CN112448163B - 高隔离度天线对及mimo天线系统 - Google Patents

高隔离度天线对及mimo天线系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高隔离度天线对及MIMO天线系统，高隔离度天线对包括第一介质板、第二介质板、第一天线和第二天线，第一天线夹设于第一介质板和第二介质板之间，第一天线包括两个第一金属段以及连接两个第一金属段的第二金属段，第二天线包括第三金属段，第三金属段设于第一介质板的表面或者第二介质板的表面，第三金属段设于两个第一金属段之间。本发明提供的高隔离度天线对及MIMO天线系统，两个第一金属段的电流走线相反，使两个电流耦合至第三金属段后自中和，保证第一天线和第二天线之间较好的端口隔离度；而且第一天线和第三金属段不在同一层介质板走线，通过介质层的厚度进一步提高了第一天线和第二天线之间的端口隔离度。

Description

高隔离度天线对及MIMO天线系统
技术领域
本发明属于天线技术领域，更具体地说，是涉及一种高隔离度天线对及MIMO天线系统。
背景技术
第五代移动通信（5G）发展迅速，其中4.8-5.0 GHz是工信部规定的中国的5G频段划分，5G愿景中很重要的一个需求就是提高移动通信系统的信道容量，为此，MIMO天线是被必然采用的一种天线形式。MIMO天线（MIMO表示多输入多输出,通常用于 IEEE 802.11n，但也可以用于其他802.11技术)。MIMO技术大致可以分为两类：发射/接收分集和空间复用。MIMO天线有时被称作空间多样技术，因为它使用多空间通道传送和接收数据，利用MIMO技术可以提高信道的容量。但是终端天线体积有限，要实现MIMO天线对必然需要多根天线，为了减小天线之间的干扰，需要保证各个天线之间的较大的距离，这样MIMO天线系统的整体尺寸较大，但各个天线距离较近时，天线单元之间相互干扰，各个天线单元之间的隔离度需要优化。目前，4-8 MIMO单元的终端5G天线的隔离度在13dB左右，无法满足高隔离度的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高隔离度天线对，以解决现有技术中天线单元之间的隔离度较低、MIMO天线系统整体尺寸过大的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种高隔离度天线对，包括第一介质板、第二介质板、第一天线和第二天线，所述第一介质板和所述第二介质板层叠设置，所述第一天线夹设于所述第一介质板和所述第二介质板之间，所述第一天线包括两个第一金属段以及连接两个所述第一金属段的第二金属段，所述第二天线包括第三金属段，所述第三金属段设于所述第一介质板背向所述第二介质板一侧或者所述第二介质板背向所述第一介质板一侧，所述第三金属段设于两个所述第一金属段之间，且两个所述第一金属段、所述第三金属段均平行设置，使两个所述第一金属段上的电流耦合至所述第三金属段时，两个所述第一金属段的电流相互抵消。
进一步地，所述第三金属段与两个所述第一金属段的距离相等。
进一步地，两个所述第一金属段的长度相同。
进一步地，所述第二天线还包括第四金属段及第五金属段，所述第三金属段、所述第四金属段及所述第五金属段依次连接，且所述第四金属段贯穿所述第一介质板和所述第二介质板设置；
所述第三金属段设于所述第一介质板背向所述第二介质板一侧，所述第五金属段设于所述第二介质板背向所述第一介质板一侧，或者，所述第五金属段设于所述第一介质板背向所述第二介质板一侧，所述第三金属段设于所述第二介质板背向所述第一介质板一侧。
进一步地，所述第四金属段垂直于所述第一介质板及所述第二介质板设置。
进一步地，所述第二金属段呈半封闭框状，且所述第二金属段具有相邻设置的首端和尾端，两个所述第一金属段分别连接于所述第二金属段的首端和尾端。
