CN110112559A - 一种适用于5g的小型化双频带八单元mimo终端天线 - Google Patents

一种适用于5g的小型化双频带八单元mimo终端天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于5G的小型化双频带八单元MIMO终端天线，包括一块介质基板、两块介质侧板和印刷在三块介质板表面的电路。该天线介质基板上表面印刷有八个天线单元的馈线，下表面印刷有金属地板；两块介质侧板的内侧壁上分别印刷有四个天线单元和间隔分布在天线单元之间的三组去耦结构，天线单元由T型馈电枝节和两个接地辐射贴片组成，其中接地辐射贴片均由矩形贴片和弯折短路线构成，去耦结构为具有三条弯折细缝的短路金属贴片，天线单元通过位于馈线端部的馈电点穿过地板同轴内芯馈电。通过优化设计天线单元和去耦结构，合理排布天线单元和去耦结构的位置，使得该天线具有小型化、双频带、天线单元之间隔离度高的优点，适合用于5G终端。

Description

一种适用于5G的小型化双频带八单元MIMO终端天线
技术领域
本发明涉及无线通信领域中的天线设计技术，特别涉及一种适用于5G的小型化双频带八单元MIMO终端天线的设计。
背景技术
MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出)技术是一种能充分利用空间资源，通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，成倍的提高系统信道容量的无线技术。由于MIMO技术具有能成倍地提高通信系统的吞吐量、传送距离和频谱利用率的优点，因此，MIMO技术在无线通信领域中具有相当重要的地位。
目前，手持终端朝着小型化，可穿戴的方向发展，使留给天线设计本来就不充足的空间变得更加紧张。同时，在MIMO天线阵列中，由于使用空间的受限，随着天线单元个数的增加，天线单元间距更加接近。过近的单元间距使得天线之间激发强烈的表面波耦合和空间感应耦合，从而恶化MIMO阵列的频带、效率等性能。因此，如何采取合理有效的去耦措施保障天线阵列的综合性能，设计出满足实际应用需求的手持终端MIMO天线是亟待研究解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于5G的小型化双频带八单元MIMO终端天线，以解决在有限空间设计出满足频带、隔离度、效率等指标要求的多单元MIMO天线阵列的问题。并且此天线具有工作在两个频段，且天线单元之间隔离度高的优点，在5G终端具有很好的应用前景。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
一种适用于5G的小型化双频带八单元MIMO终端天线，该天线包括一块介质基板、垂直于所述介质基板两侧的第一、第二介质侧板；所述第一、第二介质侧板上印制有四个天线单元和三个间隔分布在天线单元之间的去耦结构；对应各个天线单元的介质基板上表面印刷有天线单元的馈线；介质基板下表面印刷有金属地板；印制于第一、第二介质侧板内侧壁上的天线单元通过位于馈线端部的馈电点穿过地板同轴内芯馈电。
作为优选方案，所述第一、第二介质侧板分别设置于介质基板的两个长边上，且第一、第二介质侧板的长边与介质基板的长边相连。
作为优选方案，所述用于同轴馈电的馈电点设置有8个，经同轴内芯与介质基板上表面的馈线连接。
作为优选方案，所述天线单元和去耦结构排布于第一、第二介质侧板内侧壁上，天线单元与相邻两侧的去耦结构之间的距离分别为4.7mm和4.5mm，位于第一、第二介质侧板的天线单元和去耦结构互为镜像对称。
作为优选方案，所述天线单元包括T型馈电枝节和两个分别设于其上方的低、高频接地辐射贴片，其中低、高频接地辐射贴片均由矩形辐射贴片和低、高频弯折短路线构成。
作为优选方案，所述天线单元能够实现双频工作，低频段为3.4-3.8GHz，高频段为4.8-5.1GHz。
作为优选方案，所述去耦结构为蚀刻有三条弯折细缝的短路接地金属贴片；其中在短路接地金属贴片的上弯折细缝与下弯折细缝相对弯折，中弯折细缝与下弯折细缝同向，且上弯折细缝长度大于下弯折细缝。该去耦结构可以有效地抑制相邻单元之间的通过地板和空间的电磁感应耦合。
作为优选方案，所述介质基板的材质为FR4。
