CN109962336B

CN109962336B - 全向性的路由器板载式双频mimo天线

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Publication number: CN109962336B
Application number: CN201910254726.0A
Authority: CN
Inventors: 刘�英; 赵畅; 任爱娣; 路阳; 方一翔
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2019-03-31
Filing date: 2019-03-31
Publication date: 2021-02-12
Anticipated expiration: 2039-03-31
Also published as: CN109962336A

Abstract

本发明属于天线技术领域，本发明包括印制电路板PCB、M个结构相同的低频辐射单元和N个结构相同的高频辐射单元，其中，M和N≥2，M和N为正整数；所述低频辐射单元和高频辐射单元分别由倒“F”异形结构、若干个短路销钉和焊盘组成，所述倒“F”异形结构分别由“L”形枝节、“M”形枝节、平板底座、短路枝节和馈电枝节组成，其中，“L”形枝节的一端设置有末端枝节，其另一端设有梯形分枝，所述短路销钉位于焊盘一侧，呈“Π”型结构分布；本发明解决了现有技术中预留天线安装位，导致天线所占用的空间过大的技术问题，以及引入去耦合结构改善隔离度，而导致天线结构复杂化的问题，具有更稳定的工作性能。

Description

全向性的路由器板载式双频MIMO天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，特别涉及一种双频MIMO天线，可用于路由器的内置收发天线，提高路由器的全向辐射特性。

背景技术

双频MIMO天线作为WIFI终端的必要组成部分，其接收和辐射特性将决定WIFI终端的信号覆盖性能。目前2×2双频WIFI天线系统已经广泛应用于路由器设备中，按照安装方式可分为内置式和外置式两类。外置式天线一般为单极子天线和交叉偶极子天线，它们结构简单，增益高且全向性较好，但外置式天线一般尺寸较大，而且需要较大的净空。内置式天线主要分为板载式和SMD贴装式两种，因其集成度高，占用净空小，成本也低，广泛应用于路由器设备中。但由于应用场景和需求的不断提高，内置式天线受限于尺寸、成本、安装方式和位置等因素，性能相比外置天线有所不足，目前已有的路由器产品一般需要多副内置天线配合才形成全向覆盖，而且由于多天线共用一块地板，导致它们之间的耦合也较强，使得隔离度较差。

2016年，福建省汇创新高电子科技有限公司的林益富等人在其申请的名称为“一种应用于无线局域网的小型化高隔离度双频MIMO天线”(申请号201610120937.1，公开号为CN105762513A)专利申请中，该发明包括第一介质板、第二介质板和第三介质板，其中，第一介质板覆有两片垂直放置的开设有“工”字形槽矩形金属接地板，金属接地板之间通过两个电感连接，第二、三介质板一面金属层为对称设置的双频偶极子，另一面金属层为矩形金属带。两个呈“工”字型镂空状态的金属接地板垂直摆放，之间通过两个电感连接，可以使得两个天线的隔离度可达35～45dB，但是引入缺陷地等去耦技术及加载如电感之类的有源器件，使得结构趋于复杂化，两个天线单元呈镜像对称布置，使得天线方向图高度对称，但是需要考虑天线布局位置的影响，使得其应用具有很大的局限性。

2018年，四川斐讯信息技术有限公司的覃学龙在其申请的名称为“一种内置天线路由器及其中框结构”(申请号201810612613.9，公开号为CN108650185A)专利申请中，该发明包括第一壳体、第二壳体、PCB、天线、导光柱和中框结构，其中，导光柱设置于第一壳体和第二壳体的拼接处，弱化了两个壳体得拼装痕迹，提高了两个壳体拼接处的拼接缝的密封性能，但是，由于导光柱置于第一壳体和第二壳体之间，该中框结构的外周壁处设有若干个预设角度位置的天线安装位，其安装角度受壳体结构的限制，使得结构趋于复杂化，同时天线与PCB耦接，需要设置额外的净空区域。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种全向性的路由器板载式双频MIMO天线，以解决现有内置式天线全向性和隔离度较差的问题。

为实现上述目的，本发明的具体实现方案如下：

一种全向性的路由器板载式双频MIMO天线，包括印制电路板PCB、M个结构相同的低频辐射单元和N个结构相同的高频辐射单元，其中，M和N≥2，M和N为正整数；所述低频辐射单元和高频辐射单元分别由倒“F”异形结构、若干个短路销钉和焊盘组成；

所述倒“F”异形结构，由“L”形枝节、平板底座、短路枝节和馈电枝节组成，所述“L”形枝节的一端设置有末端枝节，其另一端设有梯形分枝，该“L”形枝节位于平板底座正上方边缘一侧；所述短路枝节和馈电枝节分别位于平板底座相对应的对角线端部，其与“L”形枝节三者为一体结构；

