CN110829013A - 一种基于交趾耦合结构的c波段平面mimo天线 - Google Patents

Abstract

一种基于交趾耦合结构的C波段平面MIMO天线，包括矩形介质基板，矩形介质基板的下表面设置金属接地板；介质基板上设置有镜像对称的两个天线单元，天线单元包括设置在介质基板上表面的馈电金属臂，馈电金属臂末端连接水平金属臂，水平金属臂末端连接交趾耦合结构，交趾耦合结构由等距离分布的偶数条竖直金属臂和两条水平金属臂组成，其中奇数条竖直金属臂与上边水平金属臂连接，偶数条竖直金属臂与下边水平金属臂连接，介质基板的下表面设置另一水平金属臂和竖直金属臂，该水平金属臂通过金属过孔与交趾耦合结构连接，竖直金属臂连接金属接地板。本发明两个天线单元端口之间具有高隔离度，而且每个天线单元的工作频带都较宽。

Description

一种基于交趾耦合结构的C波段平面MIMO天线

技术领域

本发明属于无线通信领域，具体涉及一种基于交趾耦合结构的C波段平面MIMO天线。

背景技术

自从20世纪80年代以来，无线通信系统得到了飞速的发展，从一开始(1G)系统承担的简单语音系统发展到目前先进的移动宽带多媒体系统(4G)。在全球互联网及移动通信的快速发展下，智能手机和平板电脑等移动设备的普及导致数据流量和移动设备连接的数量急剧增长，预计到2025年全球数据流量将到达目前200倍的增长，移动终端的数量将超过100亿台。面对信息数据的爆炸式发展，通信技术也已经不能满足仅仅改变人类的生活，而是要进一步改变人类的生产方式。4G无法完成改变生产方式的使命，5G无线移动通信系统应运而生，5G无线移动通信系统可以提供目前技术(4G系统)1000倍的网络承载性能。

5G是4G的延伸和发展，具有更好的系统性能，包括：1)系统网络的网速将得到极大的提升，比目前的4G-LTE区域容量扩大100倍，传输速率达到最低100Mbit/s至几十Gbit/s；2)系统网络具有非常可靠的低时延性能，满足大约往返1ms的时延；3)增强的移动宽带(实现超大带宽、超高容量)等等。4G之前的无线移动通信系统使用的频谱资源都是3GHz以下的低频，当前3GHz以下的频谱资源已经非常紧张，无法再为5G、6G等未来的无线移动通信系统提高更多的频谱资源，而且即便有少量的频谱也无法满足大量快速传输数据的要求。所以5G无线移动通信系统开始使用相对较高的频谱资源，同时也积极开发毫米波无线通信系统。未来的6G无线移动通信系统必将使用更高的频率资源，比如利用C波段进行大量数据的无线传输。天线技术仍然是无线移动通信系统中的重要组成部分，其性能对整个系统性能有重要影响，同时也是5G、6G等智能时代无线移动通信系统重要组成部分。

传统的天线技术已经无法满足5G系统的任务目标，5G无线移动通信系统中的天线实现方式主要包括：一、多天线形式及大规模MIMO技术增加了系统容量或者增加了通信区域内的基站数量；二、通过增加带宽，比如采用较高频的频带(如使用C波段、毫米波段的频谱资源)；三、这两种技术的结合。MIMO技术是一种能够在不增加额外带宽以及发射功率的前提下极大地提高无线通信系统数据传输速率和可靠性的技术。MIMO技术能够有效地抑制无线移动通信系统中的多径衰落，其主要技术基础为分集技术，即频率分集、极化分集和方向图分集等。MIMO系统结构组成为在无线移动通信系统发射和接收端同时部署多部天线，建立多个并行且独立信道来提高数据传输速率。MIMO技术是4G无线移动通信系统中的关键技术之一，但是在4G系统中的MIMO天线数量较少。5G系统中的MIMO系统中天线数量会扩展为几十甚至上百个，大规模MIMO天线能够通过小规模MIMO天线扩展而来。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中平面MIMO天线工作频带宽度不足的问题，提供一种基于交趾耦合结构的C波段平面MIMO天线，同时包含了两个结构对称的天线单元，两个天线单元端口之间具有高隔离度，而且每个天线单元的工作频带都较宽。