进一步地，所述第一天线以所述第二天线所在的平面为中心面对称设置。
进一步地，所述第一天线为环天线或偶极子天线，所述第二天线为单极子天线。
本发明还提供一种MIMO天线系统，包括上述的高隔离度天线对。
进一步地，所述MIMO天线系统还包括至少一对所述第一天线。
本发明提供的高隔离度天线对及MIMO天线系统的有益效果在于：与现有技术相比，本发明高隔离度天线对包括第一介质板、第二介质板、第一天线和第二天线，第一天线夹设于第一介质板和第二介质板之间，第一天线包括两个第一金属段和第二金属段，第二天线包括一个第三金属段，第三金属段设于第一介质板背向第二介质板一侧或者第二介质板背向第一介质板一侧，且第三金属段设于两个第一金属段之间，两个第一金属段和第三金属段相互平行，这样，当第一天线工作在一个波长的谐振模式时，两个第一金属段的电流走线相反，两个第一金属段的电流耦合至第三金属段时，电流相互抵消，使两个电流耦合至第三金属段后自中和，在第一天线和第二天线距离较近的情况下，即天线对尺寸较小的情况下也可保证第一天线和第二天线之间较好的端口隔离度；而且第一天线和第三金属段不在同一层介质板走线，通过介质层的厚度进一步提高了第一天线和第二天线之间的端口隔离度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的高隔离度天线对的立体结构图；
图2为本发明实施例提供的高隔离度天线对的第一介质层的走线图；
图3为本发明实施例提供的高隔离度天线对的第二介质层的走线图；
图4为本发明实施例提供的高隔离度天线对的电流走向示意图；
图5为本发明实施例提供的第一种MIMO天线系统的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的第一种MIMO天线系统的S参数仿真图；
图7为本发明实施例提供的第二种MIMO天线系统的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的第三种MIMO天线系统的结构示意图。
其中，图中各附图标记：
100-高隔离度天线对；1-第一介质板；2-第二介质板；3-第一天线；31-第一金属段；310-第一天线的馈点；32-第二金属段；4-第二天线；41-第三金属段；410-第二天线的馈点；42-第四金属段；43-第五金属段。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请一并参阅图1至图4，现对本发明实施例提供的高隔离度天线对100进行说明。在其中一个实施例中，高隔离度天线对100包括第一介质板1、第二介质板2、第一天线3和第二天线4，第一介质板1和第二介质板2层叠设置，第一天线3夹设于第一介质板1和第二介质板2之间，第一天线3包括两个第一金属段31和一个第二金属段32，两个第一金属段31相互平行，第二金属段32连接两个第一金属段31。更具体地，两个第一金属段31的一端均靠近边缘设置，第二金属段32的两端分别连接于两个第一金属段31的另外一端，这样，第一天线3工作在一个波长的谐振模式时，电流的走向为第一金属段31、第二金属段32和第一金属段31，两个第一金属段31的电流方向相反。第二天线4包括第三金属段41，第三金属段41设于第一介质板1背向第二介质板2一侧，或者设于第二介质板2背向第一介质板1一侧，即第二天线4的第三金属段41和第一天线3分布于不同的介质层，通过介质层的厚度提高第一天线3和第二天线4之间的端口隔离度。更具体地，第一天线3的馈电点310为其中一个第一金属段31靠近第一介质板1、第二介质板2的边缘一端，第二天线4的馈电点410为第三金属段41靠近第一介质板1、第二介质板2的边缘一端。第三金属段41设于两个第一金属段31之间，且两个第一金属段31、第三金属段41均平行设置，第一天线3工作在一个波长的谐振模式时，两个第一金属段31的电流耦合至两者间的第三金属段41，由于两个第一金属段31的电流相反，那么耦合至第三金属段41时，这两个电流则相互抵消，减小了对第二天线4的影响，提高了第一天线3和第二天线4之间的隔离度。