所述倒“F”异形结构，由“M”形枝节、平板底座、短路枝节和馈电枝节组成，该“M”形枝节位于平板底座正上方的边缘一侧，所述短路枝节和馈电枝节分别位于“M”形枝节相对应的边缘一侧，其与“M”形枝节三者为一体结构；

所述短路销钉位于焊盘一侧，呈“Π”型结构分布。

所述的倒“F”异形结构的材料为金属材料，其厚度为T，其中，T＝0.4～1mm。

所述低频辐射单元的整体高度为LH1+LH2，其中，LH1+LH2＝16～18mm，平板底座宽度为LW1，其中，LW1＝10～12mm，长度为LL1，其中，LL1＝19～21mm。

所述高频辐射单3的整体高度为HH1+HH2，其中，HH1+HH2＝13～15mm，平板底座212宽度为HW2，其中，HW2＝5～6mm，长度为HL1，其中，HL1＝10～14mm。

所述“L”形枝节211的长度为LL2，其中，LL2＝13～14mm，“M”形枝节311的长度为HL2，其中，HL2＝7～8mm。

所述的短路销钉14与焊盘15的间距为S，其中，S＝1～5mm，短路销钉14半径为r，其中，r＝0.1～0.4mm，其短路销钉14的间距为d＝1～3mm。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1.本发明所采用的倒“F”异形结构，分别由“L”形枝节和“M”形枝节、平板底座、短路枝节和馈电枝节组成，所述“L”形枝节的一端设置有末端枝节，其另一端设有梯形分枝，“L”形枝节和“M”形枝节为平面倒“F”天线的开路枝节，能够延展电流路径，天线直接安装在印制电路板PCB上，克服现有技术中在中框结构的外周壁处需要天线安装位，导致天线所占用的空间过大的技术问题，从而实现全向性的路由器板载式双频MIMO天线结构简单，剖面低，易于加工。

2.本发明中天线单元所采用的倒“F”异形结构，分别由“L”形枝节和“M”形枝节、平板底座、短路枝节和馈电枝节组成，天线单元具有全向辐射特性，能够适应印制电路板PCB的不同尺寸和任意安装位置，克服现有技术中在中框结构的外周壁处需要预留天线安装位的技术问题，全向性的路由器板载式双频MIMO天线具有更稳定的工作性能和更好的移植性。

3.本发明中采用的短路销钉位于焊盘一侧，呈“Π”型结构分布，采用这种结构，使得每个天线单元在印制电路板PCB上的电流彼此独立，减小天线单元之间的相互干扰，克服现有技术中引入去耦合结构改善隔离度，导致天线结构复杂化的问题，从而实现全向性的路由器板载式双频MIMO天线在工作时对印制电路板PCB中央区域内的其他电子设备电磁干扰较小。

附图说明

图1为本发明MIMO天线的整体结构示意图

图2为本发明MIMO天线低频辐射单元结构示意图

图3为本发明MIMO天线高频辐射单元结构示意图

图4为本发明MIMO天线低频辐射单元尺寸分布图

图5为本发明MIMO天线高频辐射单元尺寸分布图

图6为本发明MIMO天线低频辐射单元S参数仿真结果图

图7为本发明MIMO天线高频辐射单元S参数仿真结果图

图8为本发明MIMO天线低频辐射单元在2.45GHz处的水平面增益仿真结果图

图9为本发明MIMO天线高频辐射单元在5.5GHz处的水平面增益仿真结果

图10为本发明MIMO天线低频辐射单元和高频辐射单元的包络相关系数ECC仿真结果图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

实施例1：

参照附图1、附图2和附图3

一种全向性的路由器板载式双频MIMO天线，包括印制电路板PCB1、M个结构相同的低频辐射单元2和N个结构相同的高频辐射单元3，其中，M和N≥2，M和N为正整数；所述低频辐射单元2和高频辐射单元3分别由倒“F”异形结构21、倒“F”异形结构31、若干个短路销钉14和焊盘15组成；

所述倒“F”异形结构21，由“L”形枝节211、平板底座212、短路枝节213和馈电枝节214组成，所述“L”形枝节211的一端设置有末端枝节2111，其另一端设有梯形分枝2112；该“L”形枝节211位于平板底座212正上方边缘一侧；所述短路枝节213和馈电枝节214分别位于平板底座212相对应的对角线端部，其与“L”形枝节211三者为一体结构；

平面倒“F”天线的开路枝节的长度为1/4谐振波长，谐振频率越低，相应的波长越大，所需的开路枝节的尺寸越大，因此，为了减小天线整体结构尺寸，本发明采用的“L”形枝节211的一端设置有末端枝节2111，其另一端设有梯形分枝2112的结构，能够延展电流路径，从而实现平面倒“F”天线的小型化设计；

