CN112054295B - 一种应用于5g的紧凑型自解耦十二单元多输入多输出天线 - Google Patents
一种应用于5g的紧凑型自解耦十二单元多输入多输出天线 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种应用于5G的紧凑型自解耦十二单元多输入多输出天线,包括介质基板、设置在介质基板底部的第一金属地平面,还包括4个辐射区域,在介质基板相对称的两侧均设置有两个辐射区域;其中辐射区域包括设置在介质基板的底部的第一耦合L型天线、第二耦合L型天线、第二金属地平面;第一耦合L型天线、第二耦合L型天线与第二金属地平面均设有第一间隙结构;第二金属地平面上设有开槽天线,在开槽天线的中间位置上设有馈电探针、第一电感器,在开槽天线的两侧均设有同轴馈电端口;介质基板的顶部设有连接同轴馈电端口与第一耦合L型天线的第一传输线、连接同轴馈电端口与第二耦合L型天线的第二传输线;第一传输线、第二传输线均设有第二电感器。
Description
技术领域
本发明涉及通信天线技术领域,更具体的,涉及一种应用于5G的紧凑型自解耦十二单元多输入多输出天线。
背景技术
过去几年,第4代移动通信(4G)带动的相关产业,比如4G智能手机等经历了爆炸性的增长。人们越来越期待新一代的移动通信技术,这项技术可以带来更高速率,更低延时和海量的连接。新一代移动通信技术——第五代移动通信技术(5G)应运而生。
2019年被人们称为“5G的元年”。运营商搭建好5G通信基站,终端设备制造商生产出各种5G设备特别是智能手机并投放到市场,意味着5G时代正式来临。
随着5G时代的到来,人们能实现各种前所未有的无线通信场景:高清直播,高清视频,8K电视,VR等。这些场景都需要很高的无线通信速率和大流量来实现。
对于无线通信的电子设备来说,天线是实现无线通信必不可少部件之一。对于5G以前的通信技术,传统的单天线传输就可以满足大部分要求。而对于5G,实现高速传输速率的挑战是前所未有的。为此,多输入多输出(Multiple Input Multiple Output——MIMO)天线必须被应用与5G技术之中。多输入多输出天线的出现使得5G技术的高传无线输速率成为可能。目前,多输入多输出天线已经广泛应用于智能手机,平板电脑,Wi-Fi,基站等设备中。
由于移动终端趋势向小型化发展,因此移动终端中的天线也相应地变得越来越小。如何在有限的空间中通过合理布局放置更多天线,也成为移动终端天线研究的重要问题之一。
如中国专利公开号CN 102394368 A,公开日2012.03.28,公开了一种带MIMO天线的移动终端,具体公开的移动终端包括介质基板及分别设置在介质基板正、反面的第一电路部分和第二电路部分,移动终端还包括设置在介质基板正面的五个天线,且五个天线分布在第一电路部分的外围,五个天线还分别与第一电路部分或第二电路部分通过传输线连接,其中,每相邻两个天线的极化方向是正交的,且第一电路部分上面设置有第一屏蔽罩,第二电路部分上面设置有第二屏蔽罩,第一屏蔽罩和第二屏蔽罩接地设置,在介质基板上每相邻两个天线之间设有空气缺口。实施本发明的技术方案,在移动终端体积有限的情况下,提高了天线间的隔离度,从而大大降低MIMO天线的相关性系数及耦合系数,增强了MIMO天线阵列的辐射特性
然而,以上现有技术主要存在几个问题:
第一:由于多输入多输出天线设备需要同时配置多根天线才能实现高速无线传输,而不同天线之间会存在互耦的影响,不同的天线彼此干扰会降低信道容量,造成能量的损失,因此多输入多输出天线最主要是问题是解决天线间的干扰问题。
第二:多输入多输出天线往往需要提高不同天线之间的距离来提高隔离度,以减少干扰。空间位置占用过多也是多输入多输出天线的重要问题,在小型化的电子设备中,占用过多的空间往往是不现实的。
发明内容
本发明为了解决以上现有的多输入多输出天线存在隔离度低,不同天线存在互耦影响的问题,提供了一种应用于5G的紧凑型自解耦十二单元多输入多输出天线,其能提高不同天线之间的隔离度,具有较低的传输系数,减少不同天线存在互耦导致能量损耗。
