CN110429380B - 面向5g应用基于辐射结构共享二单元微带mimo天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种面向5G应用基于辐射结构共享二单元微带MIMO天线，包括自上而下依次叠加的三层介质板，即第一介质板、第二介质板和第三介质板；所述介质板的大小尺寸和材料相同，所述第一介质板的上表面设置有不完整圆形金属贴片，所述圆形金属贴片的边缘处设置有弧形缺口，所述第一介质板、第二介质板及第三介质板之间分布设置有第一金属贴片和第二金属贴片；本发明为宽带微带天线，采用口径共享技术，实现了天线结构的小型化，小型化程度可达到(50±0.5)％，两个单元天线公共带宽达(13.4±0.1)％，具有单向辐射和成本低的特性，采用耦合馈电技术，提高了单元天线间的端口隔离度和远场辐射增益。

Description

面向5G应用基于辐射结构共享二单元微带MIMO天线
技术领域
本发明属于无线通讯技术领域，具体涉及一种面向5G应用基于辐射结构共享二单元微带MIMO天线。
背景技术
移动通信技术的当今发展速度最快的技术领域之一，移动通信经过前面4代的发展，已经落地的5G无线通信技术能够给人们的生产和生活带来革命性的影响，会引发新一代以信息科技为首的产业革命。而只要涉及到无线通信，则系统中必需一个器件，即天线设备，而且天线设备的性能也对整个无线移动通信系统的性能有着重要的影响。尤其是5G移动智能设备中，天线的个数更多，当然最主要的还是完成信息传输任务的数据通信天线。
MIMO技术是5G无线移动通信系统的主要技术之一，主要实现5G无线系统的高速率数据传输。MIMO天线可以通过分集技术实现，分集技术包括角度分集、频率分集和极化分集；其中，极化分集是一种根据电磁波传播特性而实现的一种分集技术，即两个正交极化的电磁波是完全不相关的；而空间传播的电磁波极化特性又与辐射电磁波的天线结构或者天线放置方向有关，基于以上特性，两个正交极化的天线之间也是不相关的。
基于极化分集技术的MIMO天线在很多文献中出现，但是大多数基于极化分集技术的天线都是将两个或者多个结构相同的天线结构正交放置。如期刊文献“A compacttriband quad-element MIMO antenna using SRR ring for high isolation”，AnithaRamachandran等，IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，第16期，第1409-1412页，2016年，公开了一种基于SRR环实现高隔离的微型三频四元MIMO天线，该文章中记载了将四个“弓”型结构的天线正交的分布在一个正方形介质基板的四个角上，实现了两个相邻天线的极化形式正交。期刊文献“Design of an E-shaped MIMO antenna using IWOalgorithm for wireless application at 5.8GHz”，A.R.Mallahzadeh等，Progress InElectromagnetics Research，第90期，第187-203页，2009年，公开了一种基于IWO算法适用于5.8GHz无线应用的E型MIMO天线，该文章中记载了四个“E”字型结构的微带天线按照相邻天线正交的规律并排放置在一个长方形介质板上，实现了四单元微带MIMO天线，并且在工作频带内每两个单元天线端口间隔离度都小于-20±3％dB。中国专利申请CN109494463A公开了一种互补半圆形结构的高隔离度MIMO天线，包括在介质基板上正交设置的第一天线单元和第二天线单元；两个天线单元的结构都是由一个半圆形金属贴片和一个矩形金属贴片组成，采用极化分集技术，使两个天线单元间的耦合变得很小，实现了高端口隔离度。
上述文献中，存在两个问题，第一个问题，每个MIMO天线结构中的多个单元天线都是独立地分布在介质基板上，导致整个MIMO天线系统的体积比较大，MIMO天线中单元个数越多，天线的几何尺寸就会越大，对于极化技术的进一步优化，带来了技术障碍。尽管相关人员通过不断研究端口隔离技术，尽可能地减小两个单元天线间的距离，实现小型化，比如在两个单元之间增加接地金属结构，增加用于实现电磁超材料的SRR结构等，但是只能在一定程度上解决上述问题，上述技术不可能将二单元MIMO天线的几何结构减小到单个天线的大小。
第二个问题，微带结构MIMO天线结构中的单元天线工作频带比较窄，不能实现宽屏带工作。尽管天线带宽过窄可以通过改变单元天线的类型来拓展带宽，比如利用平面单极子结构天线来代替微带天线，工作频带得到拓展，但是天线的辐射能量空间分布也发生了变化。
因此，如何提供一种面向5G应用微带MIMO天线，以解决当前应用于智能终端的MIMO天线小型化和微带天线带宽拓展问题，是目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本申请的目的在于提供一种面向5G应用基于辐射结构共享二单元微带MIMO天线，以解决当前应用于智能终端的MIMO天线小型化和微带天线带宽拓展问题。
为了达到上述目的，本申请提供如下技术方案。
