CN112186337B

CN112186337B - 一种基于模式正交的双频高隔离度手机mimo天线

Info

Publication number: CN112186337B
Application number: CN202010959293.1A
Authority: CN
Inventors: 钱昊; 顾长青; 赵兴
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2020-09-14
Filing date: 2020-09-14
Publication date: 2021-07-27
Anticipated expiration: 2040-09-14
Also published as: CN112186337A

Abstract

本发明公开了一种基于模式正交的双频高隔离度手机MIMO天线，包含介质基板、两个介质板、第一天线模块和第二天线模块；天线模块由辐射单元、解耦结构组成；金属地板印刷在介质基板背面；辐射单元由印制在金属地板两侧的两部分辐射枝节组成，印刷两个介质板内侧面；解耦结构是由两枝节组成，降低两谐振点的耦合程度。本申请提供的天线的结构通过天线不同的谐振枝节实现双频带，覆盖电信5G频段的3.4GHz‑3.5GHz、联通5G频段的3.5GHz‑3.6GHz、移动5G频段的4.8GHz‑4.9GHz，很好的解决了覆盖国内三大主要运营商的5G信号的问题。并且验证了模式正交的解耦方式在双频的应用。

Description

一种基于模式正交的双频高隔离度手机MIMO天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种基于模式正交的双频高隔离度手机MIMO天线。

背景技术

近年来，随着无线通信的飞速发展和通信系统容量的不断提高，电磁波传播环境变得越来越复杂。随着人们生活品质的提高，对无线移动通信系统和手机均提出了更高的要求。不同于传统的通信系统，在包含空间分集和空间复用的 MIMO 系统中，多径效应已经成为了有利条件，不光可以被用来提高信息传输速率，此外，MIMO 系统也可以利用空间分集技术来保证信息传输的可靠性。

第五代(5G)移动通信系统将于2020年大规模部署，它将给我们带来比目前的4G系统更高的传输速率和更短的延迟等诸多优势。理论上，MIMO信道容量随着MIMO元素的数量线性增加。然而，对于移动终端，外围器件越来越多，留给天线设计空间越来越小，受限于整机尺寸，会导致天线之间的耦合变强，进一步会导致MIMO中元素的辐射效率降低，从而无法发挥MIMO天线技术的优势。如何在有限的空间中，实现天线的高隔离度和低包络相关系数(ECC)，MIMO天线系统实现更好的天线性能成为一个挑战。

除此以外，近年来5G终端天线的单频带天线的研究很多，而国内三大主要运营商获得的5G许可频段，除了公认为最适合组建5G网络的3.5GHz频段划给电信和联通以外，移动这次获得了2515MHz-2675MHz、4800MHz-4900MHz频段的共260MHz带宽的5G试验频率资源，其中2515-2575MHz、2635-2675MHz和4800-4900MHz频段为新增频段，2575-2635MHz频段为重耕中国移动现有的TD-LTE（4G）频段。面对三大运营商的5G许可频段，这就需要实现宽带/多频段覆盖。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种基于模式正交的双频高隔离度手机MIMO天线，利用天线单元辐射模式的正交，实现高隔离度的MIMO天线技术，同时解决现有天线不能在一副天线同时覆盖三大运营商5G频段导致覆盖频段单一或设置多幅天线导致占用空间大和信道容量低的问题。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

基于模式正交的双频高隔离度手机MIMO天线，包含介质基板、第一介质板、第二介质板、第一天线模块和第二天线模块；

所述介质基板、第一介质板、第二介质板均为矩形板，其中，所述介质基板反面中心印刷有金属地板，金属地板长度和介质基板的长度相同、宽度小于介质基板的宽度；所述第一介质板、第二介质板的长度和介质基板的长度相同，所述介质基板的两条长边分别第一介质板、第二介质板垂直固连，且介质基板的一个长边位于第一介质板两条长边之间的中线上、另一个长边位于第二介质板两条长边之间的中线上；

所述第一天线模块、第二天线模块结构相同，均包含第一天线单元、第二天线单元和解耦单元；

所述第一天线单元、第二天线单元结构相同，均包含单极子和偶极子；

所述单极子包含单极子臂、第一微带线、同轴和第一馈电端口，所述单极子臂包含T形枝节和U形枝节，所述T形枝节包含长边以及和长边中点垂直相连的短边，所述U形枝节包含底边以及和底边两端垂直相连的两条侧边，所述T形枝节的短边末端伸入U形枝节内和U形枝节底边的中点垂直相连；

