CN110504537B - 一种基于多元寄生表面结构宽带二单元微带mimo天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于多元寄生表面结构宽带二单元微带MIMO天线，包括自上而下依次叠加的两层介质基板，即第一介质基板、第二介质基板；所述介质基板的尺寸和材料相同，所述介质基板的表面均设有金属结构；所述第一介质基板的上表面设置有不同形状的金属寄生单元，所述第一介质基板和第二介质基板之间设置有两个激励金属贴片，两个所述激励金属贴片正交设置；本发明实现了天线结构的小型化，二单元MIMO天线的小型化率最大能够达到25％，多单元MIMO天线的小型化率更高；同时，基于多层介质板结构多寄生单元辐射结构的单元微带天线，在提高辐射增益的同时也拓展了带宽。

Description

一种基于多元寄生表面结构宽带二单元微带MIMO天线
技术领域
本发明属于无线通讯技术领域，具体涉及一种基于多元寄生表面结构宽带二单元微带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。现有技术中基于极化分集技术的MIMO天线中，存在以下问题：
第一、天线单元基本都是独立的，几乎没有口径共享技术的应用，没有口径共享仅仅基于极化分集技术的MIMO天线小型化程度会受限；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，这在很大程度上限制了MIMO天线的小型化程度。
第二、微带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。这是由微带天线本身结构特效决定的，因为微带结构天线是一种谐振结构天线。MIMO天线中单元天线结构形式可以是单面敷金属，背面没有接地板的CPW结构，也可以是背面有接地板的微带结构。CPW结构天线在垂直于天线平面的两个方向上都有较大的能力辐射，所以CPW结构单元天线有两个能量辐射极值方向，导致远场辐射增益一般比较低；而微带结构天线因为介质板的一侧有金属接地板203，能量无法穿过金属接地板203，所以只有一个最大辐射方向，导致微带天线辐射增益比较高；相比较于CPW结构天线，微带天线的带宽比较窄。
如期刊文献“A compact triband quad-element MIMO antenna using SRR ringfor high isolation”，Anitha Ramachandran等，IEEE Antennas and WirelessPropagation 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 anE-shaped MIMO antenna using IWO algorithm for wireless application at5.8GHz”，A.R.Mallahzadeh等，Progress In Electromagnetics 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CN108321498A公开了一种5G MIMO天线和毫米波天线阵并存的天线结构，包括接地板，还包括四个5GMIMO天线组和两个毫米波天线阵，接地板的每条长边上均设有两个5GMIMO天线组和一个毫米波天线阵，且接地板的同一长边中，毫米波天线阵位于两个5GMIMO天线组之间。上述文献中微带MIMO天线均存在天线难以实现小型化和微带天线带宽比较窄的问题。
因此，如何提供一种微带MIMO天线，以实现天线小型化，提高辐射增益的同时拓展微带天线带宽，拓宽微带天线工作频带，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基于多元寄生表面结构宽带二单元微带MIMO天线，以实现天线小型化，提高辐射增益的同时拓展微带天线带宽，进而拓宽微带天线工作频带。
为了达到上述目的，本申请提供如下技术方案。
一种基于多元寄生表面结构宽带二单元微带MIMO天线，包括自上而下依次叠加的两层介质基板，即第一介质基板、第二介质基板；
所述介质基板的尺寸和材料相同，所述介质基板的表面均设有金属结构。
优选地，所述第一介质基板的上表面设置有不同形状的金属寄生单元，所述金属寄生单元为圆形结构，外半径为9.5～10mm；
所述金属寄生单元包括第一金属寄生单元、第二金属寄生单元、第三金属寄生单元、第四金属寄生单元；
所述第一金属寄生单元为完整的圆形结构。
优选地，所述第二金属寄生单元、第三金属寄生单元、第四金属寄生单元的边缘处分别设置有弧形缺口；