一种面向5G应用基于辐射结构共享二单元微带MIMO天线，包括自上而下依次叠加的三层介质板，即第一介质板、第二介质板和第三介质板；
所述介质板的大小尺寸和材料相同，所述介质板的表面均设有金属贴片。
优选地，所述第一介质板的上表面设置有不完整圆形金属贴片，所述圆形金属贴片的边缘处设置有圆弧缺口。
优选地，所述圆形金属贴片的数量为四个，每两个相邻圆形金属贴片的间距相等，每个所述圆形金属贴片的边缘处设置有四个圆弧缺口。
优选地，所述圆形金属贴片的半径为9.0～9.5mm，所述圆弧缺口的半径为2.7～3.0mm，所述圆弧缺口的角度为36～40°。
优选地，所述第一介质板、第二介质板之间设置第一金属贴片，所述第一金属贴片刻蚀在所述第一介质板的下表面或所述第二介质板的上表面。
优选地，所述第二介质板、第三介质板之间设置第二金属贴片，所述第二金属贴片刻蚀在所述第二介质板的下表面或所述第三介质板的上表面。
优选地，所述第一金属贴片、第二金属贴片的方向相互垂直、中心重合，且中心均与所述介质板的中心重合；
所述第一金属贴片、第二金属贴片的一端分别设置有馈电通孔。
优选地，所述第三介质板的下表面在对应所述馈电通孔的位置设置有非金属圆形区域，所述非金属圆形区域的半径大于所述馈电通孔的半径；所述第三介质板的下表面设置有金属接地板。
优选地，所述介质板的材料为玻璃纤维环氧树脂，介电常数为4～5％。
优选地，所述第一介质板的厚度为1.4～2.0mm，所述第二介质板的厚度为0.2～0.5mm，所述第三介质板的厚度为1.5～2.0mm。
本发明所获得的有益技术效果：
1)本发明解决了现有技术中所存在的缺陷，本发明为宽带微带天线，具有单向辐射特性，即将天线的辐射能量全部集中在一个方向上辐射；采用口径共享技术，实现了天线结构的小型化，小型化程度可达到(50±0.5)％，对于二单元天线结构而言，小型化程度已经达到了极限；同时，两个单元天线公共带宽达(13.4±0.1)％；
2)本发明虽然是一个三层结构，但是所用介质基板材料是一种常用低成本材料，在普及应用中具有成本低的特性；
3)本发明采用耦合馈电技术，将两个激励馈电金属贴片放置在多层介质板的不同表面，并且两个激励金属贴片正交放置，提高了单元天线间的端口隔离度和远场辐射增益；
4)本发明采用带有四个缺口的圆形辐射结构，且该带有四个缺口的圆形结构可以在平面上进行扩展，扩展成若干个具有周期性的结构，该结构可以谐振在两个不同频点上，在一定程度上实现了天线的宽带化。
上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，从而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下以本申请的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
根据下文结合附图对本申请具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本申请的上述及其他目的、优点和特征。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1是本公开一种实施例的二单元微带MIMO天线结构的侧视图；
图2是本公开一种实施例的二单元微带MIMO天线结构的俯视图；
图3是本公开一种实施例的二单元微带MIMO天线结构的透视图；
图4是本公开一种实施例的二单元微带MIMO天线结构的后视图；
图5是本公开一种实施例的二单元微带MIMO天线两个端口散射参数随频率变化曲线，图中曲线a表示两个单元天线端口间传输系数随频率变化特征，曲线b表示单元天线2端口反射系数随频率变化特征，曲线c表示单元天线1端口反射系数随频率变化特征；
图6是本公开一种实施例的二单元微带MIMO天线单元天线1工作时频点f＝3.72GHz处phi＝0°平面天线的远场辐射方向图；
图7是本公开一种实施例的二单元微带MIMO天线单元天线1工作时频点f＝3.72GHz处phi＝90°平面天线的远场辐射方向图；
图8是本公开一种实施例的二单元微带MIMO天线单元天线2工作时频点f＝3.57GHz处phi＝0°平面天线的远场辐射方向图；
图9是本公开一种实施例的二单元微带MIMO天线单元天线2工作时频点f＝3.57GHz处phi＝90°平面天线的远场辐射方向图。
在以上附图中：1、介质板；11、第一介质板；111、圆形金属贴片；112、圆弧缺口；12、第二介质板；121、第一金属贴片；13、第三介质板；131、第二金属贴片；132、非金属圆形区域；133、金属接地板；2、馈电通孔。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。在下面的描述中，提供诸如具体的配置和组件的特定细节仅仅是为了帮助全面理解本申请的实施例。因此，本领域技术人员应该清楚，可以对这里描述的实施例进行各种改变和修改而不脱离本申请的范围和精神。另外，为了清楚和简洁，实施例中省略了对已知功能和构造的描述。
