CN111162381B - 一种双频八单元mimo终端天线 - Google Patents

一种双频八单元mimo终端天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双频八单元MIMO终端天线，属于通信领域。该天线包括介质板和介质基板；介质板侧壁内层上印刷有八个单层结构的辐射单元，辐射单元为倒F天线的变型，包括六节微带线。枝节1微带线，枝节2微带线与枝节4微带线主要影响低频覆盖，其他条件不变时，调节枝节1微带线或枝节2微带线的长度能改变天线的低频段覆盖频率。枝节3微带线主要影响高频覆盖，其他条件不变时，调节枝节3的长度能改变天线的高频段覆盖频率；枝节5微带线与枝节6微带线起接地作用；同时通过空间分集的方法提高隔离度，使全频段隔离度高于10dB。本发明占用空间小，可以同时覆盖3250MHz‑3800MHz与4750‑5080MHz频段，双频覆盖且频段较宽，全频段隔离度优于10dB，满足国内5G通信的需求。

Description

一种双频八单元MIMO终端天线
技术领域
本发明属于通信领域，具体是指一种双频八单元MIMO终端天线。
背景技术
随着人们对通信需求的日益提高和科学技术的快速发展，5G通信技术得到了空前的重视与发展。在高速率数据传输的需求下，多输入多输出(Multiple Input MultipleOutput，MIMO)技术越来越受到人们重视，MIMO无线通信技术已成为通信领域研究的重要课题。其核心思想是在传统通信系统的基础之上，在发射端使用多个天线，同时使用多个天线接收信号，充分利用无线信道的多径传播，依靠增加的空间自由度来提高信号的传输速率，接收质量和频谱利用率，且在带宽一定的情况下，可以成倍增加传输速率。
但是，在手持移动终端设备极其有限的空间之中，多天线各端口之间的隔离度十分难以满足要求。所以，在有限空间内使天线隔离度满足使用要求，是完美实现MIMO技术在手机上应用的前提，也是一个难点。
目前用于5G的双频天线覆盖频段大都集中在3400MHz-3800MHz与4600MHz-5000MHz，基于每个国家5G频段的规划可能具体频段会有所不同，一般MIMO终端天线的设计方案工作频段比较单一，不能满足实际使用中的宽带需求。因此，在极其有限的空间中，MIMO手机天线很难在各端口隔离度都满足要求的情况下实现双频带覆盖。
目前，国内外学者提出了很多种提高端口隔离度的方法，例如：差异化(空间分集，极化差异，方向图差异)，加载寄生单元，缺陷地结构以及中和线技术等等；而其中加载寄生单元是应用最为广泛的技术，这种技术的主要原理在于提供一种新的耦合路径，使表面电流集中在寄生单元附近，从而降低耦合电流对端口的影响，本质为电磁场反向相消原理。但是，加载寄生单元会引入附加结构，使天线结构变得更加复杂。
发明内容
本发明针对八端口双频天线占用空间较大且隔离度较低的问题，提出了一种双频八单元MIMO终端天线，通过空间分集原理降低端口之间的耦合。
所述的双频八单元MIMO终端天线，包括介质板和介质基板；介质基板为长方体，在介质基板的四周围有介质板侧壁；介质板和介质基板粘贴在一起。
介质板侧壁分为内外两层，在内层上印刷有八个单层结构的辐射单元；八个辐射单元的结构相同，两两分组，每个侧壁上分布两组；同一个侧壁上的两组辐射单元对称分布；两个侧壁上对应位置的两组辐射单元也是对称分布；
从前侧壁开始，位于左侧壁的四个辐射单元依次命名为第一辐射单元，第二辐射单元，第三辐射单元和第四辐射单元；位于右侧壁的四个辐射单元依次命名为第五辐射单元，第六辐射单元，第七辐射单元和第八辐射单元；第一辐射单元，第四辐射单元，第五辐射单元和第八辐射单元分别距离前后侧壁的间距相同；第一辐射单元与第二辐射单元之间的间距，第三辐射单元和第四辐射单元之间的间距，第五辐射单元和第六辐射单元之间的间距，第七辐射单元和第八辐射单元之间的间距相同；第二辐射单元与第三辐射单元之间的间距，第六辐射单元和第七辐射单元之间的间距相同。
