CN112563730B - 适用于5g全频段通信的高隔离度超宽带mimo天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于5G全频段通信的高隔离度超宽带MIMO天线，包括介质基板、金属地板和辐射单元，金属地板设置于介质基板背面，辐射单元包括结构完全相同的第一辐射单元、第二辐射单元、第三辐射单元和第四辐射单元，四个辐射单元通过折叠，相互正交设置在介质基板四周，且四个辐射单元分别通过四个同轴馈电端口采用同轴馈电的方式进行馈电。本发明工作频段覆盖了超宽带频段，应且在整个频段具有高隔离度；对辐射单元进行折叠，不仅缩减了MIMO天线的尺寸，利于该MIMO天线放置在手机中应用，而且有利于天线的全向性辐射；满足了不同频段的通信需求，提高通讯信号的输入输出强度。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术，具体涉及一种适用于5G全频段通信的高隔离度超宽带MIMO天线，主要应用于无线通讯系统。
背景技术
在过去几十年时间，移动通信从第一代(1Generation,1G)的语音业务到第四代(4generation,4G)移动宽带数据业务的发展历程，每一次技术革新都极大的改变了人类的生活，也有力促进了社会发展。目前，4G已经商用，技术也趋于成熟，第五代通信技术(5Generation,5G)作为面向未来新需求的新一代通信技术，与传统的第四代移动通信技术相比，具有更高的数据传输速率以及更宽的带宽，能够大幅提升频谱效率。但是，4G移动通信在现代应用中仍然发挥着不可替代的作用，5G全频段通信将长期共存，以满足人类不同应用场景下的通信需求。
MIMO(多输入多输出：Multi Input Multi Output)技术是为极大提高信道容量，在发送端和接收端都使用多根天线，在收发之间构成多个信道的天线系统。MIMO系统的一个明显特点就是具有较高的频谱利用效率，可实现在同一工作带宽内同时发送或者接收多路并行的数据流，并结合时空处理技术来获得较高的增益和复用增益，最终成倍的提高系统的信道容量和可靠性，其代价是增加了发送端与接收端的处理复杂度。
现代和未来的无线通讯系统具有广泛的应用场景，如智能家居、机器通信、远程医疗虚拟现实(Virtual Reality,VR)等，这都要求无线通讯系统能够在多种通信制式标准下的多个通信频段内工作，如GPS、WLAN、Wi-Fi、WiMAX、GMS、CDMA和LET等。因此设计一种能够工作在4G/5G通信频段的高隔离度宽带的MIMO天线不仅能够满足现代无线通信高通信容量的要求，还能适应现代通信设备抗干扰的需求，是当前非常具有研究价值的研究课题。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种适用于5G全频段通信的高隔离度超宽带MIMO天线，用于满足不同频段的通信需求，提高通讯信号的输入输出强度。
技术方案：本发明的一种适用于5G全频段通信的高隔离度超宽带MIMO天线，用于满足不同频段通信需求，提高通讯信号的输入输出强度。包括介质基板、金属地板和辐射单元，金属地板设置于介质基板背面，辐射单元包括结构完全相同的第一辐射单元、第二辐射单元、第三辐射单元和第四辐射单元，四个辐射单元通过折叠，相互正交设置在介质基板四周，且四个辐射单元分别通过四个同轴馈电端口采用同轴馈电的方式进行馈电。辐射单元采用正交设置的方法，有利于提高辐射单元间的隔离度。四个辐射单元折叠设置在介质基板四周，不仅能够缩减MIMO天线的尺寸，利于该MIMO天线放置在手机中应用，而且有利于天线的全向性辐射。
优选的，四个辐射单元为辐射贴片，包括弯折“L”型枝节、倒“F”型枝节和一个寄生单元，产生超宽带的工作频带；弯折“L”型枝节和倒“F”型枝节折叠后一部分位于介质基板正面，另一部分位于介质基板侧面，寄生单元设置于弯折“L”型枝节和倒“F”型枝节之间，且相互间隔，弯折“L”型枝节位于介质基板正面的一端设有短路过孔通向金属地板接地；倒“F”型枝节位于介质基板正面的一端设有同轴馈电端口，该馈电端口与金属地板连通，采用同轴馈电的方式对天线馈电。弯折“L”型枝节和倒“F”型枝节相互耦合，形成双频工作频段，通过调整两个枝节的宽度和弯折程度，可以有效调节双频工作频点。寄生单元加载于弯折的“L”型和倒“F”型枝节的间隙，寄生单元的引入使原先谐振频点附近激励出新的谐振模，从而拓展了天线的阻抗带宽，形成超宽带，使该MIMO天线工作频段覆盖5G全频段频段。