为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：

一种基于交趾耦合结构的C波段平面MIMO天线，包括矩形介质基板，矩形介质基板的下表面沿下边沿设置有矩形金属接地板；所述的矩形介质基板上设置有两个天线单元，第一天线单元包括设置在矩形介质基板上表面的第一馈电矩形金属臂，第一馈电矩形金属臂的窄边与矩形介质基板上表面的下边沿重合，第一馈电矩形金属臂末端的矩形介质基板上设有与其相连的第一矩形水平金属臂，第一矩形水平金属臂末端的矩形介质基板上设有与其相连的第一交趾耦合结构，第一交趾耦合结构由等距离分布的偶数条竖直金属臂和两条水平金属臂组成，其中奇数条竖直金属臂与上边水平金属臂连接，偶数条竖直金属臂与下边水平金属臂连接，第一矩形水平金属臂连接与下边水平金属臂连接的最外侧竖直金属臂，矩形介质基板上贯穿设置第一金属过孔，矩形介质基板的下表面设置第三矩形水平金属臂，第三矩形水平金属臂通过第一金属过孔与第一交趾耦合结构上边水平金属臂连接的最外侧竖直金属臂连接；第三矩形水平金属臂末端的矩形介质基板上通过第一矩形竖直金属臂连接矩形金属接地板；第二天线单元与第一天线单元结构相同，两个天线单元关于矩形介质基板的中轴线镜像对称。

所述的矩形介质基板采用FR4材料制成，材料的介电常数4.4±4％，损耗角正切0.02±4％。

所述的矩形金属接地板设置在矩形介质基板长边的边沿，长度与矩形介质基板的长度相等，宽度为矩形介质基板宽度的五分之一。

所述的第一金属过孔为矩形，第一金属过孔长度与第一馈电矩形金属臂、第一矩形水平金属臂、第三矩形水平金属臂及第一矩形竖直金属臂的宽度相等。

所述矩形介质基板的长为72±3％mm、宽为25±3％mm、厚为1.6±5％mm；所述矩形金属接地板的长为72±3％mm、宽为5±3％mm；第一馈电矩形金属臂与矩形介质基板上表面临近的一条侧边的距离为7±3％mm，其长为13mm、宽为2±5％mm；第一矩形水平金属臂的宽为2±5％mm，长为10±3％mm；第三矩形水平金属臂的宽为2±5％mm，长为8.2±3％mm；第一矩形竖直金属臂的宽为2±5％mm，长为8±3％mm。

所述第一交趾耦合结构的竖直金属臂宽度为1±5％mm，相邻两条竖直臂的间距为0.25±5％mm；所述第一交趾耦合结构的两条水平金属臂宽度也是1±5％mm，长度为9.75±3％mm；所述的奇数条竖直金属臂的末端与下边水平金属臂的间距为0.6±5％mm，偶数条竖直金属臂的末端与上边水平金属臂的间距为0.6±5％mm。

相较于现有技术，本发明有如下的有益效果：在平面单极子天线的末端加载一个主要由交趾耦合结构所形成的电容和接地金属臂形成的电感组成具有谐振特性的结构，并且将两个相同结构的天线单元分布于一块介质基板上，构成具有两个单元天线结构的MIMO天线。本发明天线端口间具有高隔离度，每个单元天线工作频带都比较宽，相对频带能够达到21.7％。本发明设计的天线能够非常容易与各种不同电路集成，批量生产容易，商业应用前景显著。

附图说明

图1本发明的平面MIMO天线结构透视示意图；

图2本发明的平面MIMO天线结构俯视示意图；

图3本发明的平面MIMO天线结构仰视示意图；

图4本发明的平面MIMO天线结构侧视示意图；

图5利用三维电磁仿真软件HFSS对本发明的平面MIMO天线进行分析计算所得端口散射参数随频率变化曲线；图中曲线a为两个端口反射系数(S11、S22)随频率变化曲线，两个端口结构对称，所以两个端口反射系数完全相同，曲线相同。曲线b为两个端口间的传输系数(S12、S21)随频率变化曲线，因为两端口间是对称结构，所以S21＝S12，曲线相同。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