应该理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“本实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“一个实施例”或“本实施例”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。
此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身并不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。
本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况，本文中术语“/和”是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，A/和B，可以表示：单独存在A，单独存在A和B两种情况，另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含。
实施例1
如附图1所示，一种面向5G应用基于辐射结构共享二单元微带MIMO天线，包括自上而下依次叠加的三层介质板，即第一介质板11、第二介质板12和第三介质板13，三层介质板紧密叠放在一起形成无任何间隙的三层结构。
所述介质板的大小尺寸和材料相同，所述介质板为正方形结构，所述介质板的长l1、宽l2尺寸为50～55mm，所述第一介质板11的厚度为1.4～2.0mm，所述第二介质板12的厚度为0.2～0.5mm，所述第三介质板13的厚度为1.5～2.0mm。
所述介质板的材料为玻璃纤维环氧树脂，介电常数为4～5％。
所述介质板的表面均设有金属贴片，所述金属贴片为通过PCB加工工艺在介质板的表面刻蚀出的不同形状的金属结构。
如附图2所示，所述第一介质板11的上表面设置有四个大小、结构相同的不完整圆形金属贴片111，所述圆形金属贴片111的半径R1为9.0～9.5mm，
每个所述圆形金属贴片111的边缘处设置有四个圆弧缺口112，所述圆弧缺口112的半径R2为2.7～3.0mm，所述圆弧缺口112的角度α为36～40°。
每两个相邻圆形金属贴片111的间距相等，间距d1为19.5～20.0mm。
所述介质板的几何尺寸比所述圆形金属贴片111直径的2倍还大；每个圆形金属贴片111至所述介质板边缘的距离相等，距离为15.0～16.0mm。
在一个实施例中，每个所述圆形金属贴片111的边缘处设置有两个圆弧缺口112。
参见附图1，所述第一介质板11、第二介质板12之间设置第一金属贴片121，所述第一金属贴片121刻蚀在所述第一介质板11的下表面。
可替代的，所述第一金属贴片121刻蚀在所述第二介质板12的上表面。
所述第二介质板12、第三介质板13之间设置第二金属贴片131，所述第二金属贴片131刻蚀在所述第二介质板12的下表面。
可替代的，所述第二金属贴片131刻蚀在所述第三介质板13的上表面。
如附图3所示，所述第一金属贴片121和第二金属贴片131均为矩形金属贴片，长l3为16.5～17.5mm，宽W1为3.5～4.0mm；所述第一金属贴片121、第二金属贴片131的方向相互垂直、中心重合，且所述第一金属贴片121和第二金属贴片131的中心均与所述介质板的中心重合。
所述第一金属贴片121、第二金属贴片131的一端分别设置有馈电通孔2，所述馈电通孔2的半径d2/2为0.5～0.75mm，两个馈电通孔2不重合，所述馈电通孔2用于馈电信号线与第一、第二金属贴片的连接。
如附图4所示，所述第三介质板13的下表面在对应所述馈电通孔2的位置设置有两个非金属圆形区域132，半径为2.0～2.5mm，圆心与所述馈电通孔2重合，所述非金属圆形区域132的半径大于所述馈电通孔2的半径。
所述第三介质板13的下表面设置有金属接地板133，所述金属接地板133是除非金属圆形区域132外的其他整个表面全部金属覆盖形成的结构。
组装方法：将三个加工好的介质板按照从上到下，即第一、第二和第三介质板的顺序叠放在一起，第三介质板13表面的金属接地板133朝下，第一介质板11表面的四个带有圆弧缺口112的圆形金属贴片111朝上，第一、第二金属贴片相互垂直，馈电通孔2与非金属圆形区域132处于同一个位置，即保证馈电信号线能够通过第三介质板13直接到达第一介质板11下表面的第一金属贴片121。
上述实施例二单元微带MIMO天线结构中，两个处于不同层正交放置的金属结构第一金属贴片121和第二金属贴片131、两个用于连接信号线的馈电通孔2、两个非金属圆形区域132分别为两个单元天线所用，而剩下的其他结构，如第一、第二、第三介质板，第三介质板13背面的金属接地板133，第一介质板11上表面四个带有缺口的圆形金属贴片111，都被两个单元天线所共享。
需要说明的是，上述实施例中，每个结构在保持形状不变的情况下，几何尺寸可以根据上述给出的具体数值为参考值做一定的调整，只要能够满足本发明中的相关特性即可。
对实施例涉及的二单元微带MIMO天线进行实验测试，将两个SMA接头的内芯穿过第二、第三介质板焊接到第一、第二金属贴片上，而SMA接头的接地端与第三介质板13背面的金属接地板133连接，即可对本发明中涉及的三层结构二单元微带MIMO天线进行测试。