上述实施例中的高隔离度天线对100，包括第一介质板1、第二介质板2、第一天线3和第二天线4，第一天线3夹设于第一介质板1和第二介质板2之间，第一天线3包括两个第一金属段31和第二金属段32，第二天线4包括一个第三金属段41，第三金属段41设于第一介质板1背向第二介质板2一侧或者第二介质板2背向第一介质板1一侧，且第三金属段41设于两个第一金属段31之间，两个第一金属段31和第三金属段41相互平行，这样，当第一天线3工作在一个波长的谐振模式时，两个第一金属段31的电流走线相反，两个第一金属段31的电流耦合至第三金属段41时，电流相互抵消，使两个电流耦合至第三金属段41后自中和，在第一天线3和第二天线4距离较近的情况下，即天线对尺寸较小的情况下也可保证第一天线3和第二天线4之间较好的端口隔离度；而且第一天线3和第三金属段41不在同一层介质板走线，通过介质层的厚度进一步提高了第一天线3和第二天线4之间的端口隔离度。
具体地，如图4所示，第一天线3工作在一个波长的谐振模式时，A点为馈电点310，E点为阻抗匹配点，匹配电阻为50Ω，图4中的箭头的长度及方向代表电流的大小及方向。馈电点310所在的第一金属段31为AB段，另一个第一金属段31为CD段，其中AB段内的电流为IAB，CD段内的电流为ICD，当IAB耦合至第三金属段41内后，电流值为IAB’，当ICD耦合至第三金属段41内后，电流值为ICD’,IAB’和ICD’的电流方向相反，第三金属段41内的电流I21=IAB’+ICD’=k1IAB+k2ICD。其中，k1是图4中AB段和第三金属段41之间的电流耦合系数，其大小主要与AB段和第三金属段41之间的距离及两个金属枝节的相对位置有关，k2是图4中AB段和第三金属段41之间的电流耦合系数，其大小主要与CD段和第三金属段41之间的距离及上述两者的上下相对位置有关。
请参阅图1及图2，在其中一个实施例中，第三金属段41与两个第一金属段31的距离相等，这样，两个第一金属段31耦合至第三金属段41内时的电流也大致相等，尽可能地抵消两个第一金属段31对第三金属段41的影响，从而增加第一天线3和第二天线4的端口隔离度。当然，两个第一金属段31和第三金属段41的距离大致相等也在本发明的保护范围之内。
请参阅图1及图2，在其中一个实施例中，两个第一金属段31的长度相同。更具体地，两个第一金属段31的其中一端均靠近第一介质板1和第二介质板2的边缘设置，两个第一金属段31的另一端相互平齐。使得两个第一金属段31的电流耦合至第三金属段41时，其中一个第一金属段31每一段内的电流耦合至第三金属段41时，另一个第一金属段31均具有与上述对应的耦合电流，从而使两个第一金属段31中的每一段的电流耦合至第三金属段41时，均可相互抵消。当然，两个第一金属段31的长度大致相同也在本发明的保护范围之内。
可选地，两个第一金属段31的宽度不同。示例性地，当AB段的宽度小于CD段的宽度时，这种不平衡性正好能抵消环天线馈电是带来的微量不平衡性，可以使整体的环天线和单极子天线的隔离度更好。示例性地，AB段的宽度为0.2mm，CD段的宽度为0.4mm。
请参阅图1至图3，在其中一个实施例中，第二天线4还包括第四金属段42和第五金属段43，第三金属段41、第四金属段42及第五金属段43依次连接，且第四金属段42贯穿第一介质板1和第二介质板2设置。这样，使得第二天线4折弯设置，在第二天线4的长度较长时，可使用该实施例中的结构将其弯折成U字形，减小第二天线4所占用的体积，使第二天线4穿过第一介质板1及第二介质板2并延伸形成第五金属段43。第四金属段42可为金属过孔，用于连接第三金属段41和第五金属段43。其中，第三金属段41设于第一介质板1背向第二介质板2一侧，第五金属段43设于第二介质板2背向第一介质板1一侧，或者，第五金属段43设于第一介质板1背向第二介质板2一侧，第三金属段41设于第二介质板2背向第一介质板1一侧。第五金属段43的长度此处不作限定。