为了拓展单极子天线的带宽，改变平面单极子天线的极化特性，在微带馈电的单极子天线末端加载一个由金属臂和交趾耦合结构组成的谐振结构，并将该结构与金属接地板连接。

参见图1-4，选择一块由FR4材料制成的矩形介质基板1，在矩形介质基板1的下表面下边沿处印刷一个矩形金属贴片为本发明天线的矩形金属接地板2，厚度可忽略不计。矩形金属接地板2的下边沿与矩形介质基板1下表面的下边沿重合，左右两侧与矩形介质基板1左右两侧边缘重合。矩形介质基板1的上表面右侧边缘附近印刷一个矩形贴片为该天线的第一馈电矩形金属臂10，该第一馈电矩形金属臂10下端与矩形介质基板1上表面的下边沿重合。第一馈电矩形金属臂10末端的矩形介质基板1上表面印刷第一矩形水平金属臂11，第一矩形水平金属臂11的右端与第一馈电矩形金属臂10的上端连接，左侧端与第一交趾耦合结构12连接。第一矩形水平金属臂11的左侧端附近印刷一个由八条竖直金属臂和两条水平金属臂组成的第一交趾耦合结构12，从右往左，第1、3、5、7条竖直金属臂与下边水平金属臂连接，并且与第一矩形水平金属臂11相连，第2、4、6、8条竖直金属臂与上边水平金属臂连接，并且与第一金属过孔15的上端相连。第一交趾耦合结构12的竖直金属臂间距小于竖直金属臂的宽度。第一交趾耦合结构12的左侧中间附近介质基板上，加工一个矩形过孔，即第一金属过孔15，贯通矩形介质基板1，第一金属过孔15的上端与第一交趾耦合结构12连接，下端与第三矩形水平金属臂13，第三矩形水平金属臂13印刷于矩形介质基板1的下表面。第三矩形水平金属臂13左端的介质基板下表面印刷一个矩形金属贴片，即第一矩形竖直金属臂14，该臂上侧端与第三矩形水平金属臂13连接，下侧端与矩形金属接地板2连接。

由上述的第一馈电矩形金属臂10、第一矩形水平金属臂11、第一交趾耦合结构12、第三矩形水平金属臂13、第一金属过孔15和第一矩形竖直金属臂14，再加上矩形金属接地板2和矩形介质基板1构成第一天线单元，第一天线单元的所有结构都分布于介质基板的右半侧表面上。最左边的第一矩形竖直金属臂14与介质基板上下边中心连线距离为d，d≠0。

第二单元天线是由第二馈电矩形金属臂20、第二矩形水平金属臂21、第二交趾耦合结构22、第四矩形水平金属臂23、第二金属过孔25和第二矩形竖直金属臂24，再加上矩形金属接地板2和矩形介质基板1组成。第二天线单元的所有结构都分布于介质基板的左半侧表面上，最右边的第二矩形竖直金属臂24与介质基板上下边中心连线距离为d，d≠0。

第二馈电矩形金属臂20与第一馈电矩形金属臂10对称，第二矩形水平金属臂21与第一矩形水平金属臂11对称，第二交趾耦合结构22与第一交趾耦合结构12对称，第四矩形水平金属臂23与第三矩形水平金属臂13对称，即第二天线单元的每一个结构都与第一天线单元的对应结构对称，对称轴为矩形介质基板1的上表面上下两边界中点连线。

