CN112490665A - 一种斜边阶跃变化三角形金属辐射贴片多频微带mimo天线 - Google Patents
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Abstract
一种斜边阶跃变化三角形金属辐射贴片多频微带MIMO天线，包括设置在矩形介质基板上的两个相同的天线单元，矩形介质基板的上表面刻蚀第一天线单元和第二天线单元的馈电结构和辐射结构，矩形介质基板的下表面覆盖金属构成第一天线单元和第二天线单元的共用接地板；馈电结构为由矩形介质基板的边沿向内延伸设置的矩形微带馈电传输线，辐射结构为直角三角形辐射贴片，直角三角形辐射贴片的一条直角边与矩形微带馈电传输线在一条直线上，直角三角形辐射贴片的斜边是阶跃变化的，且斜边朝向外侧设置；两个天线单元旋转对称。本发明扩展了天线的谐振频点，提高了天线单元间的隔离度以及远程辐射增益。
Description
技术领域
本发明属于无线通讯领域，具体涉及一种斜边阶跃变化三角形金属辐射贴片多频微带MIMO天线。
背景技术
第五代移动通信技术与第四代移动通信虽然只在数据传输速率、网络容量和延时等三个方面得到优化。但是。5G移动通信支持0.1～1Gpbs的用户体验速率，每平方公里一百万的连接数密度，毫秒级的端延时，每平方公里数10Tbps的流量密度，500km/h以上的移动性能和20Gbps的峰值速率。上述指标相对于4G移动通信系统，不是微小的量的变化，是根本性的质变。根据ITU-R(国际电信联盟无线电通信部门)为5G定义了eMBB(Enhance MobileBroadband)、uRLLC(Ultra Reliable Low Latency Communications)及mMTC(MassiveMachine Type Communications)三大应用场景。eMBB，即增强移动宽带，主要是指4K/8K高清视频、AR/VR游戏、3D全息、智慧金融等移动互联网大流量类级应用。uRLLC，即超高可靠和低延时，主要是指工业制造、远程医疗、自动驾驶、智慧交通、智能电网、智慧工厂、智慧矿山等对可靠性和时延有极高要求的行业应用。mMTC，即海量机器类通信，主要是指智能家居、智慧城市及大面积环境监控等以海量传感器为主的应用场景。
大数据高速传输的保障技术之一为Massive MIMO技术，即无线通信收发设备间通过增加天线数量建立多条数据传输通路，即增加数量的传输通道，从而极大地提高数据的传输速率。MIMO技术，即多输入多输出技术在4G无线移动通信系统中已经得到了一定的应用。但是在4G系统中的智能移动终端的天线单元个数往往比较少，在基站端的天线数目已经较多。5G系统中的Massive MIMO技术，要求天线的数量达到几十、甚至几百个，若不改变当前5G无线移动通信频率，要在5G智能移动终端布置几十、甚至几百个天线，几乎不太可能。基站端几乎没有空间的限制，天线的数目可以实现系统的要求。虽然4G和5G的MIMO系统区别很大，但是要解决的很多技术问题却是相同的，比如降低MIMO系统中天线单元间的耦合度，增加天线单元间的独立性是相同的。而且Massive MIMO天线系统间的独立性问题首先是考虑任意两个天线间的独立性问题开始，只有系统中任意两个天线单元间都实现了低耦合和高隔离才算是高隔离度的Massive MIMO系统。
多频天线能够同时工作在多个频点处，一个多频天线可以取代多个单频天线，所以多频天线能减小无线通信设备体积，是实现小型化的最有效途径之一。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中平面天线工作频点单一，多频天线结构过于复杂，多枝节天线辐射增益较低等问题，提供一种斜边阶跃变化三角形金属辐射贴片多频微带MIMO天线，扩展天线的谐振频点，提高了天线单元间的隔离度以及远程辐射增益。
为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
一种斜边阶跃变化三角形金属辐射贴片多频微带MIMO天线，包括设置在矩形介质基板上的两个相同的天线单元，矩形介质基板的上表面刻蚀第一天线单元和第二天线单元的馈电结构和辐射结构，矩形介质基板的下表面覆盖金属构成第一天线单元和第二天线单元的共用接地板；馈电结构为由矩形介质基板的边沿向内延伸设置的矩形微带馈电传输线，辐射结构为直角三角形辐射贴片，直角三角形辐射贴片的一条直角边与矩形微带馈电传输线在一条直线上，直角三角形辐射贴片的斜边是阶跃变化的，且斜边朝向外侧设置；两个天线单元旋转对称。
优选的，所述的矩形介质基板的组成材料为聚四氟乙烯，其相对介电常数为4.4±2％，损耗角正切为0.02±2％。
优选的，所述的两个天线单元以矩形介质基板的上表面中心点为中心旋转对称。