优选的，通过调整弯折“L”型枝节的宽度和弯折程度、倒“F”型枝节的枝节宽度和F臂的长度，能够调整天线双频的谐振频点，其中，弯折“L”型枝节的弯折程度是指与设有短路过孔贴片相连并折叠到介质基板侧面一段贴片的长度。
优选的，通过调节寄生单元的长度和宽度，能够调节新激励出的谐振频点，使该MIMO天线工作在超宽带频段。
优选的，金属地板上设有两个“工”型槽、两块矩形缺陷、两个双环形开口槽和两个斜开口槽，第一“工”型槽设置于第一辐射单元和第四辐射单元之间，第二“工”型槽设置于第二辐射单元和第三辐射单元之间，达到提高两个辐射单元间隔离度的目的；第一矩形缺陷和第一双环形开口槽设置于第一辐射单元和第二辐射单元之间，第二矩形缺陷和第二双环形开口槽设置于第三辐射单元和第四辐射单元之间，达到提高两个辐射单元间隔离度的目的；第一矩形缺陷与第一双环形开口槽的外环相连，第二矩形缺陷与第二双环形开口槽的外环相连；第一斜开口槽与第一双环形开口槽的外环相连，第二斜开口槽与第二双环形开口槽的外环相连。对于该MIMO天线来说，在空余的金属地板上开槽不会占据额外的空间且易加工，在不影响天线工作频带的情况下对MIMO天线解耦，减弱通过金属地板传输耦合到其他馈电端口的电磁能量。这些金属地板缝隙可以作为一种慢波结构使信号的波长减小，相当于增加了MIMO天线单元间的有效电长度，抑制因金属地板表面波引起的相互耦合，进而增强隔离度。
优选的，第一“工”型槽、第一矩形缺陷和第一双环形开口槽与第二“工”型槽、第二矩形缺陷和第二双环形开口槽关于介质基板中轴呈旋转对称。
优选的，第一“工”型槽和第二“工”型槽的长边的长度设置在1mm至24mm范围内，短边的长度设置在1mm至16mm范围内。“工”型槽通过改变电流流向来提高隔离度，其中长边提供主要反向电流，短边起到补偿作用。通过调节“工”型槽的开槽长度，可以调节第一辐射单元和第四辐射单元、第二辐射单元和第三辐射单元间的隔离度。
优选的，第一矩形缺陷和第二矩形缺陷的结构呈正方形结构，边长为5mm至25mm。矩形缺陷延长了第一馈电端口到第二馈电端口的电流路径，有效提高较高工作频段隔离度。
优选的，第一斜开口槽和第二斜开口槽的倾斜角度为45°，长度为1mm至8mm，能够在不影响工作带宽的情况下，提高辐射单元间的隔离度。
优选的，第一双环形开口槽和第二双环形开口槽的长度为需要屏蔽中心频率的1/4波长，此时对应电流回流入谐振环，起到隔离的作用。双环形开口槽和斜开口槽提高了较低工作频段的隔离度。
本发明工作频段覆盖了超宽带频段，应且在整个频段具有高隔离度；对辐射单元进行折叠，利于该MIMO天线放置在手机中应用，而且有利于天线的全向性辐射。
有益效果：与现有技术相比，本发明通过对辐射单元进行折叠，有效缩减MIMO天线尺寸，有利于放置在手机中应用；通过调节弯折“L”型枝节、倒“F”型枝节和一个寄生单元的尺寸参数，获得1.9GHz-5GHz的超宽带工作频段，覆盖5G全频段主要工作频段；在金属地板上开设多个隔离槽能够进一步提高天线在工作频段内的隔离度，使端口间的隔离度小于-15dB。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的MIMO天线的正面总体结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的MIMO天线的背面结构示意图；
图3为本发明一实施例提供的MIMO天线的后视图；
图4为本发明一实施例提供的MIMO天线的侧视图；
图5为矩形缺陷和双环形开口槽的局部放大图；
图6图1所示的MIMO天线第一辐射单元的回波损耗图；
图7图1所示的MIMO天线各端口间的隔离度；
图8为1所示的MIMO天线第一端口馈电时在2.4GHz工作的天线辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
