mm，高度为5mm。同一侧上的3个天线单元之间的距离为35mm，且左边 的三个天线与右边三个天线呈镜像对称，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-Monopole结构，因此天线系统的对净空区的需求 较小，天线的辐射效率较高。
如图2所示，每个天线单元的微天线结构21包括四条微带线，分别为第一 微带线211、第二微带线212、第三微带线213和第四微带线214。第四微带天 线214用于实现天线的阻抗匹配，第二微带线212产生天线的高频段谐振，第 三微带线213产生低频段谐振，第一微带天线211是天线的馈线，与馈电点连 接。
所述长方体支架2上，与所述馈电点最近的一面为第一侧面，沿顺时针方 向依次为第二侧面、第三侧面和第四侧面；
第一微带线211沿平行于地板的方向由第一侧面依次延伸至第二侧面和第 三侧面；第二微带线212呈L型，设于长方体支架的顶面边缘；第三微带线213 沿垂直于地板的方向设于第一侧面，第三微带线213的上端连接第二微带线212， 下端接触介质基板1的上表面，并延伸至所述馈电点；第四微带线214由第一 侧面延伸至第四侧面，位于第一侧面的部分平行于地板方向且与第三微带线213 连接，位于第四侧面的部分垂直于地板方向并延伸至介质基板1的上表面。
本实施例中，所述长方体支架的长度为8mm，宽度为8mm，高度为5mm。第 一微带线211的总长度为13.2mm，宽度为2mm，位于第一侧面的长度为3mm，位 于第二侧面的长度为8mm,位于第三侧面的长度为2.2mm。第三微带线213的总 长度为9mm，宽度为2mm，位于第一侧面的长度为5mm，位于介质基板上平面的 长度为4mm；第四微带线214的总长度为8.4mm，位于第一侧面的长度为3mm、 宽度为1mm，位于第四侧面的长度为3.9mm、宽度为2mm，位于介质基板上表面 的长度为1.5mm、宽度为2mm。同时，第一微带线211布置于离长方体支架顶面约0.6mm处；第四微带线214在第一侧面的部分布置于离顶面约1.1mm处，第 四微带线214在第四侧面的部分布置于离顶面约0.6mm处。
所述第二微带线212包括相互垂直的第一金属带和第二金属带，第一金属 带的长度为5mm，宽度为1mm，第二金属带的长度为5.6mm，宽度为0.5mm。
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4.4，介质基板的厚度为0.8mm， 长方体支架的厚度为5mm，同一侧的长方体支架之间的距离为35mm。
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，用作无限大接地平面。另一面则不覆铜， 而长方体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基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0.8mm的PCB基板的一面上刻蚀 出图3所示的接地面结构，其中每个特定性状的槽的长宽为7mm*7mm，整个介质 板材料的大小为150mm*75mm*0.8mm，其中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5mm的FR4的PCB基板某一面上刻蚀出图3所示的微 带天线结构，整个支架的尺寸8mm*8mm*5mm。
采用商业电磁仿真软件Ansoft HFSS14对该结构的单个微带贴片6单元进 行仿真，仿真调试完成后进行实物制作以及实测。S参数仿真结果数据图如附图 4(a)所示，S参数测试结果数据图如图4(b)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以及4.8GHz～5.0GHz之间的S参数均小 于-10dB，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 天线的中心频点产生偏移。如附图4(a)以及图4(b)展示了微带天线单元之 间隔离度的仿真与实测数据的对比，从图中可以看出天线单元之间的隔离度均 大于10dB(-10dB的绝对值)，所以各个天线单元之间的隔离度较大。