所述第二金属寄生单元、第三金属寄生单元分别位于所述第一介质基板的两侧，且沿所述第一介质基板的中心轴对称。
优选地，所述第二金属寄生单元、第三金属寄生单元的边缘处分别设置有两个弧形缺口，且两个所述弧形缺口沿对应金属寄生单元的中心轴对称。
优选地，所述第四金属寄生单元的边缘处分别设置有四个弧形缺口，且四个所述弧形缺口沿所述第四金属寄生单元的中心轴对称。
优选地，所述第一介质基板和第二介质基板之间设置有两个激励金属贴片，两个所述激励金属贴片正交设置，且两个所述激励金属贴片的长边分别对应所述第四金属寄生单元上的两个弧形缺口。
优选地，所述激励金属贴片上在位于所述第四金属寄生单元端设置有馈电通孔；所述激励金属贴片刻蚀在所述第一介质基板的下表面或所述第二介质基板的上表面。
优选地，所述第二介质基板的下表面在对应所述馈电通孔的位置设置有非金属区域，所述非金属区域的尺寸大于所述馈电通孔，且中心对齐；所述第二介质基板的下表面设置有金属接地板。
优选地，所述介质基板的材料为玻璃纤维环氧树脂，介电常数为4～5％。
优选地，介质基板的长度为65～70mm，宽度为44～50mm，厚度为1.5～1.8mm。
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，本发明实现了天线结构的小型化，二单元MIMO天线的小型化率最大能够达到25％，多单元MIMO天线的小型化率更高；同时，基于多层介质板结构多寄生单元辐射结构的单元微带天线，在提高辐射增益的同时也拓展了带宽；
2)本发明中六个不同形状的寄生结构，中间的一个完整的圆形结构和一个具有四个弧形缺口的圆形结构被两个单元天线共用，实现了辐射贴片共享技术，即口径共享技术，并通过口径共享技术实现了MIMO天线的小型化，二单元微带MIMO天线几何结构减小了25％；
3)本发明中两个单元天线矩形激励金属贴片正交放置，实现了极化分集增益和高端口隔离度；两个单元天线都采用耦合馈电技术，实现能力的非对称传输，即辐射贴片中的耦合能量不容易反向传输到馈电端口，即耦合馈电寄生进一步提高了单元天线间的端口隔离度，提高了微带单元天线的增益，同时也拓展了单元天线的带宽；
4)本发明采用多元不同形状寄生辐射结构寄生，提高了微带天线远场辐射增益，拓展了天线工作频带的带宽；
5)本发明采用二单元微带天线结构，两个天线形状具有轴对称性，每个单元天线都有三种不同形状的寄生辐射结构，会产生多个不同的谐振频点，有效拓展了带宽；同时双层介质基板也增加了接地板和辐射金属贴片间的距离，即增加了介质板厚度，增加了天线辐射增益。
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，其中a为两个端口反射系数(S11/S22)随频率变化曲线，b为两个端口传输系数(S12/S21)随频率变化曲线；
图6是本公开一种实施例的二单元微带MIMO天线单元天线远场辐射增益随频率变化曲线图。
在以上附图中：10、第一介质基板；100、金属寄生单元；101、第一金属寄生单元；102、第二金属寄生单元；103、第三金属寄生单元；104、第四金属寄生单元；105、弧形缺口；20、第二介质基板；200、激励金属贴片；201、馈电通孔；202、非金属区域；203、金属接地板。
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，一种基于多元寄生表面结构宽带二单元微带MIMO天线，包括自上而下依次叠加的两层介质基板，即第一介质基板10、第二介质基板20，两层介质基板紧密叠放在一起形成无任何间隙的两层结构。
所述介质基板的大小尺寸和材料相同，所述介质基板为长方形结构，所述介质基板的长度l1为65～70mm，宽度l2尺寸为44～50mm，厚度为1.5～1.8mm。
所述介质基板的材料为玻璃纤维环氧树脂，介电常数为4～5％。
所述介质基板的表面均设有金属结构，所述金属结构为通过PCB加工工艺在介质板的表面刻蚀出的不同形状。
如附图2和3所示，所述第一介质基板10的上表面设置有不同形状的金属寄生单元100，所述金属寄生单元100为圆形结构，外半径R1为9.5～10mm。
所述金属寄生单元100包括第一金属寄生单元101、第二金属寄生单元102、第三金属寄生单元103、第四金属寄生单元104。
所述第一金属寄生单元101为完整的圆形结构，位于所述介质基板的中心且偏上的位置，中心点距离所述介质基板中心的距离为10.5～11.0mm。
所述第二金属寄生单元102、第三金属寄生单元103分别位于所述第一介质基板10的两侧，且沿所述第一介质基板10的中心轴对称。
