CN110518346A - 一种十二单元mimo天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种十二单元MIMO天线，属于物联网与微波技术领域，包括设置在系统地平面上介质基板，在介质基板上表面印刷六组天线贴片单元，该天线贴片单元包括配合使用的单极子天线和缝隙天线；在系统地平面上刻有与六组天线贴片单元分别对应的辐射缝隙与净空区域。本发明的一种十二单元MIMO天线，传输速率更快、系统容量更大、误比特率更低，且所设计的尺寸满足小型化要求，适用于手持终端，能够满足当代使用需求。

Description

一种十二单元MIMO天线
技术领域
本发明属于微波技术领域，具体涉及一种十二单元MIMO天线。
背景技术
目前，用于4G(第四代移动通信系统)LTE无线通信的2×2多输入多输出(MIMO)天线系统已经在手机上进行了广泛的研究和商业化。然而以通信技术为代表的新一轮科技与产业的变革，正在逐步的升级。
在当今移动设备用户急剧增长和新型应用快速普及的状态之下，对于传输通信的要求也急剧增加，迫切的需要第五代移动通信系统(5G)技术的快速成熟与应用，包括移动通信，Wi-Fi，高速无线传输无一例外的需要相比现在更快的传输速率，更低的传输延时以及更高的可靠性。
在世界于2020年之后接受5G(第五代)通信系统，在不久的将来，对于5G基站和移动站的新天线设计将有很大的需求。
众所周知，运用于4G的2×2MIMO操作方案不能用于5G无线通信，因为5G预计拥有的数据速率是4G的1000倍，并且具有更好的链路可靠性。由于具有2×2MIMO或4×4MIMO方案的5G移动手机仅用于2G/3G/4G(698-960MHz，1710-2690MHz)通信，因此对于5G天线系统的设计，需要更多的天线元件应用于5G的大规模MIMO天线阵列的设计。
与4G MIMO天线系统相比，5G大规模MIMO的移动终端中至少集成了6到8个天线单元，以提供良好的分集增益和多路复用增益。通过空间分集和空间复用，可以实现更大的信道容量和更好的通信可靠性。因此，多天线系统更能抵抗多径衰落并提高数据吞吐量。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种十二单元MIMO天线，该天线共有六组完全一样的高低频天线组合，通过合理的布局设计具有良好的单元隔离性和天线效率。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种十二单元MIMO天线，包括设置在系统地平面上介质基板，在所述的介质基板上表面印刷六组天线贴片单元，该天线贴片单元包括配合使用的单极子天线和缝隙天线；在系统地平面上刻有与六组天线贴片单元分别对应的辐射缝隙与净空区域。
进一步地，所述的单极子天线与缝隙天线均分别通过微带馈线馈电。
进一步地，所述的单极子天线由连接的相匹配的宽度为1.5mm的50欧姆微带馈线馈电；缝隙天线由连接的相匹配的宽度为1.5mm的50欧姆微带馈线馈电。
进一步地，所述的介质基板的长度为145-155毫米，宽度为75-85毫米，高度在0.7-0.9毫米，相对介电常数为4-4.5，损耗角正切为0.025。
进一步地，所述的单极子天线的包括顺次相连的第一矩形天线单元、第二矩形天线单元、第三矩形天线单元和第四矩形天线单元，所述的第一矩形天线单元与第三矩形天线单平行，所述的第二矩形天线单元与第四矩形天线单元平行，所述的第一矩形天线单元与第二矩形天线单元垂直，所述的第二矩形天线单元与第三矩形天线单元垂直，所述的第三矩形天线单元与第四矩形天线单元垂直；所述的缝隙天线包括顺次相连第五矩形天线单元、第六矩形天线单元和第七矩形天线单元，所述的第五矩形天线单元与第六矩形天线单元垂直，所述的第六矩形天线单元与第七矩形天线单元平行。
进一步地，所述的第一矩形天线单元长度为17.2mm，第二矩形天线单元长度为2mm，第三矩形天线单元长度为14.5mm，所述的第一矩形天线单元、第二矩形天线单元、第三矩形天线单元的第一缝长为0.5mm，所述的第四矩形天线单元长度为6.5mm，其第二缝长为1.5mm；第五矩形天线单元长度为3.1mm，其第三缝长为0.7mm；第六矩形天线单元长度为0.9mm，其第四缝长为0.5mm；第七矩形天线单元长度为6mm，其第五缝长为1.5mm。