如图5所示，分别为Ant1/Ant2/Ant3单元天线微波暗室中测试的在3.5GHz 频点与5.0GHz频点处的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稍有差别，主要是加工工艺以及人工操作测试的问 题，加工精度不够高，且天线单元存在拼接，所以实测天线辐射增益会有所偏 差。
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)频段范围内Ant1、Ant2、Ant3天线的效率大于65％，在 4.8G～5.0Ghz(5G)频段范围内Ant1、Ant2、Ant3天线的效率大于55％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在有效频段内远远 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移动终端的六单元多频段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有地板，所述地板的两侧均匀开设N个凹槽；所述介质基板的顶部均匀设有N个天线单元，所述天线单元与地板的凹槽对应设置；每个所述天线单元由长方体支架和微带天线结构组成，所述微带天线结构刻蚀于长方体支架上，微天线结构设有馈电点。
2.根据权利要求1所述的一种适用于5G移动终端的六单元多频段MIMO天线，其特征在于，所述凹槽内设有L型地板延伸枝节，所述L型地板延伸枝节与地板一体成型。
3.根据权利要求2所述的一种适用于5G移动终端的六单元多频段MIMO天线，其特征在于，所述介质基板顶部两侧的天线单元呈镜像对称结构排列，每一侧的天线单元之间的间距相等。
4.根据权利要求2所述的一种适用于5G移动终端的六单元多频段MIMO天线，其特征在于，所述微带天线结构为3D-Monopole天线结构，包括四条微带线。
5.根据权利要求4所述的一种适用于5G移动终端的六单元多频段MIMO天线，其特征在于，所述四条微带线分别为第一微带线、第二微带线、第三微带线和第四微带线，
所述长方体支架上，与所述馈电点最近的一面为第一侧面，沿顺时针方向依次为第二侧面、第三侧面和第四侧面；
第一微带线沿平行于地板的方向由第一侧面依次延伸至第二侧面和第三侧面；
第二微带线呈L型，设于长方体支架的顶面边缘；
第三微带线沿垂直于地板的方向设于第一侧面，第三微带线的上端连接第二微带线，下端接触介质基板的上表面，并延伸至所述馈电点；
第四微带线由第一侧面延伸至第四侧面，位于第一侧面的部分平行于地板方向且与第三微带线连接，位于第四侧面的部分垂直于地板方向并延伸至介质基板的上表面。
6.根据权利要求5所述的一种适用于5G移动终端的六单元多频段MIMO天线，其特征在于，第一微带天线用作天线的馈线，第二微带线用于产生天线的高频段谐振，第三微带线用于产生低频段谐振，所述第四微带天线用于实现天线的阻抗匹配。
7.根据权利要求6所述的一种适用于5G移动终端的六单元多频段MIMO天线，其特征在于，第一微带线的总长度为13.2mm，宽度为2mm，位于第一侧面的长度为3mm，位于第二侧面的长度为8mm,位于第三侧面的长度为2.2mm；
第三微带线的总长度为9mm，宽度为2mm，位于第一侧面的长度为5mm，位于介质基板上平面的长度为4mm；
第四微带线的总长度为8.4mm，位于第一侧面的长度为3mm、宽度为1mm，位于第四侧面的长度为3.9mm、宽度为2mm，位于介质基板上表面的长度为1.5mm、宽度为2mm。
8.根据权利要求7所述的一种适用于5G移动终端的六单元多频段MIMO天线，其特征在于，所述第二微带线包括相互垂直的第一金属带和第二金属带，第一金属带的长度为5mm，宽度为1mm，第二金属带的长度为5.6mm，宽度为0.5mm。
9.根据权利要求8所述的一种适用于5G移动终端的六单元多频段MIMO天线，其特征在于，所述介质基板和长方体支架的材料均为FR4，介电常数为4.4，介质基板的厚度为0.8mm，长方体支架的厚度为5mm，同一侧的长方体支架之间的距离为35mm。
10.根据权利要求9所述的一种适用于5G移动终端的六单元多频段MIMO天线，其特征在于，所述介质基板的底面按照地板的结构进行覆铜；所述长方体支架的第一侧面、第二侧面、第三侧面、第四侧面和顶面均按照所述微带天线结构进行覆铜。
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