进一步介质板底部设有厚度约为1.35mil的铜作为地板，介质基板位于地板上方。
进一步通过优化各辐射单元的间距，利用电磁波在传播过程产生中的衰减来提高端口隔离度。
具体优化结果为：第一辐射单元，第四辐射单元，第五辐射单元和第八辐射单元分别距离前后侧壁的间距为11mm；
第一辐射单元与第二辐射单元之间的间距，第三辐射单元和第四辐射单元之间的间距，第五辐射单元和第六辐射单元之间的间距，第七辐射单元和第八辐射单元之间的间距为19mm；
第二辐射单元与第三辐射单元之间的间距，第六辐射单元和第七辐射单元之间的间距为30mm。
所述的辐射单元为单层结构，以经典倒F天线为原型，包括六节微带线；其中枝节2微带线水平放置作为主体，前端垂直连接枝节1微带线，后端垂直连接枝节4微带线；枝节4微带线的顶端水平连接枝节5微带线，同时枝节5微带线与枝节2微带线相连且位于同一直线上；在枝节5微带线的末端垂直连接枝节6微带线；在枝节1微带线与枝节4微带线的中间设有枝节3微带线，且枝节3微带线一端连接枝节4微带线，另一端与枝节1微带线之间留有空隙；
枝节6主体微带线底端与介质基板上设有的第一水平微带线连接，并通过贯穿孔连通介质板底部地板上的接地点，第一水平微带线宽度为1mm；枝节4微带线底端与介质基板上设有的特性阻抗为50欧姆的第二水平微带线连接，第二水平微带线为馈线，宽度为2mm，末端为馈电点。
进一步枝节4微带线的长度和枝节6微带线的长度相同。
进一步枝节3微带线与枝节2微带线之间留有缝隙；
进一步介质板内的贯穿孔内壁覆铜，孔的直径为1mm。
进一步介质基板上的接电点和馈电点共有八组，同一侧的两组对称；两侧对应位置的每组接地点和馈电点也对称分布。
所述的辐射单元中通过调节枝节微带线的长度实现天线的双频，具体如下：
枝节1微带线，枝节2微带线与枝节4微带线主要影响低频覆盖，其他条件不变时，调节枝节1微带线或枝节2微带线的长度能改变天线的低频段覆盖频率。枝节3微带线主要影响高频覆盖，其他条件不变时，调节枝节3的长度能改变天线的高频段覆盖频率；枝节5微带线与枝节6微带线起接地作用。
进一步，为了覆盖所需频段，对各枝节微带线的尺寸进行优化，结果为：六枝节微带线的宽度均为1mm；枝节1微带线高2.8mm，枝节2微带线的长度为8.5mm；枝节3微带线的长度为8.3mm；枝节4微带线和枝节6微带线的长度为6mm；枝节5微带线的长度为3.5mm；枝节3微带线与枝节2微带线之间留有0.4mm的缝隙。
本发明的优点：
1、本发明一种双频八单元MIMO终端天线，占用空间较小。单个辐射单元的占用空间仅为15×6mm2，非常适用于如今流行的超薄手机。
2、本发明一种双频八单元MIMO终端天线，双频覆盖且带宽较宽。可以同时覆盖3250MHz-3800MHz与4750-5080MHz，完全满足国内5G移动终端的需求(3300-3600MHz，4800-5000MHz)。
3、本发明一种双频八单元MIMO终端天线，隔离度优越。运用空间分集的技术方案，使天线全频段隔离度优于10dB。
附图说明
图1为本发明双频八单元MIMO终端天线的结构示意图；
图2为本发明双频八单元MIMO终端天线中辐射单元的结构示意图；
图3为本发明实施例中双频八单元MIMO终端天线在3.5GHz频段工作时各枝节的电流分布图；
图4为本发明实施例中双频八单元MIMO终端天线在4.9GHz频段工作时各枝节的电流分布图；
图5为本发明实施例中双频八单元MIMO终端天线仿真得到的S参数结果曲线图；
图6为本发明实施例中双频八单元MIMO终端天线中第一辐射单元的辐射方向图；其中图6(a)为3500MHz，图6(b)为4900MHz；
