CN110838619B - 一种基于离散三角形寄生结构的双频二单元mimo天线 - Google Patents

Abstract

一种基于离散三角形寄生结构的双频二单元MIMO天线，包括层叠设置紧密结合在一起的两块矩形介质基板，上层介质基板设有两个由三角形寄生贴片组成的天线单元，两个天线单元结构相同，第一天线单元和第二天线单元关于上层介质基板的中心呈90°中心对称设置；第一天线单元和第二天线单元之间设置两个共享三角形金属贴片，下层介质基板的下表面覆盖设置金属接地板，金属接地板上设置矩形缝隙，矩形缝隙分别与矩形金属贴片正交。对应第一天线单元和第二天线单元的矩形金属贴片尾部，贯穿下层介质基板开设圆形过孔，金属接地板上设有与圆形过孔相对应的圆形馈电端口。本发明扩展了谐振频点，提高MIMO天线的辐射增益及天线端口间的隔离度。

Description

一种基于离散三角形寄生结构的双频二单元MIMO天线

技术领域

本发明属于无线通讯领域，涉及一种基于离散三角形寄生结构的双频二单元MIMO天线。

背景技术

自从20世纪80年代开始以来，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。

多频天线不但能够简化整个系统的结构复杂度，而且还能够提高系统的可靠性，尤其是随着无线移动技术的快速发展而面临无线终端越来越复杂的情况下。

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的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上述现有技术中低剖面MIMO天线的辐射增益不足，MIMO天线谐振工作频率不高以及端口间存在耦合的问题，提供一种基于离散三角形寄生结构的双频二单元MIMO天线，扩展谐振频点，提高MIMO天线的辐射增益及天线端口间的隔离度。

为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：

一种基于离散三角形寄生结构的双频二单元MIMO天线，包括层叠设置紧密结合在一起的两块矩形介质基板，上层介质基板的上表面设置有两个由三角形寄生贴片组成的天线单元，第一天线单元设置在沿上层介质基板长边方向的右侧区域，第一天线单元包括由四个直角三角形拼合成为菱形结构的金属贴片，四个直角三角形金属贴片的大小相等且相邻直角边之间留有间隙，位于菱形结构右上角的金属贴片为第一三角形贴片，按顺时针方向依次为第一三角形贴片、第十三角形贴片、第九三角形贴片和第二三角形贴片，第一三角形贴片和第十三角形贴片之间以及第二三角形贴片和第九三角形贴片之间形成横向间隙，第一三角形贴片和第二三角形贴片之间以及第九三角形贴片和第十三角形贴片之间形成纵向间隙；横向间隙的上层介质基板的上表面设置有第一矩形金属贴片，第一矩形金属贴片的首部延伸通过菱形结构的中心，第一矩形金属贴片的尾部靠近第一三角形贴片和第十三角形贴片所形成的菱形结构顶角；第一三角形贴片和第九三角形贴片的直角顶点削去大小相等的小等腰直角三角形成两个梯形结构；第二天线单元设置在沿上层介质基板长边方向的左侧区域，结构与第一天线单元相同，第一天线单元和第二天线单元关于上层介质基板的中心呈90°中心对称；第一天线单元和第二天线单元之间的上层介质基板的上表面设置有第三三角形贴片和第八三角形贴片，第三三角形贴片和第八三角形贴片关于菱形结构横向间隙的中轴线上下对称，第三三角形贴片和第八三角形贴片的侧边与两个天线单元菱形结构的边平行，底边分别与两个天线单元菱形结构上下顶角的连线平行；下层介质基板的下表面覆盖设置金属接地板，金属接地板上设置第一矩形缝隙和第二矩形缝隙，第一矩形缝隙和第二矩形缝隙分别与第一天线单元和第二天线单元的矩形金属贴片正交，且设置在相邻两个三角形贴片之间的间隙下方；对应第一天线单元和第二天线单元的矩形金属贴片的尾部，贯穿下层介质基板开设有圆形过孔，金属接地板上设置有与圆形过孔相对应的圆形馈电端口。

