CN109980338B - 一种应用于智能终端设备辐射平面共用的小型化mimo天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及天线技术领域，具体公开了一种应用于智能终端设备辐射平面共用的小型化MIMO天线，包括介质基板和设置在介质基板上的天线单元一、天线单元二以及接地板，所述天线单元一和天线单元二均包括耦合馈电结构和圆形辐射金属贴片，所述天线单元一和天线单元二共用一个圆形辐射金属贴片，本发明所提供的MIMO天线中两个天线单元共用一个圆形辐射金属贴片，使得天线的尺寸得到了极大的减小，实现了小型化，能够应用于小型的移动终端，两个天线单元镜像对称，且两个耦合馈电结构正交放置，能有效降低端口间的耦合，同时该MIMO天线的带宽比较宽，能够覆盖手机通讯所需的大部分工作频带。

Description

一种应用于智能终端设备辐射平面共用的小型化MIMO天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种应用于智能终端设备辐射平面共用的小型化MIMO天线。

背景技术

移动通信已经在当今社会中发展最为快速的领域之一，而且也是人们生活中最重要的领域之一，人们的生活已经无法离开移动通信。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，智能终端成为人们连接互联网的主要工具，尤其是在物联网，车联网中，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（MIMO）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。于是便携式设备中集成多个具有低耦合的宽带天线是一个比较棘手的问题，尤其是降低有限空间中多个天线之间的耦合。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种使天线尺寸得到极大减小、实现小型化、能有效降低端口间的耦合和覆盖手机通讯所需的大部分工作频带的应用于智能终端设备辐射平面共用的小型化MIMO天线。

为了解决上述技术问题，本发明提供的具体方案如下：一种应用于智能终端设备辐射平面共用的小型化MIMO天线，包括介质基板和设置在介质基板上的天线单元一、天线单元二以及接地板，所述天线单元一和天线单元二均包括耦合馈电结构和圆形辐射金属贴片，所述天线单元一和天线单元二共用一个圆形辐射金属贴片，使天线的几何尺寸得到了极大地减小，实现了小型化，更适合应用在小型化的终端设备中。

优选的，所述天线单元一和天线单元二为镜像对称设置，采用左旋圆极化和右旋圆极化的极化方式，利用极化分集实现了高隔离度。

优选的，所述圆形辐射金属贴片上设有两个弧形缺口，两个弧形缺口位于圆形辐射金属贴片一条直径的两端，所述天线单元一和天线单元二的两个耦合馈电结构正交放置，且位于圆形辐射金属贴片的弧形缺口两端，能够有效降低两个馈电耦合结构之间的耦合。

优选的，所述介质基板为正方形介质基板，所述两个弧形缺口的中心连线为正方形介质基板的对角线，弧形缺口的弧度α1 = 40±5%°，缺口的侧边长L1 = 2±5% mm，实现高隔离度。

优选的，所述耦合馈电结构为T字型50欧姆端口馈电耦合线，T字型50欧姆端口馈电耦合线包括圆弧形侧壁和与圆弧形侧壁中心连接的主线，T字型50欧姆端口馈电耦合线为正方形介质基板中间的圆形辐射金属贴片馈电。

优选的，所述圆弧形侧壁与圆形辐射金属贴片之间的弧形缝隙宽度g = 0.1±5%mm，圆弧形侧壁的弧度α2 = 50±5%°，侧边长L2 = 2 ±5% mm；主线是长度为Lf，宽度为Wf，阻抗为50欧姆微带线，所述Lf = 11.5±5% mm，Wf = 2.0 ±5% mm，能量通过弧形缝隙从耦合馈电结构到带有弧形缺口的圆形辐射金属贴片。

优选的，所述正方形介质基板为h*L*L = 1.6 * 52.2 * 52.2±5% mm3的FR4材料构成的正方体，所述耦合馈电结构和圆形辐射金属贴片设置于正方形介质基板的上表面，所述接地板设于正方形介质基板的下表面，所述耦合馈电结构和圆形辐射金属贴片以及接地板都采用印刷结构印刷于正方形介质基板上。

优选的，所述FR4材料的介电常数为4.4±3%，损耗角正切为0.02±3%，该材料价格低廉，易于购买和加工，可批量生产，具有较大的实际应用价值。

优选的，所述接地板由两块宽度与主线长度Lf相同，长度与正方形介质基板长度L相同的金属贴片连接形成的L型金属接地板，所述L型金属接地板位于主线的正下方，使得信号干扰比较小。

进一步优选的，所述圆形辐射金属贴片的半径R1= 12.5±5% mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：1、两个天线单元共用同一个圆形辐射金属贴片，使得天线的尺寸得到了极大的减小，实现了小型化，能够应用于小型的移动终端；