所述倒“F”异形结构31，由“M”形枝节311、平板底座312、短路枝节313和馈电枝节314组成，该“M”形枝节211位于平板底座312正上方的边缘一侧，所述短路枝节313和馈电枝节314分别位于“M”形枝节311相对应的边缘一侧，其与“M”形枝节311三者为一体结构；

全向性的路由器板载式双频MIMO天线的低频辐射单元和高频辐射单元，利用平面倒“F”形天线的基本原理，其馈电点和短路点能够使天线本身稳固地插接在路由器印制电路板PCB1上，是一种理想的路由器内置天线方案。

平面倒“F”天线是四分之一波长谐振器，属于非平衡模式天线，这种非平衡模式具有较高的接地平面电流，使得平面倒“F”天线对印制电路板PCB1的尺寸和安装位置十分敏感，而且由于天线单元一般位于路由器主板边缘区域，且结构的不对称性使得平面倒“F”天线也很难在水平面内实现全向辐射。为了限制地板上的电流，本发明采用短路销钉14位于焊盘15一侧，呈“Π”型结构分布，可以减小印制电路板PCB1上的电流对天线的影响。

所述的倒“F”异形结构21和倒“F”异形结构31的材料为金属材料，其厚度为T，其中，T＝0.4～1mm，其厚度优选为0.6mm。

所述低频辐射单元2的整体高度为LH1+LH2，其中，LH1+LH2＝16～18mm，其高度优选为17mm；平板底座212宽度为LW1，其中，LW1＝10～12mm，其宽度优选为11mm；长度为LL1，其中，LL1＝19～21mm，其长度优选为20mm。

所述高频辐射单元3的整体高度为HH1+HH2，其中，HH1+HH2＝13～15mm，其高度优选为14mm；平板底座212宽度为HW2，其中，HW2＝5～6mm，其宽度优选为5.5mm；长度为HL1，其中，HL1＝10～14mm，其长度优选为12mm。

所述“L”形枝节211的长度为LL2，其中，LL2＝13～14mm，其长度优选为13.5mm；“M”形枝节311的长度为HL2，其中，HL2＝7～8mm，其长度优选为7.5mm。

所述的短路销钉14与焊盘15的间距为S，其中，S＝1～5mm，其间距优选为3mm；短路销钉14半径为r，其中，r＝0.1～0.4mm，其半径优选为0.3mm；其短路销钉14的间距为d，其中，d＝1～3mm，其间距优选为2mm。

实施例2

本实施例与实施例1的结构相同，仅对如下参数做出调整：

所述的倒“F”异形结构21和倒“F”异形结构31的材料为金属材料，其厚度为T，T＝0.4mm。

所述低频辐射单元2的整体高度为LH1+LH2，其中，LH1+LH2＝16mm；平板底座212宽度为LW1，其中，LW1＝10mm；长度为LL1，其中，LL1＝19mm。

所述高频辐射单元3的整体高度为HH1+HH2，其中，HH1+HH2＝13mm，平板底座212宽度为HW2，其中，HW2＝5mm，长度为HL1，其中，HL1＝10mm。

所述“L”形枝节211的长度为LL2，其中，LL2＝13mm，“M”形枝节311的长度为HL2，其中，HL2＝7mm。

所述的短路销钉14与焊盘15的间距为S，其中，S＝1mm，短路销钉14半径为r，其中，r＝0.1mm，其短路销钉14的间距为d＝1mm。

实施例3

本实施例与实施例1的结构相同，仅对如下参数做出调整：

所述的倒“F”异形结构21和倒“F”异形结构31的材料为金属材料，其厚度为T，其中，T＝1mm。

所述低频辐射单元2的整体高度为LH1+LH2，其中，LH1+LH2＝18mm；平板底座212宽度为LW1，其中，LW1＝112mm；长度为LL1，其中，LL1＝21mm。

所述高频辐射单元3的整体高度为HH1+HH2，其中，HH1+HH2＝15mm，平板底座212宽度为HW2，其中，HW2＝6mm，长度为HL1，其中，HL1＝14mm。

所述“L”形枝节211的长度为LL2，其中，LL2＝14mm，“M”形枝节311的长度为HL2，其中，HL2＝8mm。

所述的短路销钉14与焊盘15的间距为S，其中，S＝5mm，短路销钉14半径为r，其中，r＝0.4mm，其短路销钉14的间距为d，其中，d＝3mm。

以下结合仿真试验，对本发明的技术效果作进一步描述：

参照附图6，横轴表示频率，纵轴表示天线S参数。图中曲线代表本发明低频单元S11、S22、S21仿真曲线。从天线S参数随频率的变化曲线可以看出，低频单元的带宽能够覆盖2.4GHz-2.5GHz，而且带宽留有较大的余量，低频单元之间的隔离度大于19.1dB。

