CN111211400A - 高隔离、低侧面的宽带mimo天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高隔离、低侧面的宽带MIMO天线系统，包括系统基板和小基板，所述小基板设置于系统基板的边沿，在所述小基板上设有天线单元，所述天线单元具有分别设于所述小基板的正面和反面上但不相互连接的第一辐射单元和第二辐射单元；所述第一辐射单元具有第一辐射带，所述第二辐射单元具有第二辐射带，所述第一辐射带和第二辐射带相互平行的平行辐射带且沿水平方向的投影部分或全部重叠。分别设于小基板两个侧面上且不相连的第一辐射单元和第二辐射单元通过电磁耦合构成环形天线，能谐振在多种谐振模式，便于构成宽带天线。第一辐射带和第二辐射带形成双面平行带线，有效减小了天线单元的高度，使MIMO阵列天线具有低侧面特性。

Description

高隔离、低侧面的宽带MIMO天线系统

技术领域

本发明涉及MIMO(多输入多输出：Multi Input Multi Output)天线的技术领域，具体而言，涉及高隔离、低侧面的宽带MIMO天线系统。

背景技术

当前人们使用的手机大部分为4G手机，为了进一步提高移动通信系统信道容量和信号的传输速率，主要采用两种方式：一是利用MIMO技术来改善频谱效率；二是选择毫米波频段来增加带宽。由于要兼顾4G频段，使用MIMO技术更合适。通过在收、发两端采用多天线单元布局，MIMO技术可以实现多个传输信道，从而有效地提升频谱利用效率，以达到提升连接可靠性和增加信道容量的目的。与4G移动终端的MIMO天线系统相比，5G移动终端的MIMO天线系统至少需要6个天线单元。

由于MIMO天线系统需要将多个天线单元布局在同一终端面板上，因此当工作在同一频段的天线单元数量增多，各天线单元之间的隔离度通常会降低。因而，设计5G移动终端的MIMO天线系统的关键是尽量减小天线单元的尺寸，并增加天线单元间的隔离度。

《一种用于5G移动通信终端的双频MIMO天线系统》(微波学报，2019年)公开了一种工作在3.5GHz和4.8GHz频段的主要用于5G智能手机终端的8单元MIMO天线系统，该MIMO天线系统由一块主基板(也可以称为系统基板)和两块垂直放置在侧面的小基板构成。该MIMO天线系统存在以下两方面问题：(1)每个天线单元为一个F型接地辐射结构，由于天线单元的尺寸较大，导致小基板高度为6.8mm，使整个MIMO天线系统的侧面较高；(2)在没有采取附加隔离度改善技术的情况下，单元间的隔离度优于15dB，隔离度不够好。

发明内容

本发明的主要目的在于提供高隔离、低侧面的宽带MIMO天线系统，以解决现有技术中MIMO天线系统存在的高侧面和低隔离的技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供了高隔离、低侧面的宽带MIMO天线系统。该高隔离、低侧面的宽带MIMO天线系统包括系统基板和小基板，所述小基板设置于系统基板的边沿，在所述小基板上设有天线单元，所述天线单元具有分别设于所述小基板的正面和反面上但不相互连接的第一辐射单元和第二辐射单元；所述第一辐射单元具有第一辐射带，所述第二辐射单元具有第二辐射带，所述第一辐射带和第二辐射带相互平行的平行辐射带且沿水平方向的投影部分或全部重叠。

首先，分别设于小基板两个侧面上且不相连的第一辐射单元和第二辐射单元通过电磁耦合构成环形天线，相对于单极子天线、倒F天线、槽天线等几种常见的5G天线，环形天线能谐振在多种谐振模式，便于构成宽带天线；对环形天线进行弯折，它将具有体积小、可靠性高和成本低等特点，是小型通信产品的一种理想天线。

其次，沿水平方向的投影部分或全部重叠的第一辐射带和第二辐射带形成双面平行带线，与槽线和共面带线相比，双面平行带线具有如下优点：l)易于实现高、低阻抗；2)可与其它非平衡传输线实现宽频带过渡；3)通过调整双面平行带线的耦合线宽，可调整带线间的耦合强度，使天线单元结构更加紧凑。在本发明中，通过双面平行带线，有效减小了天线单元的高度，使MIMO阵列天线具有低侧面特性。

所述的“正面”指小基板朝向系统基板中部的侧面。

进一步地是，所述第一辐射带和第二辐射带呈“一”型且水平设置。由此，可以使天线单元结构更加紧凑。

进一步地是，所述第一辐射单元具有第三辐射带，所述第二辐射单元具有第四辐射带，所述第三辐射带和第四辐射带对称分布且均包括弯折结构，所述第三辐射带和第四辐射带沿水平方向的投影不重叠。由此，弯折结构可以有效延长电流路径，有助于减小天线单元的谐振频率。由于天线单元的谐振频率大大降低，因此，对于设定的天线单元尺寸，本发明的工作频率更宽。对称设置的第三辐射带和第四辐射带可以使电流分布地更加均匀，有助于减小天线单元的尺寸。