优选的，所述两个天线单元的矩形微带馈电传输线以及连接的直角三角形辐射贴片的直角边相互平行，并且两个直角三角形辐射贴片两个平行的直角边与矩形介质基板的上表面中心线之间以及矩形介质基板的上表面边界之间的距离均相等。
优选的，所述的直角三角形辐射贴片中所有阶跃变化台阶的水平段长度之和等于水平直角边的长度，所有阶跃变化台阶的竖直段长度之和等于竖直直角边的长度。
优选的，所述的直角三角形辐射贴片中所有阶跃变化台阶个数不小于10。
优选的，所述直角三角形辐射贴片连接矩形微带馈电传输线的一条直角边长度大于另一条直角边。
相较于现有技术，本发明至少具有如下的有益效果：利用斜边阶跃变化(台阶)形式的直角三角形作为金属辐射贴片，而且阶跃变化的斜边向外，引导金属辐射贴片的电流向原理另一个天线单元的方向流动，极大地提高了第一天线单元和第二天线单元间端口的隔离度，降低了两个天线单元间的端口耦合系数。再者，将金属直角三角形的斜边变为阶跃(台阶)形式，增加了天线的谐振频点，在1±2％GHz～7±2％GHz范围内产生了三个谐振频点，将该MIMO天线系统中每个天线单元都变为一个多频天线。除此之外，本发明设计的多频微带MIMO天线在每个谐振频点上的远程辐射增益都较大，三个谐振频点处的最小辐射增益达到6.0±2％dBi，最大达到8.65±2％dBi，是该MIMO天线成为一个高增益MIMO天线。
附图说明
图1为本发明天线的俯视结构示意图；
图2为本发明天线的侧视结构示意图；
图3为本发明天线的仰视结构示意图；
图4为利用三维电磁仿真软件对本发明天线分析所得端口散射参数(S11、S12/S21、S22)随频率变化曲线图；其中曲线a为第一天线单元端口反射系数(S11)随频率变化曲线图，曲线b为第二天线单元的端口反射系数(S22)随频率变化曲线图，曲线c为第一天线单元和第二天线单元端口间的能量传输系数，即天线单元间的隔离度随频率变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
为了解决微带MIMO天线谐振频点单一、多频MIMO天线端口隔离端过低以及频带内远程辐射增益较低等等的问题，本发明设计的二单元微带MIMO天线利用直角三角形作为主要辐射贴片，并且将直角三角形面向外侧的斜边该表为阶跃(台阶)变化的形式，将一个普通的二单元微带MIMO天线变为三频、高隔离度、高远场辐射增益的二单元微带MIMO天线。根据谐振频点，该二单元MIMO天线能够应用在5G无线移动通信系统中。
参见图1-3，本发明天线有一块矩形介质基板10。矩形介质基板10的上表面刻蚀第一天线单元和第二天线单元的馈电结构和辐射结构，矩形介质基板10的下表面全部覆盖金属结构，构成第一天线单元和第二天线单元的共用接地板15。第一天线单元的第一矩形微带馈电传输线11位于矩形介质基板10的上表面下侧边界中心的右侧。第一天线单元的第一直角三角形辐射贴片12的一条直角边与第一矩形微带馈电传输线11在一条直线上。因为第一直角三角形辐射贴片12的斜边是阶跃(台阶)变化的，因此第一直角三角形辐射贴片12的两个锐角都变为直角，其中直角的一个边长较短。第一矩形微带馈电传输线11与第一直角三角形辐射贴片12阶跃变化的两端连接，并且保证阶跃变化的斜边向外。第一矩形微带馈电传输线11与第一直角三角形辐射贴片12的一个直角边连接成为一条直线，并且该直线与矩形介质基板10的一个边平行。第二天线单元的第二矩形微带馈电传输线21位于矩形介质基板10的上表面上侧边界中心点左侧。第二天线单元的第二直角三角形辐射贴片22的一个直角边与第二矩形微带馈电传输线21在同一条直线上，该直线平行于矩形介质基板10的左右两侧边界，同时平行于第一矩形微带馈电传输线11和第一直角三角形辐射贴片12连接而成的直线。这两条直线到矩形介质基板10上层表面中线点距离相等，且分别与矩形介质基板10左右两侧边界距离相等。第二直角三角形辐射贴片22的斜边同样朝向外侧。第一天线单元和第二天线单元在结构上具有旋转对称性，旋转对称点是矩形介质基板10上表面几何中心点。直角三角形辐射贴片阶跃变化的斜边上有多个台阶，台阶个数不小于10。
上述即完成了本发明设计天线的一次完整的实施。
除此之外，上述实施例中第一天线单元的第一直角三角形金属辐射贴片12阶跃变化的斜边还可以朝向下侧边缘，第二天线单元的第二直角三角形金属辐射贴片22阶跃变化的斜边朝向上侧边缘。此时也能够实现本发明设计天线的各项性能指标，也属于保护范围之内。
本发明斜边阶跃变化三角形金属辐射贴片多频微带MIMO天线实施例的制作方法为：