参见图1-4，制作时，先选择一块由FR4组成，长72±3％mm、宽25±3％mm、厚1.6±5％mm的介质板作为本发明天线的介质基板1，在介质基板1的下表面下边沿处印刷一个长2±3％mm、宽5±3％mm的矩形金属贴片为本发明天线的矩形金属接地板2，厚度可忽略不计。矩形金属接地板2的下边沿与矩形介质基板1下表面的下边沿重合，左右两侧与矩形介质基板1左右两侧边缘重合。矩形介质基板1的上表面右侧边缘距离右侧边界7±3％mm处印刷一个长13mm、宽2±5％mm的矩形贴片为该天线的第一馈电矩形金属臂10，第一馈电矩形金属臂10的下端与矩形介质基板1的上表面下边沿重合，该处即为天线单元一的馈电端口。第一馈电矩形金属臂10末端的矩形介质基板1上表面印刷一个宽2±5％mm，长10±3％mm的第一矩形水平金属臂11，第一矩形水平金属臂11的右端下侧边沿与第一馈电矩形金属臂10上端连接，左侧端与第一交趾耦合结构12连接。第一矩形水平金属臂11左侧端附近印刷一个由八条竖直金属臂和两条水平金属臂组成的第一交趾耦合结构12，从右往左，第1、3、5、7条竖直金属臂与下边水平金属臂连接，并且与第一矩形水平金属臂11相连，第2、4、6、8条竖直金属臂与上边水平金属臂连接，并且与第一金属过孔15相连。每条竖直臂的宽度为1±5％mm，相邻两条竖直金属臂间距为0.25±5％mm，两条水平金属臂的宽度也是1±5％mm，长度等于9.75±3％mm，即八条竖直金属臂宽度与7条缝隙宽度之和，每条竖直金属臂的长度为15±3％mm。第1、3、5、7条竖直金属臂上端与上边水平金属臂的间距为0.6±5％mm，第2、4、6、8条竖直金属臂下端与下边水平金属臂的间距也为0.6±5％mm。第一交趾耦合结构12左侧靠近最右边竖直金属臂，距离最上端7.6±3％mm处，加工一个金属化矩形过孔，即第一金属过孔15，高度贯通矩形介质基板1的厚度1.6±5％mm，长2±5％mm，宽0.2±5％mm。第一金属过孔15的上端与第一交趾耦合结构12连接，下端与第三矩形水平金属臂13连接。第三矩形水平金属臂13是印刷于矩形介质基板1的下表面，与第一金属过孔15连接的金属贴片，宽为2±5％mm，长为8.2±3％mm。第三矩形水平金属臂13左端的矩形介质基板1下表面印刷一个宽2±5％mm，长8±3％mm矩形金属贴片，即第一矩形竖直金属臂14。第一矩形竖直金属臂14上端与第三矩形水平金属臂13连接，下端与矩形金属接地板2连接。

由上述的第一馈电矩形金属臂10、第一矩形水平金属臂11、第一交趾耦合结构12、第三矩形水平金属臂13、第一金属过孔15和第一矩形竖直金属臂14，再加上矩形金属接地板2和矩形介质基板1构成第一天线单元，第一天线单元的所有结构都分布于介质基板的右半侧表面上。最左边的第一矩形竖直金属臂14与介质基板上下边中心连线距离d＝1±5％mm。

第二单元天线是由第二馈电矩形金属臂20、第二矩形水平金属臂21、第二交趾耦合结构22、第四矩形水平金属臂23、第二金属过孔25和第二矩形竖直金属臂24，再加上矩形金属接地板2和矩形介质基板1组成。第二馈电矩形金属臂20与第一馈电矩形金属臂10对称，第二矩形水平金属臂21与第一矩形水平金属臂11对称，第二交趾耦合结构22与第一交趾耦合结构12对称，第四矩形水平金属臂23与第三矩形水平金属臂13对称，第二天线单元的每一个结构都与第一天线单元的对应结构对称，对称轴为矩形介质基板1的上表面上下两边界中点连线。最右边的第二矩形竖直金属臂24与介质基板上下边中心连线距离为d＝1±5％mm。

利用专业三维电磁仿真软件HFSS对本发明的天线进行仿真分析，对应参数值取上述实施方法中优化好的参数。计算所得端口参数随频率变化曲线如图5所示。

从图中可见，在(6.30±4％)GHz～(7.83±4％)GHz频率范围内，天线端口反射系数小于-10±4％dB，即带宽为(21.7±30.3)％。而且图中还显示，两个天线单元端口间传输系数在频带范围内都小于-25.8±4％dB，可见本发明的天线是高端口隔离度MIMO天线。

