CN109659688A - 一种柔性的三频mimo天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种柔性的三频MIMO天线，包括基板、天线和接地板，其特征在于，所述的基板为柔性材料，所述的天线包括两个结构相同的辐射单元，所述的辐射单元的主体为F型天线，两个辐射单元的F型天线背对背平行设置，两个F型天线中间设有两条地板枝节。与现有技术相比，本发明可满足WLAN的两个频段和WiMAX频段，具有足够的隔离度，天线尺寸小、热膨胀系数低、成本低廉、损耗较小等优点。

Description

一种柔性的三频MIMO天线
技术领域
本发明属于可穿戴天线、WLAN与WiMAX频段通信以及使用MIMO技术的5G通信领域，涉及一种MIMO天线，尤其是涉及一种柔性的三频MIMO天线。
背景技术
2013年2月，欧盟宣布将拨款5000万欧元致力于研发第五代移动通信技术(5G)，这一技术预计将于2020年开始推广面向商业化。5G技术的目标是将现有4G系统容量增加1000倍，将频谱和能量利用率以及传输速率增加10倍，也就是达到低移动环境下的10Gbits/s峰值速率和高移动环境下的1Gbits/s峰值速率。5G传输并不是4G网络的简单升级，而是利用诸如大规模天线阵列、毫米波、超密集小区组网等技术实现吉比特级用户速率体验的全新通信方式。5G也不会完全替代4G，而是将4G、Wi Fi等融入其中，为用户带来更加丰富的网络体验，在需要网络连接时，用户不必手动选择网络，系统可根据环境自动选择质量最好的信号进行连接，真正做到了无缝切换。目前，国际公认5G有三个主要技术发展方向：新型多天线传输、高密集网络和高频段传输。而大规模MIMO正是新型多天线传输中最重要的核心技术之一，也是本发明的主要研究对象。
在过去10年间，MIMO已经成为了提升系统容量和可靠性的核心技术。MIMO技术是指在无线通信的发送端和接收端采用多个发送天线和接收天线，使信号在发送端利用多个天线独立进行传输，且在接收端利用多个天线恢复原始信息的无线传输技术。它能充分利用空间资源，利用多径传播特性，在不增加频谱资源和发射功率的前提下，大幅度地提升信道容量。
此外，随着5G与物联网技术的快速发展，可穿戴技术越来越受到人们的关注，这就推动了可穿戴天线的发展。那么何为可穿戴天线呢？我们定义可穿戴天线为：在传统天线的基础上，运用不同的结构、材料和加工方式，制作出来运用于可穿戴领域的天线。这些天线或者集成在人们日常穿戴的衣物中，或者佩戴在身体某部位，更有直接嵌入人体中的。这样的天线称之为可穿戴天线。为了支持运用于人体中心无线网络的可穿戴天线的研究，IEEE标准化小组制定了相应的行业标准，并针对天线运用的不同环境进行了定义和区分。由此可见，它的重要性是不言而喻的。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种柔性的三频MIMO天线。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种柔性的三频MIMO天线，包括基板、天线和接地板，所述的基板为柔性材料，所述的天线包括两个结构相同的辐射单元，所述的辐射单元的主体为F型天线，两个辐射单元的F型天线背对背平行设置，两个F型天线中间设有两条地板枝节。
所述的地板枝节为直线形，与F型天线的背部平行。
所述的接地板为矩形。
所述的接地板上设有地板缝隙，所述的地板缝隙位于两个地板枝节之间。
所述的两个F型天线之间悬置有一条金属线，所述的金属线与F型天线的背部垂直。
所述的基板为液晶聚合物LCP材料。
所述的天线工作频段为2.45GHz、5GHz和3.5GHz。
所述的天线尺寸为29mm*60mm。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)介质基板材料使用了液晶聚合物(LCP)。目前，在微波毫米波电路的领域，液晶高分子聚合物作为一种新型的柔性基板材料，拥有着优异的使用前景。LCP具有许多优秀的特性，其中包括热膨胀系数低、成本低廉、损耗较小等优点，而且LCP的介电常数在足够宽的频率范围内都十分地稳定，这让LCP在低成本、高性能、小尺寸的器件设计中成为最佳选择。
尤其是在可穿戴领域，液晶聚合物材料作为一种柔性材料，拥有极好的柔韧性，可以随意弯曲，覆在载体表面，因此有着极好和发展前景。
(2)对于MIMO天线，如果在接收端和发射端的天线相关性过高，就会对MIMO系统的性能造成恶化，因此，足够高的隔离度是天线单元之间应该具有的必要条件。随着MIMO技术的广泛应用，许多能够改善隔离度的方法被大量研究，比如中和线技术、地板枝节、寄生单元、缺陷地结构以及超材料技术。
首先本发明在单元天线之间加入了两条I型的地板枝节作为隔离结构，一方面，该地板枝节可以改变地板表面电流的分布从而改善端口的阻抗匹配；另外一方面，可以将其看作反射板来减小天线之间的近场耦合；然后在两个I型地板枝节的中间，加入了地板缝隙，可以使得一部分地板表面电流分布在其周围，从而减小从激励端口流向非激励端口的地板表面电流；最后将一条金属线被悬置在两个天线单元之间，由此引入新的耦合去抵消初始耦合。仿真结果显示，所有所需的工作频段的隔离度都降到-15dB以下。
(3)本天线经过仿真测试，同时满足WLAN的两个频段和WiMAX频段，WLAN的两个频段分别为2.45GHz和5GHz，应用非常广泛，而WiMAX频段的常用工作频率为3.5GHz。现阶段三频的MIMO天线很少见，而本天线对于这三个频段都有着足够的带宽，完全满足工作需要。
(4)对于多频MIMO天线，既要满足天线基本的性能，又要有着足够的隔离度，所以在设计上往往会有着偏大的尺寸来满足以上要求，而本天线通多丰富的隔离结构与合理的设计，使得本天线的尺寸控制在29mm*60mm，已经小于目前现有的大部分多频MIMO天线。
附图说明
图1为本实施例天线的结构示意图；
图2为本实施例天线的S11仿真结果；
图3为本实施例天线的隔离度仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
如图1所示，一种柔性的三频MIMO天线，包括基板1、天线2和矩形的接地板3，基板1为液晶聚合物LCP材料，天线2包括两个结构相同的辐射单元，辐射单元的主体为F型天线，两个辐射单元的F型天线背对背平行且对称的设置，采用了微带馈电的馈电方式。两个辐射单元分别谐振在低频和高频频段，为WLAN频段的两个频率——2.45GHz和5GHz，WLAN的实现协议有很多，其中最为著名也是应用最为广泛的当属无线保真技术Wi-Fi。
在两个F型天线之间加入了两条I型的地板枝节31作为隔离结构，由于柔性材料LCP的厚度非常薄，地板枝节31与F型天线单元的水平位置也很近，所以地板枝节321可以通过F型天线耦合馈电，生成本天线的第三个工作频率——Wi MAX频段，WiMAX全称为全球微波互联接入(Worldwide Interoperability for Microwave Access)，常用的工作频率为3.5GHz，这样，本天线的地板枝节31就同时拥有提高隔离度与生成工作频率两种功能。
为了能够进一步的提高MIMO天线的隔离度，在两个地板枝节31的中间，加入了地板缝隙32，可以使得一部分地板表面电流分布在其周围，从而减小从激励端口流向非激励端口的地板表面电流，然后将一条金属线4被悬置在两个天线单元之间，由此引入新的耦合去抵消初始耦合。本发明所提出的金属线不同于传统中和线，并没有直接连接天线单元，且垂直于馈电线，对天线匹配特性的影响较小。
天线尺寸为29mm*60mm。
如图2所示，天线工作频段为2.45GHz、5GHz和3.5GHz。
如图3所示，所需的工作频段的隔离度都降到-15dB以下。