优选使第一辐射单元和第二辐射单元各处的宽度一致，由此，可以使电流分布地更加均匀，有助于减小天线单元的尺寸。

优选在平行辐射带的远离第三辐射带或第四辐射带的一端设置竖向的第三支带，由此，可以进一步延长电流路径。

进一步地是，所述弯折结构包括依次与对应的平行辐射带连接的弯折带和第一支带。

进一步地是，所述弯折带呈U型或W型；所述第一支带设于对应的平行辐射带下方且与之平行。由此，兼具体积小和电流路径长的优点。

进一步地是，所述天线单元还包括第三辐射单元，所述第三辐射单元具有竖向设置的第五辐射带，所述第五辐射带与系统基板顶面上的金属馈线连接。与同轴线馈电、微带线馈电、共面波导馈电等微带天线的馈电技术相比，每个天线单元由第五辐射带对环进行同平面电磁耦合馈电将具有以下主要优点：1)它能有效增大天线阻抗带宽；2)设计过程中比其它馈电方式可调的参数更多；3)与馈电网络在同一平面，方面与其它平面电路的集成。在本发明中，通过对环形天线的一端采用同平面电磁耦合接地技术，有效改善了天线的阻抗匹配性能，增加了天线的带宽。

进一步地是，所述第三辐射单元还包括与所述第五辐射带连接的第二支带，所述第二支带设于第一辐射单元的第一支带下方并与之平行。与“第五辐射带直接与第一支带(即第一辐射单元)连接”相比，可以进一步延长电流路径。

进一步地是，所述天线单元还包括第四辐射单元，所述第四辐射单元具有竖向设置的第六辐射带，所述第六辐射带一端与第二辐射单元的第一支带连接，另一端通过邻近接地形式与系统基板背面的介质地连接。由此，通过对环形天线的另一端采用邻近接地的电磁耦合技术，能额外引入一个与环形天线相近的谐振频率，构成双谐振，从而进一步扩展天线的频带宽度。

进一步地是，每个小基板上的天线单元前后对称分布；在系统基板的至少两个边沿上设有小基板。由此，结构紧凑，且便于调节参数来优化天线单元之间的隔离度。

进一步地是，在系统基板的边沿设有与小基板长度和宽度匹配的缺口，所述小基板插入该缺口后与系统基板背面的介质地连接。由此，MIMO天线系统的结构更加紧凑。

进一步地是，所述MIMO天线系统还包括对同一个小基板上的任意相邻两个天线单元进行隔离的隔离结构，所述隔离结构为设于系统基板背面的介质地上的隔离槽。由此，在同一个小基板上的任意两个相邻的天线单元之间设置隔离结构可以提升隔离结构两侧的天线单元之间的隔离度。当然，可以每两个天线单元之间均设置隔离结构，也可以仅仅在隔离度稍差的两个天线单元之间设置隔离结构。

进一步地是，所述天线单元个数≥6个，所述MIMO天线系统设于5G移动通信终端；优选地，所述天线个数为8个，所述系统基板的尺寸为150mm×75mm×0.8mm，所述小基板的尺寸为134mm×5.3mm×0.8mm。该尺寸为市场上通用的6英寸手机终端尺寸，当然，本发明MIMO天线系统也用于其它移动终端系统。

可见，本发明的MIMO天线系统可以实现高隔离、低侧面和高带宽，具体表现为：(1)高隔离：在不使用任何附加隔离技术的情况下，天线单元之间的最低隔离度能达到17dB以上；在使用隔离技术后，隔离度可以进一步提升；(2)低侧面：小基板的高度可以低至5.3mm，与其它用于5G移动通信终端的边框天线相比，实现了低侧面化，有利于构造超薄的天线；(3)高带宽：可基本覆盖5G频段中的3.5GHz(3.4GHz-3.6GHz)频段。通过改变天线单元的个数以及尺寸，既可适应于除5G手机终端之外的其它移动通信终端。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来辅助对本发明的理解，附图中所提供的内容及其在本发明中有关的说明可用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为实施例1的高隔离、低侧面的宽带MIMO天线系统的俯视图。