由图1至图5可知，本实施提供的MIMO天线，主要包括介质基板1、四个结构完全相同的辐射单元和金属地板2，金属地板为金属贴片结构，设置于介质基板背面，所述四个辐射单元通过折叠，相互正交设置在介质基板四周，采用同轴馈电的方式进行馈电。该MIMO天线通过同轴接头外加电源，给天线提供辐射能量，通过利用空间的资源，不同天线进行多方面、多方位的接收，它可以在不改变频率与功率的前提下，大幅度或者成倍的增大通讯系统的容量。
所述辐射单元为辐射贴片，包括弯折“L”型枝节41、倒“F”型枝节43和一个寄生单元42；弯折“L”型枝节和倒“F”型枝节折叠后一部分位于介质基板正面，另一部分位于介质基板侧面，寄生单元设置于弯折“L”型枝节和倒“F”型枝节之间，且相互间隔，弯折“L”型枝节位于介质基板正面的一端设有短路过孔301通向金属地板接地；倒“F”型枝节位于介质基板正面的一端设有同轴馈电端口302，该同轴馈电端口与金属地板的通孔201连通。
所述金属地板上设有两个“工”型槽、两块矩形缺陷、两个双环形开口槽和两个斜开口槽；所述第一“工”型槽21设置于第一辐射单元3和第四辐射单元6之间，第二“工”型槽22设置于第二辐射单元4和第三辐射单元5之间，达到提高两个辐射单元间隔离度的目的；所述第一矩形缺陷23和第一双环形开口槽25设置于第一辐射单元3和第二辐射单元4之间，第二矩形缺陷24和第二双环形开口槽26设置于第三辐射单元5和第四辐射单元6之间，达到提高两个辐射单元间隔离度的目的；第一矩形缺陷与第一双环形开口槽的外环相连，第二矩形缺陷与第二双环形开口槽的外环相连；第一斜开口槽27与第一双环形开口槽的外环相连，第二斜开口槽28与第二双环形开口槽的外环相连。第一“工”型槽、第一矩形缺陷和第一双环形开口槽与第二“工”型槽、第二矩形缺陷和第二双环形开口槽关于介质基板中轴呈旋转对称。
对于该MIMO天线来说，在空余的金属地板上开槽不会占据额外的空间且易加工，在不影响天线工作频带的情况下对MIMO天线解耦，减弱通过金属地板传输耦合到其他馈电端口的电磁能量。这些金属地板缝隙可以作为一种慢波结构使信号的波长减小，相当于增加了MIMO天线单元间的有效电长度，抑制因金属地板表面波引起的相互耦合，进而增强隔离度。
所述四个辐射单元、金属地板为导电结构，其材质可以是，但是不限于铝、铜等金属或者导电浆料等等。
于本实施例中，如图1所示是本实施例辐射单元的正面总体结构示意图；所述介质基板均采用介电常数为4.4的FR4材质，长度为120mm，宽度为65mm，侧面折叠高度为13mm。可见，所述MIMO天线适合放置在手机中应用于移动通信终端。
第一“工”型槽和第二“工”型槽的长边的长度设置在1mm至24mm范围内，短边的长度设置在1mm至16mm范围内。“工”型槽通过改变电流流向来提高隔离度，其中长边提供主要反向电流，短边起到补偿作用。通过调节“工”型槽的开槽长度，可以调节第一辐射单元和第四辐射单元、第二辐射单元和第三辐射单元间的隔离度。第一矩形缺陷和第二矩形缺陷的结构呈正方形结构，边长为5mm至25mm。矩形缺陷延长了第一馈电端口到第二馈电端口的电流路径，有效提高较高工作频段隔离度。第一斜开口槽和第二斜开口槽的倾斜角度为45°，长度为1mm至8mm，能够在不影响工作带宽的情况下，提高辐射单元间的隔离度。第一双环形开口槽和第二双环形开口槽的长度为需要屏蔽中心频率的1/4波长，此时对应电流回流入谐振环，起到隔离的作用。双环形开口槽和斜开口槽提高了较低工作频段的隔离度。
于本实施例中，四个辐射单元，均包括弯折“L”型枝节、倒“F”型枝节和一个寄生单元，产生超宽带的工作频带。本实施例通过调整弯折“L”型枝节的宽度和弯折程度、倒“F”型枝节的枝节宽度和F臂的长度，可以调整天线双频的谐振频点，弯折“L”型枝节的弯折程度是指与设有短路过孔贴片相连并折叠到介质板侧面一段贴片的长度；通过调节寄生单元的长度和宽度，可以调节新激励出的谐振频点，使该MIMO天线工作在超宽带频段。从图6第一个辐射单元的反射系数S11可以看出，该天线-10dB带宽能够覆盖1.9GHz-5GHz频段，实现超宽带其带宽能够覆盖5G全频段主要工作频段。