Claims (8)

1.一种柔性的三频MIMO天线，包括基板、天线和接地板，其特征在于，所述的基板为柔性材料，所述的天线包括两个结构相同的辐射单元，所述的辐射单元的主体为F型天线，两个辐射单元的F型天线背对背平行设置，两个F型天线中间设有两条地板枝节。
2.根据权利要求1所述的一种柔性的三频MIMO天线，其特征在于，所述的地板枝节为直线形，与F型天线的背部平行。
3.根据权利要求1所述的一种柔性的三频MIMO天线，其特征在于，所述的接地板为矩形。
4.根据权利要求1所述的一种柔性的三频MIMO天线，其特征在于，所述的接地板上设有地板缝隙，所述的地板缝隙位于两个地板枝节之间。
5.根据权利要求1所述的一种柔性的三频MIMO天线，其特征在于，所述的两个F型天线之间悬置有一条金属线，所述的金属线与F型天线的背部垂直。
6.根据权利要求1所述的一种柔性的三频MIMO天线，其特征在于，所述的基板为液晶聚合物LCP材料。
7.根据权利要求1所述的一种柔性的三频MIMO天线，其特征在于，所述的天线工作频段为2.45GHz、5GHz和3.5GHz。
8.根据权利要求1所述的一种柔性的三频MIMO天线，其特征在于，所述的天线尺寸为29mm*60mm。
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