MIMO天线由两个天线单元组成，两个天线单元的结构镜像对称，两个天线单元的耦合馈电结构正交放置，能有效降低端口间的耦合；

该MIMO天线系统的带宽比较宽，能够覆盖手机通讯所需的大部分工作频带；

既可以用来发射语音信号也可以发射数据信号，而且两个天线单元之间的隔离度非常高，耦合很小，大部分能量都能够被发射出去，不会在两个天线单元之间互传。

附图说明

图1为本发明的整体结构正面图；

图2为本发明的整体结构背面图；

图3为本发明的整体结构侧视图；

图4为用仿真软件HFSS对整个MIMO天线进行仿真所得的S参数随频率变化曲线示意图；

图5（a）和图5（b）为用仿真软件HFSS对整个MIMO天线进行仿真后天线单元一的T字型50欧姆端口馈电耦合线激励时1.8 GHz频点的远场辐射方向图；

图6（a）和图6（b）为用仿真软件HFSS对整个MIMO天线进行仿真后天线单元二的T字型50欧姆端口馈电耦合线激励时1.8 GHz频点的远场辐射方向图；

图7为本发明激励时天线轴比随频率变化曲线图；

其中，1为介质基板；2为接地板；3为耦合馈电结构；31为圆弧形侧壁；32为主线；4为圆形辐射金属贴片；5为弧形缺口；6为弧形缝隙。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的阐述。

参见图1-3，一种应用于智能终端设备辐射平面共用的小型化MIMO天线，包括介质基板和设置在介质基板上的天线单元一、天线单元二以及接地板，所述天线单元一和天线单元二均包括耦合馈电结构和圆形辐射金属贴片，所述天线单元一和天线单元二共用一个圆形辐射金属贴片，天线单元一和天线单元二为镜像对称设置。

天线单元一与圆形辐射金属贴片构成一组天线，耦合产生电磁波能量，向空间辐射。同理天线单元二与圆形辐射金属贴片构成一组天线，耦合产生电磁波能量，向空间辐射。天线单元一在主极化方向产生电场强度最大的电磁波辐射，在交叉方向电场强度较弱。同理天线单元二在主极化方向产生电场强度最大的电磁波辐射，在交叉方向电场强度较弱。由于天线单元一与天线单元二为垂直方向故天线单元一的主极化对应的是天线单元二的交叉极化，天线单元一的交叉极化对应的是天线单元二的主极化。这样两个单元的MIMO天线的电磁波之间的隔离度就非常高，共用一个圆形辐射金属贴片，最终实现减少天线所占面积，提高天线性能，需要说明的是，交叉极化为与主极化垂直的方向。

具体的，圆形辐射金属贴片上设有两个弧形缺口，两个弧形缺口位于圆形辐射金属贴片一条直径的两端，天线单元一和天线单元二的两个耦合馈电结构正交放置，且位于圆形辐射金属贴片的弧形缺口两端。

介质基板为正方形介质基板，所述两个弧形缺口的中心连线为正方形介质基板的对角线，弧形缺口的弧度α1 = 40±5%°，缺口的侧边长L1 = 2±5% mm。

所述耦合馈电结构为T字型50欧姆端口馈电耦合线，T字型50欧姆端口馈电耦合线包括圆弧形侧壁和与圆弧形侧壁中心连接的主线，T字型50欧姆端口馈电耦合线为正方形介质基板中间的圆形辐射金属贴片馈电。

两个T字型50欧姆端口馈电耦合线正交放置，分别位于圆形辐射金属贴片的弧形缺口两端。

所述圆弧形侧壁与圆形辐射金属贴片之间的弧形缝隙宽度g = 0.1±5% mm，圆弧形侧壁的弧度α2 = 50±5%°，侧边长L2 = 2 ±5% mm；主线是长度为Lf，宽度为Wf，阻抗为50欧姆微带线，所述Lf = 11.5±5% mm，Wf = 2.0 ±5% mm，两条50欧姆微带线相互正交，分别位于正方形介质基板的两个相邻边上。

所述正方形介质基板为h*L*L = 1.6 * 52.2 * 52.2±5% mm3的FR4材料构成的正方体，所述耦合馈电结构和圆形辐射金属贴片设置于正方形介质基板的上表面，所述接地板设于正方形介质基板的下表面。

所述FR4材料的介电常数为4.4±3%，损耗角正切为0.02±3%。

所述接地板由两块宽度与主线长度Lf相同，长度与正方形介质基板长度L相同的金属贴片连接形成的L型金属接地板，且两个正交臂长度相同，L型金属接地板位于主线的正下方，并靠近正方形介质板的两个边缘。