为实现上述本发明目的,采用的技术方案如下:一种应用于5G的紧凑型自解耦十二单元多输入多输出天线,包括介质基板、设置在介质基板底部的第一金属地平面,还包括4个辐射区域,在介质基板相对的两侧分别设置有两个相同的辐射区域,4个所述的辐射区域在介质基板上沿着x轴对称和沿y轴对称;
其中所述的辐射区域包括设置在介质基板底部的第一耦合L型天线、第二耦合L型天线、第二金属地平面;
所述第一耦合L型天线、第二耦合L型天线与第二金属地平面均设有第一间隙结构;
所述的第二金属地平面上设有开槽天线,所述的开槽天线设置成开槽结构,在所述的开槽天线的中间位置上设有第一馈电探针、第一电感器;所述的第一馈电探针的一端连接开槽天线的一侧,另一端通过第一电感器连接开槽天线的另一端;
在所述的第二金属地平面上设有两个同轴馈电端口;
在所述的介质基板的顶部设有第一传输线、第二传输线;所述的第一传输线的一端与第一耦合L型天线耦合连接;所述的第一传输线的另一端与一个同轴馈电端口连接;
所述的第二传输线的一端与第二耦合L型天线耦合连接;所述的第二传输线的另一端与同轴馈电端口连接;
所述的第一传输线上、第二传输线上均串联有第二电感器;
所述的第一耦合L型天线、第二耦合L型天线相互对称设置。
优选地,所述的第一耦合L型天线、第二耦合L型天线均包括第一天线臂、第二天线臂;第二天线臂与第一天线臂垂直连接;
所述的第一天线臂设置在介质基板的长边上;所述的第二天线臂、第一天线臂均与金属地平面设有第一间隙结构。
进一步地,所述的第一天线臂的宽度均为W2为1mm;所述的第一天线臂的长度L2为24.8mm;所述的第二天线臂的宽度W3为1.5mm。
再进一步地,所述的第一耦合L型天线与第二耦合L型天线之间设有第二间隙结构。
再进一步地,所述的介质基板的长L0为150mm,宽W0为70mm,厚H0为0.8mm。
再进一步地,所述的辐射区域中的第二金属地平面与第一金属地平面连接组成金属地板;且所述的金属地板设置在介质基板的中间位置,所述的金属地板的长度为150mm,宽为64mm。
再进一步地,所述的同轴馈电端口包括贯穿于第二金属地平面、介质基板的馈电通孔、设置在馈电通孔中的第二馈电探针;所述的第二馈电探针与传输线连接,其中一个同轴馈电端口中的第二馈电探针与第一传输线连接,另一个同轴馈电端口中的第二馈电探针与第二传输线连接。
再进一步地,所述的开槽天线的长度L1为41.2mm,宽W1为3mm。
再进一步地,所述的应用于5G的紧凑型自解耦十二单元多输入多输出天线,其特征在于:所述的传输线的长度L3为8.635mm,宽度为1.5mm。
再进一步地,所述的介质基板的介电常数εr为4.4,正切损耗tanδ为0.02。
本发明的有益效果如下:
1.本发明采用双极化方式进行去耦,减少了天线之间的干扰,提高了天线之间的隔离度,从而能提高多输入多输出天线的信道容量,提高传输速率。
2.本发明天线在空间上进行复用,在较小的空间内,每个区块安装了3根天线(第一耦合L型天线、第二耦合L型天线、开槽天线),整个基板安装了12根天线,增高了空间利用率。
3.本发明由于进行了优化调谐和双极化的天线布局,减少了反射系数和传输系数,提高了效率。
附图说明
图1是实施例1所述的多输入多输出天线的俯视结构图。
图2是实施例1所述的多输入多输出天线的立体结构图。
图3是图1中辐射区域的放大图。
图4是实施例1所述的多输入多输出天线的仰视结构图。
图5是图4中辐射区域的放大图。
图6是实施例1所述的同轴馈电端口的结构示意图。
图7是辐射区域1-1内天线的反射系数。
图8是辐射区域1-1内天线的传输系数。
图9是辐射区域1-1与辐射区域1-2的天线之间的传输系数。
图10是辐射区域1-1与辐射区域1-3的天线之间的传输系数。
图11是辐射区域1-1与辐射区域1-4的天线之间的传输系数。
图中,1-1、1-2、1-3、1-4表示不同的辐射区域;
2-第一耦合L型天线、3-第二耦合L型天线、4-第二金属地平面、5-开槽天线、6-第一金属地平面、7-第一传输线、8-第二传输线、9-介质基板、10-第二电感器、11-第一馈电探针、12-第一电感器、13-第一天线臂、14-第二天线臂、15-同轴馈电端口、16-馈电通孔、17-第二馈电探针。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述。