图2为图1的A-A向剖视图。

图3为实施例1的高隔离、低侧面的宽带MIMO天线系统的小基板的正面的正视图。

图4为实施例1的高隔离、低侧面的宽带MIMO天线系统的小基板的反面的正视图。

图5为实施例1的高隔离、低侧面的宽带MIMO天线系统的天线单元的正面的正视图。

图6为实施例1的高隔离、低侧面的宽带MIMO天线系统的天线单元的反面的正视图。

图7为图3中第一个天线单元和第二个天线单元的S参数仿真曲线。

图8为图3中第一个天线单元和第二个天线单元的包络相关系数(ECC)仿真曲线。

图9为图3中第一个天线单元在3.5GHz时仿真的远场增益方向图。

图10为图3中第二个天线单元在3.5GHz时仿真的远场增益方向图。

图11为实施例2的高隔离、低侧面的宽带MIMO天线系统的仰视图。

上述附图中的有关标记为：

100-介质地，110-隔离槽，200-系统基板，210-缺口，220-金属馈线，230-内芯，240-同轴馈线，300-小基板，400-天线单元，410-第一辐射带，420-第二辐射带，430-第三辐射带，440-第四辐射带，450-第五辐射带，460-第六辐射带，500-U形带，610-第一支带，620-第二支带，630-第三支带。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行清楚、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。在结合附图对本发明进行说明前，需要特别指出的是：

本发明中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案和技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案和技术特征可以相互组合。

此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

关于本发明中术语和单位。本发明的说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“包括”、“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

实施例1

图1为本实施例的高隔离、低侧面的宽带MIMO天线系统的俯视图(小基板300未示出)。图2为图1的A-A向剖视图。如图1-2所示，该MIMO天线系统包括系统基板200和小基板300，所述小基板300为两个且分别设置于系统基板200的一组相对的边沿上；系统基板200的顶面设有金属馈线220，该金属馈线220通过金属化短路通孔与同轴馈线240的内芯230相连；系统基板200的背面为介质地100；在系统基板200的边沿上设有与小基板300长度和宽度匹配的缺口210，所述小基板300插入该缺口210后与介质地100连接。

所述系统基板200和小基板300均采用两层FR4介质基板，介电常数为4.4，总厚度为0.8mm。其中，所述系统基板200的长度为150mm，宽度为75mm；所述小基板300的长度为134mm，高度为5.3mm；可见，所述MIMO天线系统非常适合应用于5G移动通信终端。

图3为本实施例的高隔离、低侧面的宽带MIMO天线系统的小基板300的正面的正视图。图4为本实施例的高隔离、低侧面的宽带MIMO天线系统的小基板300的反面的正视图。如图3-4所示，在两个小基板300上分别设有四个呈等间距分布的天线单元400，每个小基板300上的天线单元400前后对称分布，八个天线单元400对称分布于两个小基板300上。

图5和图6分别为本实施例的高隔离、低侧面的宽带MIMO天线系统的天线单元400的正面和反面的正视图。如图3-6所示，所述天线单元400具有分别设于所述小基板300的正面和反面上但不相互连接的第一辐射单元和第二辐射单元，第一辐射单元和第二辐射单元各处的宽度一致。

所述第一辐射单元具有第一辐射带410，所述第二辐射单元具有第二辐射带420，所述第一辐射带410和第二辐射带420为相互平行的平行辐射带且沿水平方向的投影部分或全部重叠，所述第一辐射带410和第二辐射带420呈“一”型且水平设置。

所述第一辐射单元具有第三辐射带430，所述第二辐射单元具有第四辐射带440，所述第三辐射带430和第四辐射带440对称分布且均包括弯折结构，所述第三辐射带430和第四辐射带440沿水平方向的投影不重叠。所述弯折结构包括依次与对应的平行辐射带连接的弯折带500和第一支带610，所述弯折带500呈U型，所述第一支带610设于对应的平行辐射带下方且与之平行。

在平行辐射带的远离U形带500的一端设置竖向的第三支带630。

所述天线单元400还包括第三辐射单元和第四辐射单元，所述第三辐射单元和第四辐射单元分别设于所述小基板300的正面和反面上。

所述第三辐射单元具有竖向设置的第五辐射带450和水平设置的第二支带620，所述第五辐射带450一端与所述金属馈线220连接，另一端与所述第二支带620连接。所述第五辐射带450下端与小基板300下端之间的宽度为0.8mm，这与系统基板200的厚度匹配，便于小基板300插入缺口210后使所述第五辐射带450与金属馈线220连接。所述第二支带620设于第一辐射单元的第一支带610下方并与之平行。

所述第四辐射单元具有竖向设置的第六辐射带460，所述第六辐射带460一端与第二辐射单元的第一支带610连接，另一端通过邻近接地形式与所述介质地100连接。

图7为图3中第一个天线单元400和第二个天线单元400的S参数仿真曲线，从图7可以看出：第一个天线单元400和第二个天线单元400尽管位置不同，但其反射系数基本保持不变，第一个天线单元400和第二个天线单元400均具有两个明显的谐振频率，它们的-6dB带宽基本能够覆盖3.5GHz(3.4GHz-3.6GHz)频段，隔离度优于17dB。