所述圆形辐射金属贴片的半径R1= 12.5±5% mm。

本实施例在具体实施过程中，选用长为52.2±5% mm，宽为52.2±5% mm，高为1.6±5%mm的材料为FR4正方形介质基板，在介质基板上表面中心处，印刷一个半径为12.5±5%mm的圆形辐射金属贴片，金属贴片的边缘处刻蚀两个弧形缺口，弧形缺口位于金属贴片一条直径两端，直径与正方形介质板对角线重合。弧形缺口的弧度为40±5%°，侧边长为2±5%mm。弧形缺口两端分别刻蚀两个耦合馈电结构，耦合馈电结构为T字型50欧姆端口馈电耦合线，T字型50欧姆端口馈电耦合线包括圆弧形侧壁和与圆弧形侧壁中心连接的主线，T字型50欧姆端口馈电耦合线为正方形介质基板中间的圆形辐射金属贴片馈电。

圆弧形侧壁与金属贴片之间的距离为0.1±5%mm，两条50欧姆微带线分别与正方形介质基板的两个边缘垂直，两圆弧形侧臂的弧度为50±5%°，宽度为2±5%mm，50欧姆微带线的长为11.5±5%mm，宽为2±5%mm。

正方形介质基板的背面两根50欧姆微带线的正下方刻蚀两个矩形金属贴片，即L型金属接地板，贴片的长为52.2±5%mm，宽为11.5±5%mm，两个矩形金属贴片和正方形介质的边缘重合。

本实施例采用电磁仿真软件HFSS对上述天线结构进行仿真验证，图4给出了极化分集高隔离平面MIMO天线的S参数仿真结果图，从图中可以看出，本发明设计的天线结构在频带1.38 GHz～2.63 GHz内的耦合度都低于-15.3 dB，完全可以满足工程所要求的小于-15 dB。图5（a）、图5（b）和图6（a）、图6（b）给出了两个天线单元的远场辐射方向图，其中包含E面和H面中的主极化方向和交叉极化方向上的远场方向图，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。图7为本发明MIMO天线两个T字型50欧姆端口馈电耦合线激励时天线轴比随频率变化曲线图。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (8)

1.一种应用于智能终端设备辐射平面共用的小型化MIMO天线，包括介质基板(1)和设置在介质基板(1)上的天线单元一、天线单元二以及接地板(2)，其特征在于：所述天线单元一和天线单元二均包括耦合馈电结构(3)和圆形辐射金属贴片(4)，所述天线单元一和天线单元二共用一个圆形辐射金属贴片(4)；

所述天线单元一和天线单元二为镜像对称设置；

所述圆形辐射金属贴片(4)上设有两个弧形缺口(5)，两个弧形缺口(5)位于圆形辐射金属贴片(4)一条直径的两端，所述天线单元一和天线单元二的两个耦合馈电结构(3)正交放置，且位于圆形辐射金属贴片(4)的其中一个弧形缺口(5)两端。

2.根据权利要求1所述的应用于智能终端设备辐射平面共用的小型化MIMO天线，其特征在于：所述介质基板(1)为正方形介质基板，所述两个弧形缺口(5)的中心连线为正方形介质基板的对角线，弧形缺口(5)的弧度α1＝40±5％°，缺口的侧边长L1＝2±5％mm。

3.根据权利要求2所述的应用于智能终端设备辐射平面共用的小型化MIMO天线，其特征在于：所述耦合馈电结构(3)为T字型50欧姆端口馈电耦合线，T字型50欧姆端口馈电耦合线包括圆弧形侧壁(31)和与圆弧形侧壁(31)中心连接的主线(32)。

4.根据权利要求3所述的应用于智能终端设备辐射平面共用的小型化MIMO天线，其特征在于：所述圆弧形侧壁(31)与圆形辐射金属贴片(4)之间的弧形缝隙(6)宽度g＝0.1±5％mm，圆弧形侧壁(31)的弧度α2＝50±5％°，侧边长L2＝2±5％mm；主线(32)是长度为Lf，宽度为Wf，阻抗为50欧姆微带线，所述Lf＝11.5±5％mm，Wf＝2.0±5％mm。

5.根据权利要求4所述的应用于智能终端设备辐射平面共用的小型化MIMO天线，其特征在于：所述正方形介质基板为h*L*L＝1.6*52.2*52.2±5％mm³的FR4材料构成的正方体，所述耦合馈电结构(3)和圆形辐射金属贴片(4)设置于正方形介质基板的上表面，所述接地板(2)设于正方形介质基板的下表面。

6.根据权利要求5所述的应用于智能终端设备辐射平面共用的小型化MIMO天线，其特征在于：所述FR4材料的介电常数为4.4±3％，损耗角正切为0.02±3％。

7.根据权利要求5所述的应用于智能终端设备辐射平面共用的小型化MIMO天线，其特征在于：所述接地板(2)由两块宽度与主线长度Lf相同，长度与正方形介质基板长度L相同的金属贴片连接形成的L型金属接地板，所述L型金属接地板位于主线(32)的正下方。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的应用于智能终端设备辐射平面共用的小型化MIMO天线，其特征在于：所述圆形辐射金属贴片(4)的半径R1＝12.5±5％mm。

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