图7为本发明实施例中双频八单元MIMO终端天线辐射效率与增益的仿真结果图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
衡量MIMO终端天线的指标主要有：①占用空间的大小，在满足使用需求的前提下，占用空间越小越好；②覆盖频段是否能满足要求，现有的标准为-6或-10dB；③隔离度，端口相互间的相互影响越低，传输信号的相关性也越低，传输效率及速率越高。但是对于现有的技术方案来说，主要缺陷在于，一方面占用空间较大，不适合目前流行的超薄手机使用。另一方面覆盖带宽有限，大多为单频带，应用范围较窄。因此，对于MIMO终端天线的重点与难点在于：在端口隔离度达到使用标准的同时兼顾占用空间和覆盖频段两种要素。
本发明设计提出了一种全新的双频八单元MIMO终端天线，运用空间分集的技术方案，在占用空间较小的情况下(15×6mm2)达到双频覆盖效果，满足未来5G时代移动通信的需求，并全频段隔离度优于10dB。
如图1所示，所述的一种双频八单元MIMO终端天线，包括介质板和介质基板；介质基板为长方体，在介质基板的四周围有介质板侧壁，模拟手机的外壳部分；介质板和介质基板粘贴在一起。介质板的底部设有地板，即一层1.35mil厚度的铜，介质基板位于铜上方。在本实施例中，选用的介质板的厚度为1mm，材质为FR4，长为150mm，宽为75mm，高为7mm。
介质板侧壁分为内外两层，在内层上印刷有八个单层结构的辐射单元；八个辐射单元的结构相同，两两分组，每个侧壁上分布两组；同一个侧壁上的两组辐射单元对称分布；两个侧壁上对应位置的两组辐射单元也是对称分布；每一部分的结构细节都经过精心设计调试，直到达成所需要的效果。
从前侧壁开始，位于左侧壁的四个辐射单元依次命名为第一辐射单元Ant1，第二辐射单元Ant2，第三辐射单元Ant3和第四辐射单元Ant4；位于右侧壁的四个辐射单元依次命名为第五辐射单元Ant5，第六辐射单元Ant6，第七辐射单元Ant7和第八辐射单元Ant8；
第一辐射单元，第四辐射单元，第五辐射单元和第八辐射单元分别距离前后侧壁的间距相同；第一辐射单元与第二辐射单元之间的间距，第三辐射单元和第四辐射单元之间的间距，第五辐射单元和第六辐射单元之间的间距，第七辐射单元和第八辐射单元之间的间距相同；第二辐射单元与第三辐射单元之间的间距，第六辐射单元和第七辐射单元之间的间距相同。
进一步通过优化各辐射单元的间距，利用各辐射单元空间分集的差异化，降低各端口之间的相互影响，利用电磁波在传播过程产生中的衰减来提高端口隔离度。
具体优化结果为：第一辐射单元，第四辐射单元，第五辐射单元和第八辐射单元分别距离前后侧壁的间距为11mm；
第一辐射单元与第二辐射单元之间的间距，第三辐射单元和第四辐射单元之间的间距，第五辐射单元和第六辐射单元之间的间距，第七辐射单元和第八辐射单元之间的间距为19mm；
第二辐射单元与第三辐射单元之间的间距，第六辐射单元和第七辐射单元之间的间距为30mm。
所述的辐射单元为单层结构，如图2所示，每个单元高6mm，宽15mm，厚度约为1.35mil，以经典倒F天线为原型，包括六节微带线；其中枝节2微带线水平放置作为主体，前端垂直连接枝节1微带线，后端垂直连接枝节4微带线；枝节4微带线的顶端水平连接枝节5微带线，同时枝节5微带线与枝节2微带线相连且位于同一直线上；在枝节5微带线的末端垂直连接枝节6微带线；在枝节1微带线与枝节4微带线的中间设有枝节3微带线，且枝节3微带线一端连接枝节4微带线，另一端与枝节1微带线之间留有空隙；枝节4微带线的长度和枝节6微带线的长度相同；枝节3微带线与枝节2微带线之间留有缝隙。
枝节6主体微带线底端与介质基板上设有的第一水平微带线连接，并通过贯穿孔连通介质板底部地板上的接地点，第一水平微带线宽度为1mm；枝节4微带线底端与介质基板上设有的特性阻抗为50欧姆的第二水平微带线连接，第二水平微带线为馈线，末端为馈电点，宽度经计算为2mm。