对实施例涉及的二单元微带MIMO天线进行试验测试，所得相关参数如附图5、图6、图7、图8和图9所示。
由附图5可知，本实施例微带结构MIMO天线在频率范围3.40～3.89GHz内，两个单元天线端口隔离度小于-20±3％dB。相对工作频带达到(13.4±0.1)％，是一款宽频带微带结构MIMO天线，而且在有效工作频带内，两个单元天线的最小端口反射系数达到-50.0±3％dB和-35.8±3％dB，两个单元天线端口间最小耦合系数达到-27.00±3％dB。
由附图6、附图7、附图8和附图9可知，本实施例二单元微带MIMO天线的两个单元天线的在工作频带内任何频点的远场辐射方向图最大值垂直于天线所在平面，即该微带MIMO天线具有单向辐射特性。
本发明二单元微带MIMO天线的几何尺寸与单元微带天线相同，即该二单元微带MIMO天线的小型化程度达到了(50±0.5)％，对于二单元天线结构而言，小型化程度已经达到了极限；同时，是一个宽带微带天线，两个单元天线公共带宽达(13.4±0.1)％。
本发明与现有技术的区别：现有技术大多采用直接馈电，本发明采用耦合馈电技术；现有相似天线结构大多数采用单层或者双层结构，本发明中的天线采用三层结构；现有相似天线多数采用单个贴片辐射，本发明采用多个贴片进行辐射。
本发明采用耦合馈电技术，将两个激励馈电矩形金属贴片放置在多层介质板的不同表面，提高了单元天线间的端口隔离度和远场辐射增益；采用带有多个缺口的圆形结构，该结构本身可以谐振在两个不同频点上，在一定程度上实现了天线的宽带化。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，其并非因此限制本发明的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，通过常规的替代或者能够实现相同的功能在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行变化、修改、替换、整合和参数变更均落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种面向5G应用基于辐射结构共享二单元微带MIMO天线，其特征在于，包括自上而下依次叠加的三层介质板(1)，即第一介质板(11)、第二介质板(12)和第三介质板(13)；
所述介质板(1)的大小尺寸和材料相同，所述介质板(1)的表面均设有金属贴片；
所述第一介质板(11)、第二介质板(12)之间设置第一金属贴片(121)，所述第一金属贴片(121)刻蚀在所述第一介质板(11)的下表面或所述第二介质板(12)的上表面；
所述第二介质板(12)、第三介质板(13)之间设置第二金属贴片(131)，所述第二金属贴片(131)刻蚀在所述第二介质板(12)的下表面或所述第三介质板(13)的上表面；
所述第一金属贴片(121)、第二金属贴片(131)的方向相互垂直、中心重合，且中心均与所述介质板(1)的中心重合；
所述第一金属贴片(121)、第二金属贴片(131)的一端分别设置有馈电通孔(2)，两个馈电通孔(2)不重合，分别用于信号线与第一金属贴片(121)、第二金属贴片(131)的连接；
所述第三介质板(13)的下表面在对应所述馈电通孔(2)的位置设置有非金属圆形区域(132)，所述非金属圆形区域(132)的半径大于所述馈电通孔(2)的半径；所述第三介质板(13)的下表面设置有金属接地板(133)；
其中，第一金属贴片(121)和第二金属贴片(131)、两个馈电通孔(2)、两个非金属圆形区域(132)分别为两个单元天线所用，剩下其他结构为两个单元天线所共享。
2.根据权利要求1所述的面向5G应用基于辐射结构共享二单元微带MIMO天线，其特征在于，所述第一介质板(11)的上表面设置有不完整圆形金属贴片(111)，所述圆形金属贴片(111)的边缘处设置有圆弧缺口(112)。
3.根据权利要求2所述的面向5G应用基于辐射结构共享二单元微带MIMO天线，其特征在于，所述圆形金属贴片(111)的数量为四个，每两个相邻圆形金属贴片(111)的间距相等，每个所述圆形金属贴片(111)的边缘处设置有四个圆弧缺口(112)。
4.根据权利要求3所述的面向5G应用基于辐射结构共享二单元微带MIMO天线，其特征在于，所述圆形金属贴片(111)的半径为9.0～9.5mm，所述圆弧缺口(112)的半径为2.7～3.0mm，所述圆弧缺口(112)的角度为36～40°。
5.根据权利要求1-4任一项所述的面向5G应用基于辐射结构共享二单元微带MIMO天线，其特征在于，所述介质板(1)的材料为玻璃纤维环氧树脂，介电常数为4～5％。
6.根据权利要求1-4任一项所述的面向5G应用基于辐射结构共享二单元微带MIMO天线，其特征在于，所述第一介质板(11)的厚度为1.4～2.0mm，所述第二介质板(12)的厚度为0.2～0.5mm，所述第三介质板(13)的厚度为1.5～2.0mm。
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