以上所述仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均属于由权利要求书所划定的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于交趾耦合结构的C波段平面MIMO天线，其特征在于：包括矩形介质基板(1)，矩形介质基板(1)的下表面沿下边沿设置有矩形金属接地板(2)；所述的矩形介质基板(1)上设置有两个天线单元，第一天线单元包括设置在矩形介质基板(1)上表面的第一馈电矩形金属臂(10)，所述第一馈电矩形金属臂(10)的窄边与矩形介质基板(1)上表面的下边沿重合，第一馈电矩形金属臂(10)末端的矩形介质基板(1)上设有与其相连的第一矩形水平金属臂(11)，第一矩形水平金属臂(11)末端的矩形介质基板(1)上设有与其相连的第一交趾耦合结构(12)，第一交趾耦合结构(12)由等距离分布的偶数条竖直金属臂和两条水平金属臂组成，其中奇数条竖直金属臂与上边水平金属臂连接，偶数条竖直金属臂与下边水平金属臂连接，第一矩形水平金属臂(11)连接与下边水平金属臂连接的最外侧竖直金属臂，矩形介质基板(1)上贯穿设置第一金属过孔(15)，矩形介质基板(1)的下表面设置第三矩形水平金属臂(13)，第三矩形水平金属臂(13)通过第一金属过孔(15)与第一交趾耦合结构(12)上边水平金属臂连接的最外侧竖直金属臂连接；第三矩形水平金属臂(13)末端的矩形介质基板(1)上通过第一矩形竖直金属臂(14)连接矩形金属接地板(2)；第二天线单元与第一天线单元结构相同，两个天线单元关于矩形介质基板(1)的中轴线镜像对称。

2.根据权利要求1所述基于交趾耦合结构的C波段平面MIMO天线，其特征在于：所述的矩形介质基板(1)采用FR4材料制成，材料的介电常数4.4±4％，损耗角正切0.02±4％。

3.根据权利要求1所述基于交趾耦合结构的C波段平面MIMO天线，其特征在于：

所述的矩形金属接地板(2)设置在矩形介质基板(1)长边的边沿，长度与矩形介质基板(1)的长度相等，宽度为矩形介质基板(1)宽度的五分之一。

4.根据权利要求1所述基于交趾耦合结构的C波段平面MIMO天线，其特征在于：所述的第一金属过孔(15)为矩形，第一金属过孔(15)长度与第一馈电矩形金属臂(10)、第一矩形水平金属臂(11)、第三矩形水平金属臂(13)及第一矩形竖直金属臂(14)的宽度相等。

5.根据权利要求1所述基于交趾耦合结构的C波段平面MIMO天线，其特征在于：所述矩形介质基板(1)的长为72±3％mm、宽为25±3％mm、厚为1.6±5％mm；所述矩形金属接地板(2)的长为72±3％mm、宽为5±3％mm；第一馈电矩形金属臂(10)与矩形介质基板(1)上表面临近的一条侧边的距离为7±3％mm，其长为13mm、宽为2±5％mm；第一矩形水平金属臂(11)的宽为2±5％mm，长为10±3％mm；第三矩形水平金属臂(13)的宽为2±5％mm，长为8.2±3％mm；第一矩形竖直金属臂(14)的宽为2±5％mm，长为8±3％mm。

6.根据权利要求5所述基于交趾耦合结构的C波段平面MIMO天线，其特征在于：

所述第一交趾耦合结构(12)的竖直金属臂宽度为1±5％mm，相邻两条竖直臂的间距为0.25±5％mm；所述第一交趾耦合结构(12)的两条水平金属臂宽度也是1±5％mm，长度为9.75±3％mm；所述的奇数条竖直金属臂的末端与下边水平金属臂的间距为0.6±5％mm，偶数条竖直金属臂的末端与上边水平金属臂的间距为0.6±5％mm。

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