所述偶极子包含第一至第四L形枝节、第二微带线、第三微带线、馈电巴伦、第二馈电端口、第一接地枝节和第二接地枝节；所述第一至第四L形枝节均包含长边以及一端和长边一端垂直相连的短边，第一、第三L形枝节结构相同，第二、第四L形枝节结构相同，第一L形枝节长边、短边的长度分别大于第二L形长边、短边的长度；所述第二微带线、第三微带线结构相同，平行设置；所述第一L形枝节长边的末端和第二微带线的底端垂直相连，形成U形结构，所述第二L形枝节设置在第一L形枝节内、且第二L形枝节长边的末端和第二微带线的低端垂直相连；所述第三L形枝节、第四L形枝节长边的末端均和第三微带线的低端垂直相连；所述第二微带线、第一L形枝节、第二L形枝节和第三微带线、第三L形枝节、第四L性直接相互对称；所述馈电巴伦的外导体和所述第二微带线相连、内导体和所述第三微带线相连；所述第二馈电端口和所述馈电巴伦相连；

所述解耦单元包含第一谐振枝节、第二谐振枝节、第三接地枝节和第四接地枝节；

令第一天线模块中第一天线单元、第二天线单元的单极子分别为单极子A、单极子B，第一天线模块中第一天线单元、第二天线单元的偶极子分别为偶极子A、偶极子B；第二天线模块中第一天线单元、第二天线单元的单极子分别为单极子C、单极子D，第二天线模块中第一天线单元、第二天线单元的偶极子分别为偶极子C、偶极子D；第一、第二天线模块的解耦单元分别解耦单元A、解耦单元B；

所述单极子A的单极子臂设置在第一介质板的内壁上、位于介质基板正面一侧，且该单极子臂中U形枝节开口朝外、底边平行于第一介质板的长边；所述单极子A的第一微带线设置在介质基板的正面上、和其T形枝节短边的末端相连，单极子A同轴的外导体接所述金属地板、单极子A同轴的内导体穿过介质基板接单极子A的第一微带线；所述单极子A的第一馈电端口和其同轴相连；

所述单极子B的单极子臂设置在第一介质板的内壁上、单极子B的第一微带线设置在介质基板的正面上，单极子B和单极子A关于经过第一介质板两条短边的中线且垂直于第一介质板的平面对称；

所述解耦单元A中，第一、第二谐振枝节均设置在第一介质板的内壁上、位于介质基板正面一侧，第三、第四接地枝节均设置在介质基板的反面，第一谐振枝节通过第三接地枝节和金属地板相连、用于降低单极子A和单极子B在3.5G处的耦合程度，第二谐振枝节通过第四接地枝节和金属地板相连、用于降低单极子A和单极子B在4.85G处的耦合程度；

所述偶极子A设置在第一介质板的内壁上、位于介质基板反面一侧，偶极子A的第二微带线、第三微带线平行于单极子A的T形枝节的短边，偶极子A的第二微带线和其第一L形枝节形成的U形结构开口朝外，且偶极子A的第二微带线、第三微带线关于单极子A的T形枝节短边所在直线对称；偶极子A的第一接地枝节用于连接第三微带线的高端和金属地板，偶极子A的第二接地枝节用于连接第二微带线的高端和金属地板；

所述偶极子B设置在第一介质板的内壁上，偶极子B和偶极子A关于经过第一介质板两条短边的中线且垂直于第一介质板的平面对称；

所述单极子C的单极子臂、单极子D的单极子臂、偶极子C、偶极子D、解耦单元B的第一谐振枝节、解耦单元B的第二谐振枝节均设置在第二介质板的内壁上，单极子C、单极子D的第一微带线设置在介质基板的正面上，解耦单元B的第三、第四接地枝节设置在介质基板的反面，且第二天线模块和第一天线模块关于经过介质基板两条长边的中线且垂直于介质基板的平面对称。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明由于两天线的辐射模式正交，即使两天线间距无限接近，也可以有效的降低两天线的耦合作用，从而可以缩小天线间的间距；同时对偶极子天线进行弯折操作，并通过阶梯接地以及巴伦馈电等方式保证其阻抗带宽，进而缩小所述MIMO天线的体积；

2、本发明设置解耦单元，提高两单极子天线的隔离度，降低该MIMO天线的包络相关系数，从而提高信道容量。

3、本发明提供的MIMO天线，实现了双频带高隔离度，国内三大运营商的5G频带均有覆盖。避免了两种天线不同模态之间的耦合影响，进而保证了信道容量，并且解决了两种天线的设置占用空间大的问题。