两块矩形介质基板的组成材料和几何尺寸相同，上层介质基板和下层介质基板均采用罗杰斯R04350材料制成，该材料的介电常数为3.48±0.04，损耗角正切为0.004±0.0005。

两个天线单元由三角形贴片所形成横向间隙的中轴线与矩形介质基板短边的中心线重合。

所述第三三角形贴片和第八三角形贴片的侧边与两个天线单元相邻三角形贴片之间的间隙相等，两个天线单元中所有相邻三角形贴片之间的间隙均相等。

第一矩形缝隙的宽度大于第一天线单元的纵向间隙宽度，第二矩形缝隙的宽度大于第二天线单元的横向间隙宽度，第一矩形缝隙和第二矩形缝隙均与三角形贴片的间隙中心线重合；第一矩形缝隙和第二矩形缝隙各自在矩形金属贴片两侧的长度相等。

两块矩形介质基板的长为138±3％mm，宽为80±3％mm，厚为1.6±4％mm；金属接地板长为138±3％mm，宽为80±3％mm；第一矩形缝隙和第二矩形缝隙的长为18.4±3％mm，宽为3±4％mm；第一矩形缝隙竖直设置，第一矩形缝隙的边界距离上层介质基板的右侧边沿36.3±3％mm，第二矩形缝隙水平设置，第二矩形缝隙的左侧边界距离上层介质基板的左侧边沿28.5±3％mm；距离第一矩形缝隙和第二矩形缝隙的中心点19±3％mm处，加工一个半径为0.5±4％mm的圆形过孔，圆形过孔的高度均为1.6±4％mm；圆形馈电端口的半径为1±4％mm；矩形金属贴片的长为24.5±3％mm，宽为1±4％mm，矩形金属贴片与矩形缝隙正交；天线单元的四个直角三角形金属贴片直角边长为29.1±3％mm，斜边长为41.2±3％mm，直角三角形金属贴片的两个直角边分别与上层介质基板的长短边平行，第三三角形贴片和第八三角形贴片的侧边长为40.6±3％mm，底边长为57.4±3％mm；削去的小直角三角形的直角边长8.6±4％mm。

相较于现有技术，本发明有如下的有益效果：利用寄生于上层介质基板上表面的离散三角形寄生贴片金属结构，不但扩展了天线的谐振频点，同时微带缝隙天线的增益也得到了极大的提升；利用上层介质基板上表面离散三角形间的不同缝隙结构进行辐射，微带缝隙天线的谐振频点得到了扩展，实现了双频二单元MIMO天线。两个矩形金属贴片分别和矩形缝隙正交分布，提高了两个天线单元端口间的隔离度，解决了端口间存在耦合的问题。

附图说明

图1本发明双频二单元MIMO天线的透视结构示意图；

图2本发明双频二单元MIMO天线的俯视结构示意图；

图3本发明双频二单元MIMO天线的仰视结构示意图；

图4本发明双频二单元MIMO天线的剖面结构侧视图；

图5利用三维电磁仿真软件对本发明天线分析所得端口散射参数随频率变化曲线图，其中曲线a为天线端口1(S11)反射系数随频率变化特性，曲线b为天线端口2反射系数随频率变化特性，曲线c为天线端口1和2之间的传输系数(S12/S21)随频率变化特性。

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。

为了解决微带缝隙天线谐振频点单一、远场辐射增益太低以及两个近距离微带缝隙天线端口隔离度低的问题，本发明在微带缝隙天线一侧增加一个与原来介质基板大小相同的介质基板，上层介质基板设置多个离散的三角形寄生结构，将一个单频、低增益、高隔离度的微带缝隙MIMO天线变为双频谐振、高增益和高端口隔离度的微带缝隙MIMO天线结构。