首先，选择一块长度和宽度都是90±5％mm、厚度为1.6±2％mm的介质基板。介质基板的材料采用最常使用的聚四氟乙烯FR-4，该材料的介电常数为4.4±2％，损耗角正切为0.02±2％。利用电路板印刷技术，在上述介质基板的下侧表面印刷一层厚度很薄的金属银，或者铜等金属导体材料。该金属导体层作为第一天线单元和第二天线单元的接地板。利用电路板印刷技术，在上述介质基板的上表面下侧边缘中心偏右4±2％mm处，印刷一个宽度为2±2％mm，长度为20±5％mm的矩形金属条作为天线单元1的馈电结构，该矩形金属条与介质基板背面的金属接地板构成了微带传输线结构。如图1所示，天线单元1的直角三角形辐射贴片斜边被设计成13个台阶，每个台阶水平段长度都相等，长度为2±2％mm，竖直段长度也同样相等，长度为2±2％mm。则直角三角形两个直角边的长度分别为2mm+2mm*13＝28±5％mm和4mm*13＝52±5％mm。长度为28±5％mm的边距离矩形介质基板上侧边缘18±5％mm，斜边最右端距离矩形介质基板右侧边缘为13±5％mm。利用电路板印刷技术，在矩形介质基板上表面左侧区域印刷与第一天线单元相同的结构成为第二天线单元，第二天线单元的馈电端口位于介质基板上表面上侧边缘中心偏左4±2％mm。直角三角形金属辐射贴片的斜边朝向左侧外方。第一天线单元和第二天线单元在结构上完全相同，构成旋转对称性。
上述即完成本发明设计天线的加工制作。
若需要在实验室内对本发明设计天线进行测试，则需要在第一天线单元和第二天线单元的馈电端口处焊接两个SMA接头，即可进行测试。
利用三维电磁仿真软件HFSS对本发明斜边阶跃变化直角三角形辐射贴片多频MIMO天线进行仿真分析得知，如图4所示，该二单元微带MIMO天线能够在三个不同频点处发生谐振，三个频点分别为3.36±2％GHz、5.18±2％GHz和6.03±2％GHz，即本发明天线是一个三频带天线。在上述三个谐振频点处，天线的远程辐射增益都比较高，分别为6.14±2％dBi、6.62±2％dBi和8.65±2％dBi，所以本发明设计天线是一个高增益多频MIMO天线。同时本发明设计的天线是微带结构天线，具有单向辐射的特征，这也是获得高远程辐射增益的原因之一。除此之外，本发明天线辐射结构比较简单，使用介质基板材料也比较常用，商用成本非常低，加工误差较小。总之，本发明是一个性能良好可大规模得到应用的微带MIMO天线。
以上所述仅仅是本发明的较佳实施例，并不对本发明的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均会落入由权利要求所划定的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种斜边阶跃变化三角形金属辐射贴片多频微带MIMO天线，其特征在于：包括设置在矩形介质基板(10)上的两个相同的天线单元，矩形介质基板(10)的上表面刻蚀第一天线单元和第二天线单元的馈电结构和辐射结构，矩形介质基板(10)的下表面覆盖金属构成第一天线单元和第二天线单元的共用接地板(15)；所述的馈电结构为由矩形介质基板(10)的边沿向内延伸设置的矩形微带馈电传输线，所述的辐射结构为直角三角形辐射贴片，直角三角形辐射贴片的一条直角边与矩形微带馈电传输线在一条直线上，直角三角形辐射贴片的斜边是阶跃变化的，且斜边朝向外侧设置；两个天线单元旋转对称。
2.根据权利要求1所述斜边阶跃变化三角形金属辐射贴片多频微带MIMO天线，其特征在于：矩形介质基板(10)的组成材料为聚四氟乙烯，其相对介电常数为4.4±2％，损耗角正切为0.02±2％。
3.根据权利要求1所述斜边阶跃变化三角形金属辐射贴片多频微带MIMO天线，其特征在于：两个天线单元以矩形介质基板(10)的上表面中心点为中心旋转对称。
4.根据权利要求1所述斜边阶跃变化三角形金属辐射贴片多频微带MIMO天线，其特征在于：两个天线单元的矩形微带馈电传输线以及连接的直角三角形辐射贴片的直角边相互平行，并且两个直角三角形辐射贴片两个平行的直角边与矩形介质基板(10)的上表面中心线之间以及矩形介质基板(10)的上表面边界之间的距离均相等。
5.根据权利要求1所述斜边阶跃变化三角形金属辐射贴片多频微带MIMO天线，其特征在于：直角三角形辐射贴片中所有阶跃变化台阶的水平段长度之和等于水平直角边的长度，所有阶跃变化台阶的竖直段长度之和等于竖直直角边的长度。
6.根据权利要求1或5所述斜边阶跃变化三角形金属辐射贴片多频微带MIMO天线，其特征在于：直角三角形辐射贴片中所有阶跃变化台阶个数不小于10。
7.根据权利要求1所述斜边阶跃变化三角形金属辐射贴片多频微带MIMO天线，其特征在于：直角三角形辐射贴片连接矩形微带馈电传输线的一条直角边长度大于另一条直角边。
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Legal Events
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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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