附图说明

图1是本发明基于模式正交的双频高隔离度手机MIMO天线结构示意图；

图2是本发明中介质基板正面的结构示意图；

图3是本发明中介质基板反面的结构示意图；

图4是本发明中第一介质板的结构示意图；

图5是本发明中单极子天线与偶极子天线组成相配合的立体结构实施例尺寸图，图中单位为毫米(mm)；

图6是本发明解耦单元中第一谐振枝节、第二谐振枝节相配合的结构实施例尺寸图，单位为毫米(mm)；

图7（a）、图7（b）、图7（c）、图7（d）分别为本发明中第一馈电端口激励时的低频电流分布示意图、第一馈电端口激励时的高频电流分布示意图、第二馈电端口差分激励时的低频电流分布示意图、第二馈电端口差分激励时的高频电流分布示意图；

图8（a）、图8（b）分别为本发明在两个工作模式下低频和高频的天线对E面场图、天线对H面场图；

图9（a）、图9（b）分别为本发明解耦单元中第一谐振枝节和第二谐振枝节低频、高频的电流分布示意图；

图10为该实施例下的MIMO天线S参数仿真结果，包括两个天线单元的反射系数以及它们之间的传输系数。

图中，1-金属地板，2-介质基板，3-第一介质板，4-第二介质板，101-偶极子A的第一接地枝节，102-偶极子A的第二接地枝节，103-解耦单元A的第三接地枝节，104-解耦单元A的第四接地枝节，501-偶极子A的T形枝节、502-偶极子A的U形枝节，503-单极子A的第一微带线，504-单极子A第一馈电端口，601-偶极子A的第一L形枝节，602-偶极子A的第二L形枝节，603-偶极子A的第三L形枝节，604--偶极子A的第四L形枝节，605-偶极子A的第二微带线，606-偶极子A的第三微带线，607-偶极子A的馈电巴伦，608-偶极子A的第二馈电端口，701-解耦单元A的第一谐振枝节，702-解耦单元A的第二谐振枝节。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

如图1、图2、图3、图4所示，本发明公开了一种基于模式正交的双频高隔离度手机MIMO天线，包含介质基板、第一介质板、第二介质板、第一天线模块和第二天线模块；

如图5所示，所述偶极子包含第一至第四L形枝节、第二微带线、第三微带线、馈电巴伦、第二馈电端口、第一接地枝节和第二接地枝节；所述第一至第四L形枝节均包含长边以及一端和长边一端垂直相连的短边，第一、第三L形枝节结构相同，第二、第四L形枝节结构相同，第一L形枝节长边、短边的长度分别大于第二L形长边、短边的长度；所述第二微带线、第三微带线结构相同，平行设置；所述第一L形枝节长边的末端和第二微带线的底端垂直相连，形成U形结构，所述第二L形枝节设置在第一L形枝节内、且第二L形枝节长边的末端和第二微带线的低端垂直相连；所述第三L形枝节、第四L形枝节长边的末端均和第三微带线的低端垂直相连；所述第二微带线、第一L形枝节、第二L形枝节和第三微带线、第三L形枝节、第四L性直接相互对称；所述馈电巴伦的外导体和所述第二微带线相连、内导体和所述第三微带线相连；所述第二馈电端口和所述馈电巴伦相连；

所述解耦单元A中，第一、第二谐振枝节均设置在第一介质板的内壁上、位于介质基板正面一侧，如图6所示，第三、第四接地枝节均设置在介质基板的反面，第一谐振枝节通过第三接地枝节和金属地板相连、用于降低单极子A和单极子B在3.5G处的耦合程度，第二谐振枝节通过第四接地枝节和金属地板相连、用于降低单极子A和单极子B在4.85G处的耦合程度；

图7（a）、图7（b）、图7（c）、图7（d）分别为本发明中第一馈电端口激励时的低频电流分布示意图、第一馈电端口激励时的高频电流分布示意图、第二馈电端口差分激励时的低频电流分布示意图、第二馈电端口差分激励时的高频电流分布示意图。

如8（a）、图8（b）所示，当第一馈电端口激励时，所述单极子在低频时主要辐射枝节为T形枝节，在高频时主要辐射枝节为U形枝节；当第二馈电端口通过馈电巴伦实现对偶极子天线差分激励时，所述偶极子在低频时主要通过第一、第三L形枝节辐射，在高频时主要通过第二、第四L形枝节辐射。在两个工作频段上，所述单极子天线与偶极子天线分别工作于两个相互正交两模式。由于单极子天线与偶极子天线馈电方式不同产生不同电流，单极子的主要辐射枝节为竖直的枝节，而偶极子的主要辐射枝节为水平的枝节，进而产生了相互正交的两个辐射模式。由于模式正交的天线单元理论上可达到无穷大的隔离度，因此所述正交模式天线对的两个天线单元之间可在宽带内实现高隔离特性。在两天线之间引入两个新的谐振模式，从而降低两单极子天线之间的耦合。