实施例1
如图1、图2、图3、图4、图5、图7所示,一种应用于5G的紧凑型自解耦十二单元多输入多输出天线,包括介质基板9、设置在介质基板9底部的第一金属地平面6,还包括4个辐射区域,在介质基板9相对的两侧分别设置有两个相同的辐射区域,4个所述的辐射区域在介质基板9上沿着x轴对称和沿y轴对称;
其中所述的辐射区域包括设置在介质基板9底部的第一耦合L型天线2、第二耦合L型天线3、第二金属地平面4;
所述第一耦合L型天线2、第二耦合L型天线3与第二金属地平面4均设有第一间隙结构;
所述的第二金属地平面4上设有开槽天线5,所述的开槽天线5设置成开槽结构,在所述的开槽天线5的中间位置上设有第一馈电探针11、第一电感器12;所述的第一馈电探针11的一端连接开槽天线5的一侧,另一端通过第一电感器11连接开槽天线5的另一端;
所述的第二金属地平面4上设有两个同轴馈电端口15,且所述的同轴馈电端口15分别位于开槽天线5的两侧;
在所述的介质基板9的顶部设有第一传输线7、第二传输线8;所述的第一传输线7的一端与第一耦合L型天线2耦合连接;所述的第一传输线7的另一端与一个同轴馈电端口15连接;
所述的第二传输线8的一端与第二耦合L型天线3耦合连接;所述的第二传输线8的另一端与同轴馈电端口15连接;
所述的第一传输线7上、第二传输线8上均设有第二电感器10;
所述的第一耦合L型天线2、第二耦合L型天线3相互对称设置,具体的天线对2/3为对称的结构,关于天线对中线镜面对称。
本实施例每个所述的辐射区域均包括第一耦合L型天线2、第二耦合L型天线3、开槽天线5,一共设有四个辐射区域,故本实施例一共采用12根天线组成MIMO天线阵列。12根天线均工作于5G波段(3.4–3.6GHz),可以被应用于5G智能手机,平板电脑等电子产品之中。
该12根天线分为4个相同的辐射区域,分别分布在介质基板9的长边两侧,每边有2个辐射区域,每个辐射区域相对于介质基板9长边和宽边的距离是相同的。
本实施例的工作原理:12根MIMO天线组成天线阵列。该天线阵列可以使用部分天线发射或接收信号,也可以使用12根天线同时发射和接收信号。因为不同的辐射区域的距离相对较远,辐射区域间天线的耦合程度相对辐射区域内天线的耦合程度较小。因此,这里主要说明辐射区域内的耦合及解耦情况。对于开槽天线5,其激发起沿x方向的线性极化波,且最大辐射的方向朝基板向内,最小的辐射方向朝介质基板向外。而耦合L型天线在最大辐射的方向上激发出沿y方向的线性极化波,且最大辐射的方向朝基板向外,最小的辐射方向朝介质基板向内。显然,开槽天线和耦合L型天线激发的场为互补的场,因此,在同一辐射区域内,开槽天线5和耦合L型天线能达到较高的隔离度,较低的传输系数。同一辐射区域内,两根耦合L型天线,由于其对应的激励端口距离相对较远,因此也能达到较高的隔离度。
在一个具体的实施例中,所述的辐射区域中的第二金属地平面4与第一金属地平面6连接组成金属地板,即所述的第二金属地平面4、第一金属地平面6一体化设置;
在一个具体的实施例中,所述的介质基板9采用RF-4材质制作而成。所述的介质基板9的相对介电常数εr为4.4,正切损耗tanδ为0.02。
在一个具体的实施例中,所述的第一耦合L型天线2、第二耦合L型天线3均采用同轴馈电,即在第二金属地平面4上设有两个同轴馈电端口15,所述的同轴馈电端口15包括贯穿于第二金属地平面4、介质基板9的馈电通孔16、设置在馈电通孔16中的第二馈电探针17;其中一个同轴馈电端口中的第二馈电探针17与第一传输线7连接,另一个同轴馈电端口中的第二馈电探针与第二传输线连接8。所述的第二馈电探针将电流通过传输线(第一传输线、第二传输线)通过耦合方式耦合到介质基板9底部的耦合L型天线上。所述的传输线上串联有第二电感器10,其参数为1nH,用于调谐和阻抗匹配。
所述的开槽天线5的第一馈电探针串联有3.9nH第一电感器12,用于调谐和阻抗匹配。
在一个具体的实施例中,所述的第一耦合L型天线2、第二耦合L型天线3均包括第一天线臂13、第二天线臂14;第二天线臂14与第一天线臂13垂直连接;