在本实施例中，微带线的宽度为1mm。
进一步介质板内的贯穿孔内壁覆铜，贯穿孔的直径为1mm。
进一步介质基板上的接电点和馈电点共有八组，同一侧的两组对称；两侧对应位置的每组接电点和馈电点也对称分布。
所述的辐射单元中通过调节枝节微带线的长度实现天线的双频，具体如下：
枝节1微带线，枝节2微带线与枝节4微带线共同实现低频覆盖即3.5GHz频段，枝节5微带线与枝节6微带线主要起接地作用，改善天线的匹配，提高天线效率；其他条件不变时，调节枝节1微带线或枝节2微带线的长度能改变天线的低频段覆盖频率。枝节3微带线决定高频覆盖即4.9GHz频段，同样的，枝节5微带线与枝节6微带线主要起接地作用，改善天线的匹配，提高天线效率；其他条件不变时，调节枝节3微带线的长度能改变天线的高频段覆盖频率；若不存在8.3mm的枝节3微带线，天线只覆盖一个频段。
进一步，为了覆盖所需频段，对各枝节微带线的尺寸进行优化，最终的优化结果为：六枝节微带线的宽度为1mm；枝节1微带线高2.8mm，枝节2微带线的长度为8.5mm；枝节3微带线的长度为8.3mm；枝节4微带线和枝节6微带线的长度为6mm；枝节5微带线的长度为3.5mm；枝节3微带线与枝节2微带线之间留有0.4mm的缝隙。
在本发明中，双频八单元MIMO终端天线提高隔离度的主要方法为空间分集。
所述空间分集是指：通过使各辐射单元间距一定距离，利用电磁波在传播过程产生中的衰减来提高端口隔离度。在手机尺寸一定的情况下，通过合理分配各辐射单元间距来权衡各端口之间的相互影响。如图3和图4所示，第一辐射单元馈电，其他端口接50欧姆匹配电阻。在3.5GHz时，电流主要集中在低频枝节，即枝节2微带线与枝节4微带线，枝节3微带线上也存在少量电流，但不起主要辐射作用。在4.9GHz时，电流主要集中在高频枝节，即枝节3微带线，枝节1微带线和枝节2微带线上也存在少量电流，但不起主要辐射作用。
只存在少量电流，说明仅有一小部分能量通过电磁耦合在其他辐射单元产生感应电流。可以预见的是，若缩小Ant1与Ant2之间的距离，两者之间的相互影响会增大，隔离度会降低。
使用软件HFSS进行仿真与测量结果来综合分析天线性能，最终端口S参数如图5所示，根据仿真结果，天线的-6dB(驻波比3:1)带宽可以覆盖3250MHz-3800MHz与4750-5080MHz的频率范围，可满足国内5G移动终端的需求(3.3-3.6GHz，4.8-5.0GHz)。对于隔离度来说，可以观察到全频段隔离度高于10dB。
通过图5所示的仿真结果对带宽与隔离度进行阐述：对于Snn参数来说，以S11为例，是指Ant1即端口1的反射系数，更加具体来说，是指其他端口都接50欧姆匹配负载时1端口的反射系数。Snn曲线在-6dB以下的部分即满足使用需求。在实际的应用中，由于天线各单元的摆放位置不同，S参数肯定会有差异，而此时工作带宽往往需要看最窄的Snn，比如此时就取S11(而不是S22)处于-6dB以下的部分为覆盖带宽。隔离度是指Smn参数取绝对值，|Smn|表示端口m与n之间的隔离度，这个值越大越好，一般应用需求为10dB。
如图6所示，Ant1在3500MHz与4900MHz时的X-Y，X-Z，Y-Z面的二维方向图。可以看出天线的辐射几乎为全向性，满足移动通信的要求。
图7为HFSS仿真的天线辐射效率与最大增益依据频率的变化关系。可以看出辐射效率全频段高于0.6，最大增益全频段高于4dB，完全满足实际使用需求。
本发明为一种用于5G时代的双频八单元MIMO终端天线，每个单元占用空间小，只有15×6mm2。将本发明天线应用于手机时，由于本天线占用空间充分利用了手机的边框结构，极少占用手机的主板空间，为手机的RF射频电路，电池，摄像头，NFC等腾出了位置，比传统的需要主板净空面积的天线更具有实际应用前景。

Claims (7)