作为优选方案，所述MIMO终端天线能够在有限空间内实现双频去耦，其中，在低频带天线单元之间隔离度为15dB，在高频带天线单元之间隔离度为18dB。
本发明的特点在于：
本发明的天线单元通过优化设计天线单元，实现了天线在双频带工作。天线单元由T型馈电枝节和两个分别工作在低频段和高频段的辐射贴片组成，T型馈电枝节对两个辐射贴片进行耦合馈电。同时，为了提高天线单元间的隔离度，在同一介质侧板上的相邻天线单元之间引入了去耦结构，该去耦结构为蚀刻有三条弯折细缝的接地金属贴片，该去耦结构的每一条细缝产生一种去耦模式，通过合理调整去耦结构的结构和尺寸以及合理排布天线单元和去耦结构的位置，在低频带和高频带同时实现了天线单元间的较高的隔离度。
该天线具有小型化、双频带工作、天线单元之间隔离度高的优点，适合用于5G终端。
附图说明
图1为本发明一种适用于5G的小型化双频带八单元MIMO终端天线的立体结构视意图；
图2为本发明一种适用于5G的小型化双频带八单元MIMO终端天线的第一介质侧板侧视图；
图3为本发明一种适用于5G的小型化双频带八单元MIMO终端天线的天线单元示意图；
图4为本发明一种适用于5G的小型化双频带八单元MIMO终端天线的去耦结构示意图；
图5为一种适用于5G的小型化双频带八单元MIMO终端天线的天线单元1和天线单元2的反射系数曲线图；
图6为一种适用于5G的小型化双频带八单元MIMO终端天线的天线单元3和天线单元4的反射系数曲线图。
图7为一种适用于5G的小型化双频带八单元MIMO终端天线的天线单元1-4中相邻单元传输系数曲线图；
图8为本发明一种适用于5G的小型化双频带八单元MIMO终端天线的天线单元1-4在3.6GHz和4.9GHz的方向图；
图9为本发明一种适用于5G的小型化双频带八单元MIMO终端天线的天线单元1和天线单元2的增益曲线图；
图10为本发明一种适用于5G的小型化双频带八单元MIMO终端天线的天线单元3和天线单元4的增益曲线图；
图11为本发明一种适用于5G的小型化双频带八单元MIMO终端天线的天线单元1和天线单元2的效率曲线图；
图12为本发明一种适用于5G的小型化双频带八单元MIMO终端天线的天线单元3和天线单元4的效率曲线图。
图中：1、介质基板；2、第一介质侧板；3、第二介质侧板；4、金属地板；5、馈线；6、天线单元；7、去耦结构；8、用于同轴馈电的馈电点。61、低频辐射贴片；62、高频辐射贴片；63、高频弯折短路线；64、T型馈电枝节；65、低频弯折短路线；71、短路接地金属贴片；72、上弯折细缝；73、中弯折细缝；74、下弯折细缝。
具体实施方式
为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和实施例对发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。
如图1-4所示，为本发明的一种适用于5G的小型化双频带八单元MIMO终端天线的结构示意图。包括一块介质基板1、垂直于介质基板1两侧的第一介质侧板2、第二介质侧板3和印刷在三块介质板表面的电路；其中，第一、第二介质侧板2、3上各设有四个天线单元6和三个间隔分布在天线单元6之间的去耦结构7，对应各个天线单元6的介质基板1上表面印刷有八个天线单元的馈线5；介质基板1下表面印刷有金属地板4；印制于第一、第二介质侧板2、3内侧壁上的天线单元6通过位于馈线5端部的馈电点8穿过地板同轴内芯馈电。
其中，第一介质侧板2和第二介质侧板3分别位于介质基板1的两个长边，且第一介质侧板2第二介质侧板3的长边与介质基板1的长边相连，二者成垂直关系。
位于第一介质侧板2和第二介质侧板3上的天线单元6印制于第一介质侧板2和第二介质侧板3的内侧壁上，由T型馈电枝节64、和两个分别设于其上方的低频辐射贴片61、高频辐射贴片62，其中低、高频接地辐射贴片61、62均由矩形辐射贴片和低、高频弯折短路线65、63构成。该天线单元可以实现双频工作，低频段为3.4-3.8GHz，高频段为4.8-5.1GHz。
去耦结构7为蚀刻有三条弯折细缝的短路接地金属贴片71；其中在短路接地金属贴片71的上弯折细缝72与下弯折细缝74相对弯折，中弯折细缝73与下弯折细缝74同向，且上弯折细缝72长度大于下弯折细缝74。该去耦结构7可以有效地抑制相邻单元之间的通过地板和空间的电磁感应耦合.