所述第四金属寄生单元104与所述第一金属寄生单元101对齐，且圆心间距为20.0～22.0mm。
所述第二金属寄生单元102、第三金属寄生单元103、第四金属寄生单元104的边缘处分别设置有弧形缺口105，每个弧形缺口105大小相同，每个弧形缺口105的弧度为36～40°，弧形缺口105所在处的内圆半径R2为6.5～7.5mm。
所述第二金属寄生单元102、第三金属寄生单元103的边缘处分别设置有两个弧形缺口105，且两个所述弧形缺口105沿对应金属寄生单元100的中心轴对称。
所述第四金属寄生单元104的边缘处分别设置有四个弧形缺口105，且四个所述弧形缺口105沿所述第四金属寄生单元104的中心轴对称，且相对的两个弧形缺口105的中心连线与第一金属寄生单元101、第四金属寄生单元104的圆心连线成45°夹角。
所述第二金属寄生单元102、第三金属寄生单元103的数量均为两个，分别与所述第一金属寄生单元101、第四金属寄生单元104对齐，且中心间距d1为20.0～21.0mm。
参见附图3，所述第一介质基板10和第二介质基板20之间设置有两个激励金属贴片200，所述激励金属贴片200为矩形结构，长度l3为16.5～17.5mm，宽度W1为3.5mm～4.0mm。
两个所述激励金属贴片200正交设置，长度方向的中心线分别与所述第二金属寄生单元102和第四金属寄生单元104的中心连线或所述第三金属寄生单元103和第四金属寄生单元104的中心连线重合，且两个所述激励金属贴片200长边的两端分别对应所述第二金属寄生单元102和第四金属寄生单元104上的两个弧形缺口105或所述第三金属寄生单元103和第四金属寄生单元104上的两个弧形缺口105。
所述激励金属贴片200刻蚀在所述第一介质基板10的下表面。
可替代的，所述激励金属贴片200刻蚀在所述第二介质基板20的上表面。
所述激励金属贴片200上在位于所述第四金属寄生单元104端设置有馈电通孔201，所述馈电通孔201的直径d2为1.0～1.5mm，且中心距离所述激励金属贴片200下侧短边的距离为3.0～4.0mm。
所述第二介质基板20的下表面在对应所述馈电通孔201的位置设置有两个非金属区域202，所述非金属区域202的尺寸大于所述馈电通孔201，且中心对齐。优选地，所述非金属区域202为圆形结构，以所述馈电通孔201的圆心为中心，半径R3为2.0～3.0mm。
所述第二介质基板20的下表面设置有金属接地板203，所述金属接地板203为除非金属区域202外的其他整个表面全部金属覆盖形成的结构。
组装方法：将两个加工好的介质基板按照从上到下，即第一介质基板10、第二介质基板20的顺序紧密叠放在一起，第二介质基板20表面的金属接地板203朝下，第一介质基板10表面的六个金属寄生单元朝上，两个激励金属贴片200相互垂直，长度方向的中心线分别与所述第二金属寄生单元102和第四金属寄生单元104的中心连线或所述第三金属寄生单元103和第四金属寄生单元104的中心连线重合，且两个所述激励金属贴片200长边的两端分别对应所述第二金属寄生单元102和第四金属寄生单元104上的两个弧形缺口105或所述第三金属寄生单元103和第四金属寄生单元104上的两个弧形缺口105，馈电通孔201与非金属区域202处于同一个位置。
对二单元微带MIMO天线进行实验测试，在介质基板两个馈电通孔201处焊接两个SMA接头，SMA的内心穿过馈电通孔201与第二介质基板20上的激励金属贴片200焊接在一起，SMA测试接头的外部接地端与天线背面接地板焊接在一起，即可进行测试。
本实施例涉及的二单元微带MIMO天线进行测试，所得相关参数如附图5、图6所示。
由附图，该二单元微带MIMO天线在3.39～4.41GHz频率范围S11/S22<-10dB，而且在整个工作频率范围内两个端口间的耦合系数都小于-15dB，相对带宽达26.2％；在工作频带范围内远场辐射增益最大值达到6.32dB，是一个高增益天线。
上述实施例中第一金属寄生单元101和第四金属寄生单元104被两个单元天线共用，除此之外，上下层两块完全相同的介质基板和最下层有两个小型非金属区域202的金属接地板203也被两个单元天线共用，采用了口径共享技术，两个单元天线分别通过下层介质基板中的馈电通孔201馈电，可以采用同轴线结构馈电。
上述实施例二单元微带MIMO天线采用的多个寄生单元结构包括第一金属寄生单元101(完整的圆形)、第二金属寄生单元102(边缘位置有两个对称弧形缺口105)、第三金属寄生单元103(边缘位置有两个对称弧形缺口105)、第四金属寄生单元104(四个对称弧形缺口105的不完整圆形)，即有三种(或者多种)不同结构寄生单元；采用的部分寄生辐射单元共享技术，六个寄生结构中，中间两个不同寄生单元，即第一金属寄生单元101和第四金属寄生单元104被两个单元天线共享。