进一步地，所述的系统地平面是整体长度为150mm，宽度为80mm的铜材质。
进一步地，所述的单极子天线包括AT2、AT4、AT6、AT8、AT10和AT12，所述的缝隙天线包括AT1、AT3、AT5、AT7、AT9和AT11，配合后组成六组天线贴片单元。
进一步地，在所述的单极子天线的位置下方的系统地平面上开有长度为18mm，宽度为3mm的净空区域；在所述的缝隙天线的位置下方的系统地平面处开有长度为6.6mm，宽度为2mm的辐射缝隙，其开口长度为0.8mm，开口宽度为0.5mm。
有益效果：与现有技术相比，本发明的一种十二单元MIMO天线，传输速率更快、系统容量更大、误比特率更低，且所设计的尺寸满足小型化要求，适用于手持终端，能够满足当代使用需求。
附图说明
图1是十二单元MIMO天线阵列的立体结构示意图；
图2是十二单元MIMO天线阵列的单极子天线示意图；
图3是十二单元MIMO天线阵列的缝隙天线示意图；
图4是十二单元MIMO天线阵列的俯视图；
图5是十二单元MIMO天线阵列的系统地平面示意图；
图6是十二单元MIMO天线阵列的辐射缝隙示意图；
图7是十二单元MIMO天线阵列的天线第一单元和天线第三单元的S参数；
图8是十二单元MIMO天线阵列的天线第二单元和天线第四单元的S参数；
图9是十二单元MIMO天线阵列的天线第一单元在5.5GHz的辐射方向图；
图10是十二单元MIMO天线阵列的天线第二单元在3.6GHz的辐射方向图；
图11是十二单元MIMO天线阵列的天线第三单元在5.5GHz的辐射方向图；
图12是十二单元MIMO天线阵列的天线第四单元在3.6GHz的辐射方向图；
附图标记：1-介质基板、2-单极子天线、3-缝隙天线、4-系统地平面、5-50欧姆微带馈线、6-辐射缝隙、7-净空区域、L1-第一矩形天线单元、W2-第二矩形天线单元、L2-第三矩形天线单元、W3-第四矩形天线单元、L4-第五矩形天线单元、W5-第六矩形天线单元、W6-第七矩形天线单元、W1-第一缝长、L3-第二缝长、W4-第三缝长、L5-第四缝长、L6-第五缝长。
具体实施方式
为了更好地理解本发明专利的内容，下面结合附图和具体实施例来进一步说明本发明的技术方案。
一种十二单元MIMO天线阵列，包括设置在系统地平面4上介质基板1，在介质基板1上表面印刷六组天线贴片单元，该天线贴片单元包括配合使用的单极子天线2和缝隙天线3；在系统地平面4上刻有与六组天线贴片单元分别对应的辐射缝隙6与净空区域7。
其中，单极子天线2与缝隙天线3通过50欧姆的微带馈线5馈电。
单极子天线2由连接的相匹配的宽度为1.5mm的50欧姆微带馈线5馈电；缝隙天线3由连接的相匹配的宽度为1.5mm的50欧姆微带馈线5馈电。
介质基板1的长度在145-155毫米范围内，宽度在75-85毫米范围内，高度在0.7-0.9毫米范围内，相对介电常数为4-4.5，损耗角正切为0.025。
单极子天线2包括顺次相连的四段矩形天线单元，分别为第一矩形天线单元L1、第二矩形天线单元W2、第三矩形天线单元L2和第四矩形天线单元W3(即匹配微带线AB)。第一矩形天线单元L1长度为17.2mm，第二矩形天线单元W2长度为2mm，第三矩形天线单元L2长度为14.5mm，第一矩形天线单元L1、第二矩形天线单元W2、第三矩形天线单元L2的第一缝长W1为0.5mm，第四矩形天线单元W3长度为6.5mm，第四矩形天线单元W3的第二缝长L3为1.5mm。第一矩形天线单元L1与第三矩形天线单元L2平行，第二矩形天线单元W2与第四矩形天线单元W3平行，且第一矩形天线单元L1与第二矩形天线单元W2垂直，第二矩形天线单元W2与第三矩形天线单元L2垂直，第三矩形天线单元L2与第四矩形天线单元W3垂直。