天线单元6和去耦结构7排布于第一介质侧板2和第二介质侧板3内侧壁上，天线单元6与相邻两侧的去耦结构7之间的距离分别为4.7mm和4.5mm，位于第一介质侧板2)的天线单元6和去耦结构7与第二介质侧板3上对应的天线单元6和去耦结构7镜像对称。
在一个实施例中，介质基板1材质为FR4，介质基板1大小为150mm*75mm，厚度为0.8mm；第一介质侧板2和第二介质侧板3的材质均为FR4，介质侧板大小均为150mm*7mm，厚度均为0.8mm。其余天线结构参数变量如表1中所示。双频带八单元MIMO终端天线工作频带为3.4-3.8GHz和4.8-5.1GHz，低频带天线单元之间隔离度为15dB，高频带天线单元之间隔离度为18dB。
该结构中，天线单元由T型馈电枝节64和两个分别工作在低频段和高频段的辐射贴片组成，T型馈电枝节64对两个辐射贴片进行馈电。同时，为了提高天线单元间的隔离度，在同一介质侧板上的相邻天线单元之间引入了去耦结构7，该去耦结构7的每一条细缝产生一种去耦模式，通过合理调整去耦结构的结构和尺寸以及合理排布天线单元和去耦结构的位置，在低频带和高频带同时实现了天线单元间的较高的隔离度。
其他结构尺寸见表1所示。
表1
结构 L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L9 L10
尺寸(mm) 14.8 13 6.7 3.8 4.3 3.5 4.3 2.2 10.8 2.2
结构 L11 L12 L13 L14 L15 H1 H2 H3 H4 H5
尺寸(mm) 9.2 2.7 5.1 2.6 1 7 3.5 1.7 1.4 2.4
结构 H6 H7 H8 W1 W2 W3 G1 G2 G3
尺寸(mm) 1.9 2.3 1.3 0.4 1.5 0.4 4.7 4.5 0.3
其中：L1为天线单元6的长度，L2为去耦结构7的长度，L3为低频辐射贴片61的长度，L4为低频弯折短路线65的水平长度，L5为高频辐射贴片62的长度，L6为高频弯折短路线63的水平长度，L7为T型馈电枝节64长枝节的长度，L8为T型馈电枝节64短枝节的长度，L9为去耦结构7上弯折细缝72的长缝长度，L10去耦结构上弯折细缝72的短缝长度，L11为去耦结构下弯折细缝74的长缝长度，L12为去耦结构下弯折细缝74的短缝长度，L13去耦结构中弯折细缝73的长缝长度，L14为去耦结构中弯折细缝73的中缝长度，L15去耦结构中弯折细缝73的短缝长度，H1为第一介质侧板2和第二介质侧板3的高度，H2为天线单元6低频辐射贴片61与低频弯折短路线65的外侧距离，H3为天线单元低频辐射贴片61的宽度，H4天线单元为天线单元4低频辐射贴片61与低频弯折短路线65的内侧距离，H5为去耦结构上弯折细缝72的高度，H6为去耦结构下弯折细缝74的高度，H7为去耦结构中弯折细缝73的高度，H8为去耦结构中弯折细缝73中缝和短缝之间的间距，W1为天线单元6低频弯折短路线65的宽度，W2为天线单元馈线5的宽度，W3去耦结构弯折细缝的宽度，G1为天线单元矩形高频辐射贴片62侧与相邻去耦结构7的间距，G2为天线单元低频辐射贴片61侧与相邻去耦结构7的间距，G3为T型馈电枝节64与矩形高频辐射贴片62之间的间距。
本发明的天线单元通过T型馈电枝节64对两个辐射贴片馈电，实现了天线在双频带工作。同时，为了提高天线单元间的隔离度，在第一介质侧板2和第二介质侧板3上的相邻天线单元6之间引入了去耦结构7，该去耦结构7为包含三条弯折细缝的接地金属贴片，该去耦结构的每一条细缝产生一种去耦模式，通过优化设计天线单元和去耦结构，合理调整去耦结构的结构和尺寸以及合理排布天线单元和去耦结构的位置，使得该天线具有小型化、双频带、在低频带和高频带同时实现了天线单元间的较高的隔离度的优点。