上述实施例二单元微带MIMO天线采用了部分寄生单元辐射共享技术，实现了MIMO天线小型化，将二单元微带MIMO天线几何结构减小了25％；多个寄生单元结构并不相同，拓展了天线的工作频带；两个单元天线的激励金属贴片200正交放置，获得了正交极化增益，提高了两个端口间的隔离度，满足了MIMO天线单元天线间隔离度基本指标。
本发明与现有技术的区别：与现有技术中多数单个辐射贴片微带天线不同，本发明涉及二单元微带MIMO天线中单元天线采用多元寄生结构微带天线，而且多个寄生单元结构并不相同，提高了单元天线的工作频带和远场辐射增益。区别于无口径共享的多单元天线，本发明涉及二单元微带MIMO天线两个单元天线的部分寄生辐射单元实现了共享，将本发明涉及天线几何结构减小了25％。
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 (10)

1.一种基于多元寄生表面结构宽带二单元微带MIMO天线，其特征在于，包括自上而下依次叠加的两层介质基板，即第一介质基板(10)、第二介质基板(20)；
所述介质基板的尺寸和材料相同，所述介质基板的表面均设有金属结构；
所述第一介质基板(10)的上表面设置有不同形状的金属寄生单元(100)，所述金属寄生单元(100)包括第一金属寄生单元(101)、第二金属寄生单元(102)、第三金属寄生单元(103)、第四金属寄生单元(104)；
所述第一金属寄生单元(101)位于所述第一介质基板(10)的中心且偏上的位置，所述第二金属寄生单元(102)、第三金属寄生单元(103)分别位于所述第一介质基板(10)的两侧，且沿所述第一介质基板(10)的中心轴对称，所述第四金属寄生单元(104)与所述第一金属寄生单元(101)对齐；
所述第一介质基板(10)和第二介质基板(20)之间设置有两个激励金属贴片(200)，两个所述激励金属贴片(200)正交设置；
其中，第一金属寄生单元(101)和第四金属寄生单元(104)为两个单元天线共享。
2.根据权利要求1所述的基于多元寄生表面结构宽带二单元微带MIMO天线，其特征在于，所述金属寄生单元(100)为圆形结构；所述第一金属寄生单元(101)为完整的圆形结构。
3.根据权利要求2所述的基于多元寄生表面结构宽带二单元微带MIMO天线，其特征在于，所述第二金属寄生单元(102)、第三金属寄生单元(103)、第四金属寄生单元(104)的边缘处分别设置有弧形缺口(105)。
4.根据权利要求3所述的基于多元寄生表面结构宽带二单元微带MIMO天线，其特征在于，所述第二金属寄生单元(102)、第三金属寄生单元(103)的边缘处分别设置有两个弧形缺口(105)，且两个所述弧形缺口(105)沿对应金属寄生单元(100)的中心轴对称。
5.根据权利要求3所述的基于多元寄生表面结构宽带二单元微带MIMO天线，其特征在于，所述第四金属寄生单元(104)的边缘处分别设置有四个弧形缺口(105)，且四个所述弧形缺口(105)沿所述第四金属寄生单元(104)的中心轴对称。
6.根据权利要求5所述的基于多元寄生表面结构宽带二单元微带MIMO天线，其特征在于，两个所述激励金属贴片(200)的长边分别对应所述第四金属寄生单元(104)上的两个弧形缺口(105)。
7.根据权利要求6所述的基于多元寄生表面结构宽带二单元微带MIMO天线，其特征在于，所述激励金属贴片(200)上在位于所述第四金属寄生单元(104)端设置有馈电通孔(201)；所述激励金属贴片(200)刻蚀在所述第一介质基板(10)的下表面或所述第二介质基板(20)的上表面。
8.根据权利要求7所述的基于多元寄生表面结构宽带二单元微带MIMO天线，其特征在于，所述第二介质基板(20)的下表面在对应所述馈电通孔(201)的位置设置有非金属区域(202)，所述非金属区域(202)的尺寸大于所述馈电通孔(201)，且中心对齐；所述第二介质基板(20)的下表面设置有金属接地板(203)。
9.根据权利要求1-8任一项所述的基于多元寄生表面结构宽带二单元微带MIMO天线，其特征在于，所述介质基板的材料为玻璃纤维环氧树脂，介电常数为4～5％。
10.根据权利要求1-8任一项所述的基于多元寄生表面结构宽带二单元微带MIMO天线，其特征在于，所述介质基板的长度为65～70mm，宽度为44～50mm，厚度为1.5～1.8mm。
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