参照附图7，横轴表示频率，纵轴表示天线S参数。图中曲线代表本发明高频单元S33、S44、S43仿真曲线。从天线S参数随频率的变化曲线可以看出，高频单元3和4的带宽完全覆盖5GHz-6GHz，在工作频段内反射系数小于-15dB，单元之间的隔离度大于22dB。

参照附图8，横轴表示方位角，纵轴表示天线的增益。图中曲线代表本发明低频单元水平面的增益仿真曲线。从天线增益随方位角的变化曲线可以看出，低频单元在水平面内的增益不圆度为3dBi，最低增益在-1.6dBi，低频单元整体具有较好的全向性。

参照附图9，横轴表示方位角，纵轴表示天线的增益。图中曲线代表本发明高频单元水平面的增益仿真曲线。从天线增益随方位角的变化曲线可以看出，高频单元在水平面内的增益不圆度为4.5dBi，最低增益在-1.8dBi，高频单元整体具有较好的全向性。

参照附图10，横轴表示频率，纵轴表示包络相关系数。图中曲线代表本发明低频单元与高频单元的ECC仿真曲线。从天线ECC随频率的变化曲线可以看出，低频单元之间的ECC远小于0.01，高频单元之间的ECC远低于0.004，各个天线单元的远场具有很高的独立性。包络相关系数ECC是衡量MIMO天线的一个重要参数，它表征了单元之间的相关性，ECC越低，那么天线在实际工作时的信道容量也会越高。

以上仿真结果说明，本发明在低频2.4～2.5GHz和高频5～6GHz频带内都具有全向辐射的特性。

以上描述仅是本发明的三个实施例，不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神原则之内作出的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims

1.一种全向性的路由器板载式双频MIMO天线，包括印制电路板PCB(1)、M个结构相同的低频辐射单元(2)和N个结构相同的高频辐射单元(3)，其中，M和N≥2，M和N为正整数；所述低频辐射单元(2)和高频辐射单元(3)分别由低频倒“F”异形结构(21)、高频倒“F”异形结构(31)、若干个短路销钉(14)和焊盘(15)组成，其特征在于：

所述低频倒“F”异形结构(21)为一体结构，由“L”形枝节(211)、低频平板底座(212)、低频短路枝节(213)和低频馈电枝节(214)组成，所述“L”形枝节(211)的一端设置有末端枝节(2111)，其另一端设有梯形分枝(2112)，该“L”形枝节(211)位于低频平板底座(212)正上方边缘一侧，并通过梯形分枝(2112)与低频平板底座相连；所述低频短路枝节(213)和低频馈电枝节(214)分别位于低频平板底座(212)对角线两端；

所述高频倒“F”异形结构(31)为一体结构，由“M”形枝节(311)、高频平板底座(312)、高频短路枝节(313)和高频馈电枝节(314)组成，该“M”形枝节(311)位于高频平板底座(312)正上方的边缘一侧，并通过“M”形枝节的两脚部与高频平板底座相连；所述高频短路枝节(313)和高频馈电枝节(314)均位于高频平板底座的与“M”形枝节(311)相对的边缘侧；

所述短路销钉(14)位于焊盘(15)侧，呈“Π”型结构分布。

2.根据权利要求1所述的全向性的路由器板载式双频MIMO天线，其特征在于：所述的低频倒“F”异形结构(21)和高频倒“F”异形结构(31)的材料为金属材料，其厚度为T，其中，T＝0.4～1mm。

3.根据权利要求1所述的全向性的路由器板载式双频MIMO天线，其特征在于：所述低频辐射单元(2)的整体高度为LH1+LH2，其中，LH1+LH2＝16～18mm，LH1为“L”形枝节(211)的高度，LH2为低频平板底座(212)距离地面的高度；低频平板底座(212)宽度为LW1，其中，LW1＝10～12mm，长度为LL1，其中，LL1＝19～21mm。

4.根据权利要求1所述的全向性的路由器板载式双频MIMO天线，其特征在于：所述高频辐射单元(3)的整体高度为HH1+HH2，其中，HH1+HH2＝13～15mm，HH1为“M”形枝节(311)的高度，HH2为高频平板底座(312)距离地面的高度；低频平板底座(212)宽度为HW2，其中，HW2＝5～6mm，长度为HL1，其中，HL1＝10～14mm。

5.根据权利要求1所述的全向性的路由器板载式双频MIMO天线，其特征在于：所述“L”形枝节(211)的长度为LL2，其中，LL2＝13～14mm，“M”形枝节(311)的长度为HL2，其中，HL2＝7～8mm。

6.根据权利要求1所述的全向性的路由器板载式双频MIMO天线，其特征在于：所述的短路销钉(14)与焊盘(15)的间距为S，其中，S＝1～5mm，短路销钉(14)半径为r，其中，r＝0.1～0.4mm，其短路销钉(14)的间距为d＝1～3mm。