缝隙天线3包括顺次相连的三段矩形天线单元，分别为第五矩形天线单元L4、第六矩形天线单元W5和第七矩形天线单元W6(即匹配微带线AB)。第五矩形天线单元L4长度为3.1mm，第三缝长W4为0.7mm，第六矩形天线单元W5长度为0.9mm，第四缝长L5为0.5mm，第七矩形天线单元W6长度为6mm，第五缝长L6为1.5mm。第五矩形天线单元L4与第六矩形天线单元W5垂直，第六矩形天线单元W5与第七矩形天线单元W6平行。
系统地平面4是整体长度为150mm，宽度为80mm的铜材质。在系统地平面4上对应于单极子天线2的位置下方，系统地平面4开有长度为18mm，宽度为3mm的净空区域7；在系统地平面4对应于缝隙天线3的位置下方，系统地平面4处开有辐射缝隙6，辐射缝隙6的长度L8为6.6mm，辐射缝隙6的宽度W8为2mm，辐射缝隙6的开口长度L7为0.8mm，开口宽度W7为0.5mm的辐射缝隙6。
本发明由十二个天线单元构成，十二个天线单元依次标注为AT1、AT2、AT3、AT4、AT5、AT6、AT7、AT8、AT9、AT10、AT11、AT12，代表本文介绍的第一至第十二个天线单元，具体顺序见附图。其中天线贴片位于介质基板的表面，包括单极子天线2与缝隙天线3。铜制系统地平面4覆盖于介质基板1的底面，在其上开有的净空区域7与辐射缝隙6，净空区域7可供单极子天线2完全辐射，以消除辐射贴片离地板太近且下方全是金属使得性能无法达标的问题。缝隙天线3下方开有缝隙以作为辐射体的一部分。单极子天线2与缝隙天线3均通过相匹配的50欧姆的微带馈线馈电。天线共有六组完全一样的高低频天线组合，通过合理的布局设计具有良好的单元隔离性和天线效率。
实施例
如图1所示，本发明的结构是：天线位于介电常数范围为4-4.5，损耗角正切为0.025的FR4介质基板1上。所有的天线元素印刷在FR4介质基板1的表面，背面覆铜，作为系统地平面4。整体可作为手持终端。
该结构由十二个天线单元组成，高频单元采用缝隙天线3形式，低频单元采用单极子天线2形式。为了方便以后说明，为十二个天线单元依次标注为AT1、AT2、AT3、AT4、AT5、AT6、AT7、AT8、AT9、AT10、AT11、AT12，单极子天线2包括AT2、AT4、AT6、AT8、AT10和AT12，缝隙天线3包括AT1、AT3、AT5、AT7、AT9和AT11，配合后组成六组天线贴片单元；具体顺序见附图。由于十二个天线单元为六组完全一样的高低频天线组合，且该结构对称，因此可只观察AT1、AT2、AT3、AT4的仿真结果。
为了保证天线性能，单极子枝节的下方需要挖掉一块覆铜区域作净空区域7，缝隙天线3下方开缝隙作为辐射体的一部分。从馈电到辐射体部分均为宽1.5mm的匹配微带线，保证传输线和天线输入端的良好匹配。天线高频和低频位置的交错放置，以实现良好的隔离和包络相关系数(ECC)，并且还获得了更好的空间分级性能。
结合图2所示，单极子天线2的上侧长方形水平部分宽度W1为0.5mm，水平部分长度L1为17.2mm；中间水平连接处长度W2为3mm；下侧水平长方形水平长度L2为14.5mm；拐角连接匹配微带线AB，其水平长度L3为1.5mm，竖直长度W3为6mm。
结合图3所示，缝隙天线3的倒L型部分长水平部分长度L4为3.1mm，长宽度W4为0.7mm，短宽度W5为0.9mm；下侧连接的匹配微带线AB，其长度W6为6mm，宽度L6为1.5mm，连接处L5长度为1mm。
所选天线尺寸长度能更好的满足天线在工作频段的中心点处谐振和和天线的匹配状态的需求，也能够使得天线有更好的回波损耗和隔离度，使得所设计的天线能够更好的满足实际使用的要求。
结合图4所示，介质基板1正面贴着十二个天线单元，分别为AT1-AT12，代表着天线的十二个单元。介质基板1正面水平距离上天线第十单元AT10距离边角长度N1为10mm，AT10与AT9水平距离N2为25mm，同频的缝隙天线AT9和AT11之间水平距离N3为38.8mm；竖直距离上单极子天线AT8距离边角长度N4为11mm，AT2与AT1距离N5为29mm，AT7距离边角长度N6为19mm。