如图5-6所示，为本实施例天线单元1-4的反射系数曲线图。双频MIMO终端天线工作频带为3.4-3.8GHz和4.8-5.1GHz。
如图7所示，为本实施例天线单元1-4中相邻单元间传输系数曲线图。天线单元在低频带隔离度为15dB，在高频带隔离度为18dB。
如图8所示，为本实施例的天线单元1-4在3.6GHz和4.9GHz的方向图。
如图9-10所示，为本实施例的天线单元1-4增益曲线。其增益在频率带宽内在2.5-5.5dBi范围内变化。
如图11-12所示，为本实施例的天线单元1-4效率曲线。其效率在频率带宽内在40％-85％范围内变化。
以上对本发明所提供的一种适用于5G的小型化双频带八单元MIMO终端天线进行了详细介绍，并应用了详细的结构设计参数对本发明的原理及实施方式进行了阐述及实现。以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种适用于5G的小型化双频带八单元MIMO终端天线，其特征在于，该天线包括一块介质基板(1)和垂直于所述介质基板(1)两侧的第一、第二介质侧板(2、3)；所述第一、第二介质侧板(2、3)上印制有四个天线单元(6)和三个间隔分布在天线单元(6)之间的去耦结构(7)；对应各个天线单元(6)的介质基板(1)上表面印刷有天线单元的馈线(5)；介质基板(1)下表面印刷有金属地板(4)；印制于第一、第二介质侧板(2、3)内侧壁上的天线单元(6)通过位于馈线(5)端部的馈电点(8)穿过地板同轴内芯馈电。
2.根据权利要求1所述的一种适用于5G的小型化双频带八单元MIMO终端天线，其特征在于，所述第一、第二介质侧板(2、3)分别设置于介质基板(1)的两个长边上，且第一、第二介质侧板(2、3)的长边与介质基板(1)的长边相连。
3.根据权利要求1所述的一种适用于5G的小型化双频带八单元MIMO终端天线，其特征在于，所述用于同轴馈电的馈电点(8)设置有8个，经同轴内芯与介质基板(1)上表面的馈线(5)连接。
4.根据权利要求1所述的一种适用于5G的小型化双频带八单元MIMO终端天线，其特征在于，所述天线单元(6)和去耦结构(7)排布于第一、第二介质侧板(2、3)内侧壁上，天线单元(6)与相邻两侧的去耦结构(7)之间的距离分别为4.7mm和4.5mm，位于第一、第二介质侧板(2、3)的天线单元(6)和去耦结构(7)互为镜像对称。
5.根据权利要求1所述的一种适用于5G的小型化双频带八单元MIMO终端天线，其特征在于，所述天线单元(6)包括T型馈电枝节(64)和两个分别设于其上方的低、高频接地辐射贴片(61、62)，其中低、高频接地辐射贴片(61、62)均由矩形辐射贴片和低、高频弯折短路线(65、63)构成。
6.根据权利要求5所述的一种适用于5G的小型化双频带八单元MIMO终端天线，其特征在于，所述天线单元(6)能够实现双频工作，低频段为3.4-3.8GHz，高频段为4.8-5.1GHz。
7.根据权利要求1所述的一种适用于5G的小型化双频带八单元MIMO终端天线，其特征在于，所述去耦结构(7)为蚀刻有三条弯折细缝的短路接地金属贴片(71)；其中在短路接地金属贴片(71)的上弯折细缝(72)与下弯折细缝(74)相对弯折，中弯折细缝(73)与下弯折细缝(74)同向，且上弯折细缝(72)长度大于下弯折细缝(74)。
8.根据权利要求1所述的一种适用于5G的小型化双频带八单元MIMO终端天线，其特征在于，所述介质基板(1)的材质为FR4。
9.根据权利要求1所述的一种适用于5G的小型化双频带八单元MIMO终端天线，其特征在于，所述MIMO终端天线能够在有限空间内实现双频去耦，其中，在低频带天线单元之间隔离度为15dB，在高频带天线单元之间隔离度为18dB。
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