参见图1-4，本发明的双频二单元MIMO天线有两块相同大小的介质基板，分别是上层介质基板1和下层介质基板2。上层介质基板1的上表面刻蚀了十个三角形贴片，每两个相邻三角形贴片相邻边间缝隙宽度都相等。上层介质基板1的上表面上侧从右向左依次为第一三角形贴片10、第二三角形贴片11、第三三角形贴片12、第四三角形贴片13、第五三角形贴片14。下侧从左向右依次为第六三角形贴片15、第七三角形贴片16、第八三角形贴片17、第九三角形贴片18和第十三角形贴片19。第三三角形贴片12与第八三角形贴片17上下对称。其中，左侧四个三角形贴片13、14、15、16和右侧四个三角形贴片10、11、18、19左右对称。第一三角形贴片10、第五三角形贴片14、第七三角形贴片16和第九三角形贴片18直角附近减掉一个小直角三角形，使上述四个三角形成为梯形贴片。下层介质基板2下表面覆盖金属结构，形成金属接地板3。金属接地板3刻蚀有两个矩形缝隙，即第一矩形缝隙22和第二矩形缝隙32。两个矩形缝隙中心连线过矩形介质基板表面中心。第一矩形缝隙22和第二矩形缝隙32正交分布。第一矩形缝隙22可以竖直，也可以水平，但必须平行于右侧四个三角形贴片形成的水平或竖直缝隙。第二矩形缝隙32可以水平，也可以竖直，必须与第一矩形缝隙22正交，同时也必须位于由左侧四个三角形贴片形成的两个正交缝隙内部。第二介质基板2上表面印刷两个矩形贴片，即第一矩形金属贴片21和第二矩形金属贴片31，这两个矩形贴片分别与上述两个矩形缝隙正交，即第一矩形金属贴片21与第一矩形缝隙22正交，第二矩形金属贴片31与第二矩形缝隙32正交。上述两个矩形贴片末端，下层介质基板2中加工两个圆形过孔，第一圆形过孔20和第二圆形过孔30。过孔半径与矩形贴片宽度相近。且矩形贴片长度大于圆形过孔与矩形缝隙中心间距，即第一矩形金属贴片21的长度大于第一圆形过孔20与第一矩形缝隙22的中心间距，第二矩形金属贴片31大于第二圆形过孔30与第二矩形缝隙32中心间距。下层介质基板2下表面的接地板3上，以两个圆形过孔圆心为中心，刻蚀两个大小相同的圆形非金属区域，即第一圆形馈电端口23、第二圆心馈电端口33。

将上述表面设置有金属贴片结构的上层介质基板1和下层介质基板2压合在一起，中间没有任何空间，并且保证上层介质基板1表面的三角形金属结构朝上，下层介质基板2的下表面金属接地板朝下，即完成了本发明设计天线的一次完整的实施。

本发明天线的具体制作过程如下：

首先，选择两块长度138±3％mm，宽度80±3％mm，厚度1.6±4％mm的罗杰斯R04350介质板作为天线的介质基板。下层介质基板的下表面全部覆盖金属结构，即金属接地板，金属接地板长为138±3％mm。宽为80±3％mm，厚度可忽略不计。金属接地板左右两侧刻蚀两个长18.4±3％mm，宽3±4％mm的矩形缝隙，两矩形缝隙中心连线过下层介质基板的下表面中心点。右侧矩形缝隙竖直放置，矩形缝隙右侧边界距离介质基板右侧边沿36.3±3％mm。左侧矩形缝隙水平放置，矩形缝隙左侧边界距离介质基板左侧边沿28.5±3％mm。第一矩形缝隙两长边中点连线延迟线上，距离第一矩形缝隙中心点19±3％mm处，加工一个半径为0.5±4％mm的圆形过孔，圆形过孔的高度为1.6±4％mm。同样在第二矩形缝隙两长边中点连线延迟线上，距离第二矩形缝隙中心点19±3％mm处，加工一个半径为0.5±4％mm的圆形过孔，圆形过孔高度为1.6±4％mm。上述两圆形过孔可以金属化，也可以非金属化。