1.一种双频八单元MIMO终端天线，其特征在于，包括介质板和介质基板；介质基板为长方体，在介质基板的四周围有介质板侧壁；介质板和介质基板粘贴在一起；
介质板侧壁分为内外两层，在内层上印刷有八个单层结构的辐射单元；八个辐射单元的结构相同，两两分组，每个侧壁上分布两组；同一个侧壁上的两组辐射单元对称分布；两个侧壁上对应位置的两组辐射单元也是对称分布；
所述的辐射单元为单层结构，以经典倒F天线为原型，包括六节微带线；其中枝节2微带线水平放置作为主体，前端垂直连接枝节1微带线，后端垂直连接枝节4微带线；枝节4微带线的顶端水平连接枝节5微带线，同时枝节5微带线与枝节2微带线相连且位于同一直线上；在枝节5微带线的末端垂直连接枝节6微带线；在枝节1微带线与枝节4微带线的中间设有枝节3微带线，且枝节3微带线一端连接枝节4微带线，另一端与枝节1微带线之间留有空隙；
枝节6主体微带线底端与介质基板上设有的第一水平微带线连接，并通过贯穿孔连通介质板底部地板上的接地点，第一水平微带线宽度为1mm；枝节4微带线底端与介质基板上设有的特性阻抗为50欧姆的第二水平微带线连接，第二水平微带线为馈线，宽度为2mm，末端为馈电点；
所述的辐射单元之间通过设定间距，利用空间分集的方法来提高端口隔离度；
具体优化结果为：第一辐射单元，第四辐射单元，第五辐射单元和第八辐射单元分别距离前后侧壁的间距为11mm；
第一辐射单元与第二辐射单元之间的间距，第三辐射单元和第四辐射单元之间的间距，第五辐射单元和第六辐射单元之间的间距为19mm；
第二辐射单元与第三辐射单元之间的间距，第六辐射单元和第七辐射单元之间的间距为30mm；
所述的辐射单元中通过调节枝节微带线的长度实现天线的双频，具体如下：
枝节1微带线，枝节2微带线与枝节4微带线主要影响低频覆盖，其他条件不变时，调节枝节1微带线或枝节2微带线的长度能改变天线的低频段覆盖频率；枝节3微带线主要影响高频覆盖，其他条件不变时，调节枝节3的长度能改变天线的高频段覆盖频率；枝节5微带线与枝节6微带线起接地作用。
2.如权利要求1所述的一种双频八单元MIMO终端天线，其特征在于，所述的介质板底部设有厚度约为1.35mil的铜，介质基板位于铜上方。
3.如权利要求1所述的一种双频八单元MIMO终端天线，其特征在于，所述的八个辐射单元从前侧壁开始，位于左侧壁的四个辐射单元依次命名为第一辐射单元，第二辐射单元，第三辐射单元和第四辐射单元；位于右侧壁的四个辐射单元依次命名为第五辐射单元，第六辐射单元，第七辐射单元和第八辐射单元；第一辐射单元，第四辐射单元，第五辐射单元和第八辐射单元分别距离前后侧壁的间距相同；第一辐射单元与第二辐射单元之间的间距，第三辐射单元和第四辐射单元之间的间距，第五辐射单元和第六辐射单元之间的间距，第七辐射单元和第八辐射单元之间的间距相同；第二辐射单元与第三辐射单元之间的间距，第六辐射单元和第七辐射单元之间的间距相同。
4.如权利要求1所述的一种双频八单元MIMO终端天线，其特征在于，所述的枝节4微带线的长度和枝节6微带线的长度相同。
5.如权利要求1所述的一种双频八单元MIMO终端天线，其特征在于，所述的介质板内的孔内壁覆铜，孔的直径为1mm。
6.如权利要求1所述的一种双频八单元MIMO终端天线，其特征在于，所述的介质基板上的接电点和馈电点共有八组，同一侧的两组对称；两侧对应位置的每组接地点和馈电点也对称分布。
7.如权利要求1所述的一种双频八单元MIMO终端天线，其特征在于，所述的辐射单元中为了覆盖所需频段，最终的优化结果为：六枝节微带线的宽度为1mm；枝节1微带线高2.8mm，枝节2微带线的长度为8.5mm；枝节3微带线的长度为8.3mm；枝节4微带线和枝节6微带线的长度为6mm；枝节5微带线的长度为3.5mm；枝节3微带线与枝节2微带线之间留有0.4mm的缝隙。
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