所述的第一天线臂13设置在介质基板9的长边上;所述的第二天线臂14与金属地平面设有第一间隙结构;所述的第一间隙结构的长度L5为1.5mm。
本实施例所述的紧凑型自解耦合十二单元多输入多输出天线的具体参数如表1所示:
表1
为了验证本实施例的性能,通过实验获得的性能参数如下:
1.反射系数。由于每个辐射区域的布局设置都是相同的,由于结构的对称性,只需给出单个辐射区域的3根天线的反射系数即可,如图7所示,是一个辐射区域的天线的反射系数。
2.传输系数
由于辐射区域的对称性,只需给出单个辐射区域内天线的传输系数和不同辐射区域天线间的传输系数,具体测试的性能如图8、图9、图10、图11所示。
显然,本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种应用于5G的紧凑型自解耦十二单元多输入多输出天线,包括介质基板、设置在介质基板底部的第一金属地平面,其特征在于:还包括4个辐射区域,在介质基板相对的两侧分别设置有两个相同的辐射区域,4个所述的辐射区域在介质基板上沿着x轴对称和沿y轴对称;
其中所述的辐射区域包括设置在介质基板底部的第一耦合L型天线、第二耦合L型天线、第二金属地平面;
所述第一耦合L型天线、第二耦合L型天线与第二金属地平面均设有第一间隙结构;
所述的第二金属地平面上设有开槽天线,所述的开槽天线设置成开槽结构,在所述的开槽天线的中间位置上设有第一馈电探针、第一电感器;所述的第一馈电探针的一端连接开槽天线的一侧,另一端通过第一电感器连接开槽天线的另一端;
在所述的第二金属地平面上设有两个同轴馈电端口;
在所述的介质基板的顶部设有第一传输线、第二传输线;所述的第一传输线的一端与第一耦合L型天线耦合连接;所述的第一传输线的另一端与一个同轴馈电端口连接;
所述的第二传输线的一端与第二耦合L型天线耦合连接;所述的第二传输线的另一端与同轴馈电端口连接;
所述的第一传输线上、第二传输线上均串联有第二电感器;
所述的第一耦合L型天线、第二耦合L型天线相互对称设置;
所述的第一耦合L型天线、第二耦合L型天线均包括第一天线臂、第二天线臂;第二天线臂与第一天线臂垂直连接;
所述的第一天线臂设置在介质基板的长边上;所述的第二天线臂、第一天线臂均与金属地平面设有第一间隙结构;
所述的同轴馈电端口包括贯穿于第二金属地平面、介质基板的馈电通孔、设置在馈电通孔中的第二馈电探针;所述的第二馈电探针与传输线连接,其中一个同轴馈电端口中的第二馈电探针与第一传输线连接,另一个同轴馈电端口中的第二馈电探针与第二传输线连接。
2.根据权利要求1所述的应用于5G的紧凑型自解耦十二单元多输入多输出天线,其特征在于:所述的第一天线臂的宽度均为W2为1mm;所述的第一天线臂的长度L2为24.8mm;所述的第二天线臂的宽度W3为1.5mm。
3.根据权利要求2所述的应用于5G的紧凑型自解耦十二单元多输入多输出天线,其特征在于:所述的第一耦合L型天线与第二耦合L型天线之间设有第二间隙结构。
4.根据权利要求1所述的应用于5G的紧凑型自解耦十二单元多输入多输出天线,其特征在于:所述的介质基板的长L0为150mm,宽W0为70mm,厚H0为0.8mm。
5.根据权利要求1所述的应用于5G的紧凑型自解耦十二单元多输入多输出天线,其特征在于:所述的辐射区域中的第二金属地平面与第一金属地平面连接组成金属地板;且所述的金属地板设置在介质基板的中间位置,所述的金属地板的长度为150mm,宽为64mm。
6.根据权利要求1所述的应用于5G的紧凑型自解耦十二单元多输入多输出天线,其特征在于:所述的开槽天线的长度L1为41.2mm,宽W1为3mm。
7.根据权利要求1所述的应用于5G的紧凑型自解耦十二单元多输入多输出天线,其特征在于:所述的传输线的长度L3为8.635mm,宽度为1.5mm。
8.根据权利要求7所述的应用于5G的紧凑型自解耦十二单元多输入多输出天线,其特征在于:所述的介质基板的介电常数εr为4.4,正切损耗tanδ为0.02。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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