结合图5-6所示，系统地平面4开有长度为18mm，宽度为3mm的净空区域7；系统地平面4处开有长度L8为6.6mm，宽度W8为2mm，开口长度L7为0.8mm，开口宽度W7为0.5mm的辐射缝隙6。
结合图7-8所示，对回波损耗以-6dB为标准划线，隔离度以-10dB为标准划线，可以看出所有的S参数均达到性能标准。说明各个天线单元匹配良好，且任意两个同频段之间的耦合度很低。
结合图9-12所示，AT1和AT3有相似的辐射特性，在XOZ和YOZ面上有良好的全向性。AT2和AT4方向图也相似，在三个主平面上均具有良好的全向辐射特性。

Claims (9)

1.一种十二单元MIMO天线，其特征在于：包括设置在系统地平面(4)上介质基板(1)，在所述的介质基板(1)上表面印刷六组天线贴片单元，该天线贴片单元包括配合使用的单极子天线(2)和缝隙天线(3)；在系统地平面(4)上刻有与六组天线贴片单元分别对应的辐射缝隙(6)与净空区域(7)。
2.根据权利要求1所述的一种十二单元MIMO天线，其特征在于：所述的单极子天线(2)与缝隙天线(3)均分别通过微带馈线(5)馈电。
3.根据权利要求2所述的一种十二单元MIMO天线，其特征在于：所述的单极子天线(2)由连接的相匹配的宽度为1.5mm的50欧姆微带馈线(5)馈电；缝隙天线(3)由连接的相匹配的宽度为1.5mm的50欧姆微带馈线(5)馈电。
4.根据权利要求1所述的一种十二单元MIMO天线，其特征在于：所述的介质基板(1)的长度为145-155毫米，宽度为75-85毫米，高度为0.7-0.9毫米，相对介电常数为4-4.5，损耗角正切为0.025。
5.根据权利要求1所述的一种十二单元MIMO天线，其特征在于：所述的单极子天线(2)的包括顺次相连的第一矩形天线单元(L1)、第二矩形天线单元(W2)、第三矩形天线单元(L2)和第四矩形天线单元(W3)，所述的第一矩形天线单元(L1)与第三矩形天线单元(L2)平行，所述的第二矩形天线单元(W2)与第四矩形天线单元(W3)平行，所述的第一矩形天线单元(L1)与第二矩形天线单元(W2)垂直，所述的第二矩形天线单元(W2)与第三矩形天线单元(L2)垂直，所述的第三矩形天线单元(L2)与第四矩形天线单元(W3)垂直；所述的缝隙天线(3)包括顺次相连第五矩形天线单元(L4)、第六矩形天线单元(W5)和第七矩形天线单元(W6)，所述的第五矩形天线单元(L4)与第六矩形天线单元(W5)垂直，所述的第六矩形天线单元(W5)与第七矩形天线单元(W6)平行。
6.根据权利要求5所述的一种十二单元MIMO天线，其特征在于：所述的第一矩形天线单元(L1)长度为17.2mm，第二矩形天线单元(W2)长度为2mm，第三矩形天线单元(L2)长度为14.5mm，所述的第一矩形天线单元(L1)、第二矩形天线单元(W2)、第三矩形天线单元(L2)的第一缝长(W1)为0.5mm，所述的第四矩形天线单元(W3)长度为6.5mm，其第二缝长(L3)为1.5mm；第五矩形天线单元(L4)长度为3.1mm，其第三缝长(W4)为0.7mm；第六矩形天线单元(W5)长度为0.9mm，其第四缝长(L5)为0.5mm；第七矩形天线单元(W6)长度为6mm，其第五缝长(L6)为1.5mm。
7.根据权利要求1所述的一种十二单元MIMO天线，其特征在于：所述的系统地平面(4)是整体长度为150mm，宽度为80mm的铜材质。
8.根据权利要求1所述的一种十二单元MIMO天线，其特征在于：所述的单极子天线(2)包括AT2、AT4、AT6、AT8、AT10和AT12，所述的缝隙天线(3)包括AT1、AT3、AT5、AT7、AT9和AT11，配合后组成六组天线贴片单元。
9.根据权利要求8所述的一种十二单元MIMO天线，其特征在于：在所述的单极子天线(2)的位置下方的系统地平面(4)上开有长度为18mm，宽度为3mm的净空区域(7)；在所述的缝隙天线(3)的位置下方的系统地平面(4)处开有长度为6.6mm，宽度为2mm的辐射缝隙(6)，其开口长度为0.8mm，开口宽度为0.5mm。
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