下层介质基板下表面以上述两个圆形过孔圆心为中心，刻蚀两个半径为1±4％mm的圆心非金属区域，即圆形激励端口。上层介质基板的上表面印刷两个长24.5±3％mm，宽1±4％mm的矩形金属贴片。每个矩形金属贴片分别与上述两个矩形缝隙正交，且两短边中点连线分别经过上述两个矩形缝隙的中点，同时也分别经过两个圆形过孔的圆心点。并且在圆形过孔处没有金属结构。两个矩形金属贴片一侧短边与其正交的矩形缝隙边缘距离为2±4％mm，另一侧短边与其附近的圆形过孔中心点距离为2±4％mm。上层介质基板的上表面印刷十个直角三角形金属贴片。十个直角三角形可以分为左右两组和中间一组。左右两组关于上层介质基板的中心呈90°中心对称，中间两个较大的直角三角形以过上层介质基板上表面中心的水平轴对称。中间为两个直角三角形的斜边与第一介质基板上下两边平行，距两个边都是10±3％mm，其斜边长57.4±3％mm，直角边长40.6±3％mm，直角顶点位于上层介质基板的上表面中心点附近，距离中心点1.41±4％mm。左侧和右侧两组，每组包含相同的四个正交三角形结构，直角边长29.1±3％mm，斜边长41.2±3％mm，每个三角形的两个直角边都与介质基板的边平行。左侧一组四个三角形结构中心点与上层介质基板的上表面左侧边界距离为37.7±3％mm，右侧一组四个三角形结构中心点与上层介质基板右侧边界距离也是37.7±3％mm。每两个三角形贴片相邻边之间的距离相等，都等于2±4％mm。除此之外，上述左侧四个组成结构中，左上侧和右下侧两个直角顶点附近，减掉两个直角边长8.6±4％mm的直角三角形，这两个三角形贴片就成为梯形结构贴片。右侧一组同样也有两个三角形结构变成梯形结构。将上述两个表面都印刷有金属贴片结构的介质基板紧密结合在一起，下层介质基板有矩形缝隙接地板的一侧朝下，上层介质基板有三角形金属贴片的一侧朝上，即完成本发明设计天线的加工制作。

利用三维电磁仿真软件HFSS对本发明MIMO天线进行仿真分析得知，如图5所示，该MIMO天线能够在两个不同频点处发生谐振，两个频点分别为4.04±3.5％GHz和5.50±3.5％GHz，即本发明的天线是一个双频天线。在上述两个谐振频点处，天线的远场辐射增益较高，远场辐射增益分别为6.50±3.5％dBi和12.97±3.5％dBi，即本发明的天线是一个高增益天线结构。本发明设计的双频二单元MIMO天线在两个谐振频带内端口间隔离度分别小于-15.78±3.5％dB和-20.50±3.5％dB。即本发明设计的MIMO天线具有良好的性能。

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会落入由权利要求所划定的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于离散三角形寄生结构的双频二单元MIMO天线，其特征在于：包括层叠设置紧密结合在一起的两块矩形介质基板，上层介质基板(1)的上表面设置有两个由三角形寄生贴片组成的天线单元，第一天线单元设置在沿上层介质基板(1)长边方向的右侧区域，第一天线单元包括由四个直角三角形拼合成为菱形结构的金属贴片，四个直角三角形金属贴片的大小相等且相邻直角边之间留有间隙，位于菱形结构右上角的金属贴片为第一三角形贴片(10)，按顺时针方向依次为第一三角形贴片(10)、第十三角形贴片(19)、第九三角形贴片(18)和第二三角形贴片(11)，第一三角形贴片(10)和第十三角形贴片(19)之间以及第二三角形贴片(11)和第九三角形贴片(18)之间形成横向间隙，第一三角形贴片(10)和第二三角形贴片(11)之间以及第九三角形贴片(18)和第十三角形贴片(19)之间形成纵向间隙；横向间隙的上层介质基板(1)的上表面设置有第一矩形金属贴片(21)，第一矩形金属贴片(21)的首部延伸通过菱形结构的中心，第一矩形金属贴片(21)的尾部靠近第一三角形贴片(10)和第十三角形贴片(19)所形成的菱形结构顶角；第一三角形贴片(10)和第九三角形贴片(18)的直角顶点削去大小相等的小等腰直角三角形成两个梯形结构；第二天线单元设置在沿上层介质基板(1)长边方向的左侧区域，结构与第一天线单元相同，第一天线单元和第二天线单元关于上层介质基板(1)的中心呈90°中心对称设置；第一天线单元和第二天线单元之间的上层介质基板(1)的上表面设置有第三三角形贴片(12)和第八三角形贴片(17)，第三三角形贴片(12)和第八三角形贴片(17)关于菱形结构横向间隙的中轴线上下对称，第三三角形贴片(12)和第八三角形贴片(17)的侧边与两个天线单元菱形结构的边平行，底边分别与两个天线单元菱形结构上下顶角的连线平行；下层介质基板(2)的下表面覆盖设置金属接地板(3)，金属接地板(3)上设置第一矩形缝隙(22)和第二矩形缝隙(32)，第一矩形缝隙(22)和第二矩形缝隙(32)分别与第一天线单元和第二天线单元的矩形金属贴片正交，且设置在相邻两个三角形贴片之间的间隙下方；对应第一天线单元和第二天线单元的矩形金属贴片的尾部，贯穿下层介质基板(2)开设有圆形过孔，所述的金属接地板(3)上设置有与圆形过孔相对应的圆形馈电端口。