图9（a）、图9（b）分别为本发明解耦单元中第一谐振枝节和第二谐振枝节低频、高频的电流分布示意图。

天线反射系数和传输系数如图10所示，其中单极子的-6dB阻抗带宽为：3.4-3.6GHz、4.8-5.5GHz，偶极子的-6dB阻抗带宽至少为：3.4-3.6GHz、4.8-4.9GHz，两天线均可以完全覆盖5G n78、n79频段。由于模式正交，单极子于偶极子之间的隔离度在全频段内都大于18dB。因此，本发明为5G MIMO移动终端天线提供了一种高隔离、低净空双天线集成等特性的解决方案。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.基于模式正交的双频高隔离度手机MIMO天线，其特征在于，包含介质基板、第一介质板、第二介质板、第一天线模块和第二天线模块；

所述介质基板、第一介质板、第二介质板均为矩形板，其中，所述介质基板反面中心印刷有金属地板，金属地板长度和介质基板的长度相同、宽度小于介质基板的宽度；所述第一介质板、第二介质板的长度和介质基板的长度相同，所述介质基板的两条长边分别与第一介质板、第二介质板垂直固连，且介质基板的一个长边位于第一介质板两条长边之间的中线上、另一个长边位于第二介质板两条长边之间的中线上；

所述偶极子包含第一至第四L形枝节、第二微带线、第三微带线、馈电巴伦、第二馈电端口、第一接地枝节和第二接地枝节；所述第一至第四L形枝节均包含长边以及一端和长边一端垂直相连的短边，第一、第三L形枝节结构相同，第二、第四L形枝节结构相同，第一L形枝节长边、短边的长度分别大于第二L形长边、短边的长度；所述第二微带线、第三微带线结构相同，平行设置；所述第一L形枝节长边的末端和第二微带线的低端垂直相连，形成U形结构，所述第二L形枝节设置在第一L形枝节内、且第二L形枝节长边的末端和第二微带线的低端垂直相连；所述第三L形枝节、第四L形枝节长边的末端均和第三微带线的低端垂直相连；所述第二微带线、第一L形枝节、第二L形枝节组成的整体和第三微带线、第三L形枝节、第四L形枝节组成的整体关于所述单极子的T形枝节短边所在直线相互对称；所述馈电巴伦的外导体和所述第二微带线相连、内导体和所述第三微带线相连；所述第二馈电端口和所述馈电巴伦相连；

所述单极子A的单极子臂设置在第一介质板的内壁上、位于介质基板正面一侧，且该单极子臂中U形枝节开口朝向T形枝节、底边平行于第一介质板的长边；所述单极子A的第一微带线设置在介质基板的正面上、和其T形枝节短边的末端相连，单极子A同轴的外导体接所述金属地板、单极子A同轴的内导体穿过介质基板接单极子A的第一微带线；所述单极子A的第一馈电端口和其同轴相连；

所述单极子B的单极子臂设置在第一介质板的内壁上、单极子B的第一微带线设置在介质基板的正面上，单极子B和单极子A关于经过第一介质板两条长边的中线且垂直于第一介质板的平面对称；

所述解耦单元A中，第一、第二谐振枝节均设置在第一介质板的内壁上、位于介质基板正面一侧，第三、第四接地枝节均设置在介质基板的反面，第一谐振枝节通过第三接地枝节和金属地板相连、用于降低单极子A和单极子B在3.5GHz处的耦合程度，第二谐振枝节通过第四接地枝节和金属地板相连、用于降低单极子A和单极子B在4.85GHz处的耦合程度；

所述偶极子A设置在第一介质板的内壁上、位于介质基板反面一侧，偶极子A的第二微带线、第三微带线平行于单极子A的T形枝节的短边，偶极子A的第二微带线和其第一L形枝节形成的U形结构开口朝向单极子A，且偶极子A的第二微带线、第三微带线关于单极子A的T形枝节短边所在直线对称；偶极子A的第一接地枝节用于连接第三微带线的高端和金属地板，偶极子A的第二接地枝节用于连接第二微带线的高端和金属地板；

所述偶极子B设置在第一介质板的内壁上，偶极子B和偶极子A关于经过第一介质板两条长边的中线且垂直于第一介质板的平面对称；

所述单极子C的单极子臂、单极子D的单极子臂、偶极子C、偶极子D、解耦单元B的第一谐振枝节、解耦单元B的第二谐振枝节均设置在第二介质板的内壁上，单极子C、单极子D的第一微带线设置在介质基板的正面上，解耦单元B的第三、第四接地枝节设置在介质基板的反面，且第二天线模块和第一天线模块关于经过介质基板两条短边的中线且垂直于介质基板的平面对称。