图8为图3中第一个天线单元400和第二个天线单元400的包络相关系数仿真曲线，从图8可以看出：在工作频段3.4-3.6GHz内，第一个天线单元400和第二个天线单元400的最大ECC值低于0.02，远远小于MIMO系统正常工作要求的阈值0.5，表明天线单元400之间具有很低的相关性。

图9和图10分别为图3中第一个天线单元400和第二个天线单元400在3.5GHz时仿真的远场增益方向图，从图9和图10可以看出：它们的最大增益点位于不同的方向，第一个天线单元400的最大增益点约在phi＝90°、theta＝15°方向，而第二个天线单元400的最大增益点约在phi＝0°、theta＝30°方向，不同的辐射方向表明天线单元400间具有较好的隔离性。其中，phi为在XY平面上与X轴的夹角，theta表示在XZ平面上与Z轴的夹角。

由于天线单元400对称分布，因此对摆放形式相同且相邻的两个天线单元400进行测试，即可代表其它天线单元400的性质。

实施例2

与实施例1相比，本实施例的高隔离、低侧面的宽带MIMO天线系统具有的区别是：如图11所示，MIMO天线系统还包括对同一个小基板300上的任意相邻两个天线单元400进行隔离的隔离结构。所述隔离结构为设于所述介质地100上的隔离槽110，所述隔离槽110为两个且分别设置于每个小基板300中部的两个天线单元400之间；所述隔离槽110为U型且开口朝向被隔离的天线单元400所在的小基板300。

以上对本发明的有关内容进行了说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。基于本发明的上述内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.高隔离、低侧面的宽带MIMO天线系统，包括系统基板(200)和小基板(300)，所述小基板(300)设置于系统基板(200)的边沿，在所述小基板(300)上设有天线单元(400)，其特征在于：所述天线单元(400)具有分别设于所述小基板(300)的正面和反面上但不相互连接的第一辐射单元和第二辐射单元；所述第一辐射单元具有第一辐射带(410)，所述第二辐射单元具有第二辐射带(420)，所述第一辐射带(410)和第二辐射带(420)为相互平行的平行辐射带且沿水平方向的投影部分或全部重叠。

2.如权利要求1所述的高隔离、低侧面的宽带MIMO天线系统，其特征在于：所述第一辐射带(410)和第二辐射带(420)呈“一”型且水平设置。

3.如权利要求1或2所述的高隔离、低侧面的宽带MIMO天线系统，其特征在于：所述第一辐射单元具有第三辐射带(430)，所述第二辐射单元具有第四辐射带(440)，所述第三辐射带(430)和第四辐射带(440)对称分布且均包括弯折结构，所述第三辐射带(430)和第四辐射带(440)沿水平方向的投影不重叠。

4.如权利要求3所述的高隔离、低侧面的宽带MIMO天线系统，其特征在于：所述弯折结构包括依次与对应的平行辐射带连接的弯折带(500)和第一支带(610)。

5.如权利要求4所述的高隔离、低侧面的宽带MIMO天线系统，其特征在于：所述弯折带(500)呈U型或W型；所述第一支带(610)设于对应的平行辐射带下方且与之平行。

6.如权利要求4所述的高隔离、低侧面的宽带MIMO天线系统，其特征在于：所述天线单元(400)还包括设于所述小基板(300)正面上的第三辐射单元，所述第三辐射单元具有竖向设置的第五辐射带(450)，所述第五辐射带(450)与系统基板(200)顶面上的金属馈线(220)连接。

7.如权利要求6所述的高隔离、低侧面的宽带MIMO天线系统，其特征在于：所述第三辐射单元还包括与所述第五辐射带(450)连接的第二支带(620)，所述第二支带(620)设于第一辐射单元的第一支带(610)下方并与之平行。

8.如权利要求4所述的高隔离、低侧面的宽带MIMO天线系统，其特征在于：所述天线单元(400)还包括设于所述小基板(300)反面上的第四辐射单元，所述第四辐射单元具有竖向设置的第六辐射带(460)，所述第六辐射带(460)一端与第二辐射单元的第一支带(610)连接，另一端通过邻近接地形式与系统基板(200)背面的介质地(100)连接。

9.如权利要求1所述的高隔离、低侧面的宽带MIMO天线系统，其特征在于：每个小基板(300)上的天线单元(400)前后对称分布；在系统基板(200)的至少两个边沿上设有小基板(300)；在系统基板(200)的边沿设有与小基板(300)长度和宽度匹配的缺口(210)，所述小基板(300)插入该缺口(210)后与系统基板(200)背面的介质地(100)连接。

10.如权利要求1所述的高隔离、低侧面的宽带MIMO天线系统，其特征在于：所述MIMO天线系统还包括对同一个小基板(300)上的任意相邻两个天线单元(400)进行隔离的隔离结构，所述隔离结构为设于系统基板(200)背面的介质地(100)上的隔离槽(110)。

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