2.根据权利要求1所述基于离散三角形寄生结构的双频二单元MIMO天线，其特征在于：两块矩形介质基板的组成材料和几何尺寸相同，上层介质基板(1)和下层介质基板(2)均采用罗杰斯R04350材料制成，该材料的介电常数为3.48±0.04，损耗角正切为0.004±0.0005。

3.根据权利要求1所述基于离散三角形寄生结构的双频二单元MIMO天线，其特征在于：两个天线单元由三角形贴片所形成横向间隙的中轴线与矩形介质基板短边的中心线重合。

4.根据权利要求1所述基于离散三角形寄生结构的双频二单元MIMO天线，其特征在于：

所述第三三角形贴片(12)和第八三角形贴片(17)的侧边与两个天线单元相邻三角形贴片之间的间隙相等，两个天线单元中所有相邻三角形贴片之间的间隙均相等。

5.根据权利要求1所述基于离散三角形寄生结构的双频二单元MIMO天线，其特征在于：第一矩形缝隙(22)的宽度大于第一天线单元的纵向间隙宽度，第二矩形缝隙(32)的宽度大于第二天线单元的横向间隙宽度，第一矩形缝隙(22)和第二矩形缝隙(32)均与三角形贴片的间隙中心线重合；矩形缝隙在矩形金属贴片两侧的长度相等。

6.根据权利要求1所述基于离散三角形寄生结构的双频二单元MIMO天线，其特征在于：两块矩形介质基板的长为138±3％mm，宽为80±3％mm，厚为1.6±4％mm；金属接地板(3)的长为138±3％mm，宽为80±3％mm；第一矩形缝隙(22)和第二矩形缝隙(32)的长为18.4±3％mm，宽为3±4％mm；第一矩形缝隙(22)竖直设置，第一矩形缝隙(22)的边界距离上层介质基板(1)的右侧边沿36.3±3％mm，第二矩形缝隙(32)水平设置，第二矩形缝隙(32)的左侧边界距离上层介质基板(1)的左侧边沿28.5±3％mm；距离第一矩形缝隙(22)和第二矩形缝隙(32)的中心点19±3％mm处，加工一个半径为0.5±4％mm的圆形过孔，圆形过孔的高度均为1.6±4％mm；圆形馈电端口的半径为1±4％mm；矩形金属贴片的长为24.5±3％mm，宽为1±4％mm，矩形金属贴片与矩形缝隙正交；天线单元的四个直角三角形金属贴片直角边长为29.1±3％mm，斜边长为41.2±3％mm，直角三角形金属贴片的两个直角边分别与上层介质基板(1)的长短边平行，第三三角形贴片(12)和第八三角形贴片(17)的侧边长为40.6±3％mm，底边长为57.4±3％mm；削去的小直角三角形的直角边长8.6±4％mm。

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