更进一步地，第四金属段42垂直于第一介质板1及第二介质板2设置，第四金属段42为金属过孔，垂直于第一介质板1和第二介质板2设置更容易加工。而且在该实施例中，第三金属段41和第五金属段43相对于第一天线3所在的平面对称设置，第五金属段43也位于两个第一金属段31之间。可选地，第五金属段43和两个第一金属段31之间的距离也相等。
可选地，第一介质板1和第二介质板2的材质可选为相同或者不同，根据实际生产需求选定。例如，第一介质板1的材质为Rogers 4350B，第二介质板2的材质为Rogers 5880。
请参阅图1及图2，在其中一个实施例中，第二金属段32呈半封闭框状，且第二金属段32具有相邻设置的首端和尾端，两个第一金属段31分别连接于第二金属段32的首端和尾端。第一金属段31、第二金属段32和第一金属段31依次连接，使电流的方向为上述连接方向。其中一个第一金属段31靠近第一介质板1、第二介质板2一端为馈电点310。
更进一步地，第一天线3为环天线或偶极子天线，第二天线4为单极子天线，一个环天线/一个偶极子天线和一个单极子天线为一个天线对。从天线的方向性能来说，环天线/偶极子天线和单极子天线的方向图是近似正交的。因此，虽然第一天线3和第二天线4的距离较近，但是两个天线之间的ECC仿真值小于0.1，实现了较好的空间隔离度。
请参阅图1至图3，在其中一个实施例中，第一天线3以第二天线4所在的平面为中心面对称设置。这样，对第一天线3馈电形成的电流也以第二天线4所在的平面为中心面对称设置，则第二金属段32耦合至第三金属段41的电流也可相互抵消和中和，尽可能地消除第一天线3对第二天线4的影响。
请参阅图5至图8，本发明还提供一种MIMO天线系统，MIMO天线系统包括上述任一实施例中的高隔离度天线对100。
本发明提供的MIMO天线系统，采用了上述实施例中的高隔离度天线对100，高隔离度天线对100包括第一介质板1、第二介质板2、第一天线3和第二天线4，第一天线3夹设于第一介质板1和第二介质板2之间，第一天线3包括两个第一金属段31和第二金属段32，第二天线4包括一个第三金属段41，第三金属段41设于第一介质板1背向第二介质板2一侧或者第二介质板2背向第一介质板1一侧，且第三金属段41设于两个第一金属段31之间，两个第一金属段31和第三金属段41相互平行，这样，当第一天线3工作在一个波长的谐振模式时，两个第一金属段31的电流走线相反，两个第一金属段31的电流耦合至第三金属段41时，电流相互抵接，使两个电流耦合至第三金属段41后自中和，从而保证了第一天线3和第二天线4之间较好的端口隔离度；而且第一天线3和第三金属段41不在同一层介质板走线，通过介质层的厚度进一步提高了第一天线3和第二天线4之间的端口隔离度。
在其中一个实施例中，请参阅图5，MIMO天线系统包括两个高隔离度天线对100，即4MIMO天线，4MIMO天线系统的尺寸如图5所示，尺寸单位为毫米。天线系统的两侧分别设置有一个高隔离度天线对100，每个高隔离度天线对100包括一个天线对，即第一天线3和第二天线4。在该实施例中，第一天线3和第二天线4的尺寸如图2及图3所示，图2及图3中标识的尺寸单位为毫米，且AB段的宽度为0.2mm，CD段的宽度为0.4mm。图6为该实施例的S参数仿真结果。图6中横轴为频率（GHz），纵轴为特定端口的反射系数和不同端口间的传输系数的幅值（dB）。具体地，在该实施例的天线系统中，其中一侧的天线对中第一天线3的馈电点为端口1，该天线对中的第二天线4的馈电点为端口2，另一侧的天线对中第一天线3的馈电点为端口3，该天线对中的第二天线4馈电点为端口4。图6中Sab指端口a和b之间的传输系数，也就是ab端口间的隔离度，而Saa表示端口a的反射系数。例如，如S12为端口1和端口2之间的反射系数，S11为端口1的反射系数。高隔离度天线对100在4.8GHz-5.0GHz频段内实现了S11小于-10dB，隔离度大于25dB这一性能。
在其中一个实施例中，请参阅图7, MIMO天线系统包括两个高隔离度天线对100及四个第一天线3，其中一个高隔离度天线对100及两个第一天线3设于终端壳体的其中一侧，另一个高隔离度天线对100和剩余两个第一天线3设于终端壳体的另外一侧。更具体地，其中一个第一天线3、高隔离度天线、另一个第一天线3依次排列于天线系统的其中一侧。
在另一个实施例中，请参阅图8，MIMO天线系统包括四个高隔离度天线对100及两个第一天线3，其中两个高隔离度天线对100及一个第一天线3设于终端壳体的其中一侧，另外两个高隔离度天线对100和剩余一个第一天线3设于终端壳体的另外一侧。更具体地，其中一个高隔离度天线对100、第一天线3及另一个高隔离度天线对100依次排列于天线系统的其中一侧。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.高隔离度天线对，其特征在于：包括第一介质板、第二介质板、第一天线和第二天线，所述第一介质板和所述第二介质板层叠设置，所述第一天线夹设于所述第一介质板和所述第二介质板之间，所述第一天线包括两个第一金属段以及连接两个所述第一金属段的第二金属段，所述第二天线包括第三金属段，所述第三金属段设于所述第一介质板背向所述第二介质板一侧或者所述第二介质板背向所述第一介质板一侧，所述第三金属段设于两个所述第一金属段之间，且两个所述第一金属段、所述第三金属段均平行设置，使两个所述第一金属段上的电流耦合至所述第三金属段时，两个所述第一金属段的电流相互抵消；两个所述第一金属段的一端均靠近边缘设置，所述第二金属段的两端分别连接两个第一金属段的另外一端。
2.如权利要求1所述的高隔离度天线对，其特征在于：所述第三金属段与两个所述第一金属段的距离相等。
3.如权利要求1所述的高隔离度天线对，其特征在于：两个所述第一金属段的长度相同。
4.如权利要求1所述的高隔离度天线对，其特征在于：所述第二天线还包括第四金属段及第五金属段，所述第三金属段、所述第四金属段及所述第五金属段依次连接，且所述第四金属段贯穿所述第一介质板和所述第二介质板设置；
所述第三金属段设于所述第一介质板背向所述第二介质板一侧，所述第五金属段设于所述第二介质板背向所述第一介质板一侧，或者，所述第五金属段设于所述第一介质板背向所述第二介质板一侧，所述第三金属段设于所述第二介质板背向所述第一介质板一侧。
5.如权利要求4所述的高隔离度天线对，其特征在于：所述第四金属段垂直于所述第一介质板及所述第二介质板设置。
6.如权利要求4所述的高隔离度天线对，其特征在于：所述第二金属段呈半封闭框状，且所述第二金属段具有相邻设置的首端和尾端，两个所述第一金属段分别连接于所述第二金属段的首端和尾端。
7.如权利要求6所述的高隔离度天线对，其特征在于：所述第一天线以所述第二天线所在的平面为中心面对称设置。
8.如权利要求1-7任一项所述的高隔离度天线对，其特征在于：所述第一天线为环天线或偶极子天线，所述第二天线为单极子天线。
9.MIMO天线系统，其特征在于：包括权利要求1-8任一项所述的高隔离度天线对。
10.如权利要求9所述的MIMO天线系统，其特征在于：所述MIMO天线系统还包括至少一对所述第一天线。
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