于本实施例中，图7为MIMO天线各馈电端口间的隔离度，由S12可以看出矩形缺陷、双环形开口槽和斜开口槽，使得第一馈电端口和第二馈电端口间的隔离度优于15dB；由于第一馈电端口和第三馈电端口间的距离较远，由S13可以看出，两馈电端口间隔离度优于20dB；由S23可以看出，增加“工”型槽后，第二馈电端口和第三馈电端口间的隔离度优于12dB。
于本实施例中，如图8所示，2.4GHz为WLAN主要通信频段，从图中可以看出，天线在2.4GHz时的辐射方向图是对称的，并且H面方向图趋于传统的全向辐射，E面方向图类似于“8”字形，说明设计的超宽带天线具有良好的辐射特性。
本发明MIMO天线通过折叠缩减天线尺寸，有利于该MIMO天线放置在手机中应用于5G全频段移动通信终端；通过调节辐射单元的尺寸和枝节间的耦合度，调节工作频点，从而拓展带宽；利用在金属地板上开槽的方法，在不增加天线尺寸的情况下，改善各端口间的隔离度。本发明天线，具有小型化、加工成本较低的优势；超宽带工作频段能够满足不同频段的通信需求，提高通讯信号的输入输出强度。该天线工作频段覆盖了超宽带频段，应且在整个频段具有高隔离度；对辐射单元进行折叠，不仅缩减了MIMO天线的尺寸，利于该MIMO天线放置在手机中应用，而且有利于天线的全向性辐射。
Claims (8)
1.一种适用于5G全频段通信的高隔离度超宽带MIMO天线，其特征在于，包括介质基板(1)、金属地板(2)和辐射单元，金属地板设置于介质基板背面，辐射单元包括结构完全相同的第一辐射单元(3)、第二辐射单元(4)、第三辐射单元(5)和第四辐射单元(6)，四个辐射单元通过折叠，相互正交设置在介质基板四周，且四个辐射单元分别通过四个同轴馈电端口采用同轴馈电的方式进行馈电；
四个辐射单元为辐射贴片，包括弯折“L”型枝节(41)、倒“F”型枝节(43)和一个寄生单元(42)，弯折“L”型枝节和倒“F”型枝节分别进行折叠，弯折“L”型枝节和倒“F”型枝节折叠后一部分位于介质基板正面，另一部分位于介质基板侧面，寄生单元设置于弯折“L”型枝节和倒“F”型枝节之间，且相互间隔，弯折“L”型枝节位于介质基板正面的一端设有短路过孔(301)通向金属地板接地；倒“F”型枝节位于介质基板正面的一端设有同轴馈电端口(302)，该馈电端口与金属地板连通；
金属地板上设有两个“工”型槽、两块矩形缺陷、两个双环形开口槽和两个斜开口槽，第一“工”型槽(21)设置于第一辐射单元和第四辐射单元之间，第二“工”型槽(22)设置于第二辐射单元和第三辐射单元之间；第一矩形缺陷(23)和第一双环形开口槽(25)设置于第一辐射单元和第二辐射单元之间，第二矩形缺陷(24)和第二双环形开口槽(26)设置于第三辐射单元和第四辐射单元之间；第一矩形缺陷与第一双环形开口槽的外环相连，第二矩形缺陷与第二双环形开口槽的外环相连；第一斜开口槽(27)与第一双环形开口槽的外环相连，第二斜开口槽(28)与第二双环形开口槽的外环相连。
2.根据权利要求1所述的适用于5G全频段通信的高隔离度超宽带MIMO天线，其特征在于，通过调整弯折“L”型枝节的宽度和弯折程度、倒“F”型枝节的枝节宽度和F臂的长度，能够调整天线双频的谐振频点，其中弯折“L”型枝节的弯折程度是指与设有短路过孔贴片相连并折叠到介质基板侧面一段贴片的长度。
3.根据权利要求1所述的适用于5G全频段通信的高隔离度超宽带MIMO天线，其特征在于，通过调节寄生单元的长度和宽度，能够调节新激励出的谐振频点，使该MIMO天线工作在超宽带频段。
4.根据权利要求1所述的适用于5G全频段通信的高隔离度超宽带MIMO天线，其特征在于，第一“工”型槽、第一矩形缺陷和第一双环形开口槽与第二“工”型槽、第二矩形缺陷和第二双环形开口槽关于介质基板中轴呈旋转对称。
5.根据权利要求1所述的适用于5G全频段通信的高隔离度超宽带MIMO天线，其特征在于，第一“工”型槽和第二“工”型槽的长边的长度设置在1mm至24mm范围内，短边的长度设置在1mm至16mm范围内。
6.根据权利要求1所述的适用于5G全频段通信的高隔离度超宽带MIMO天线，其特征在于，第一矩形缺陷和第二矩形缺陷的结构呈正方形结构，边长为5mm至25mm。
7.根据权利要求1所述的适用于5G全频段通信的高隔离度超宽带MIMO天线，其特征在于，第一斜开口槽和第二斜开口槽的倾斜角度为45°，长度为1mm至8mm。
8.根据权利要求1所述的适用于5G全频段通信的高隔离度超宽带MIMO天线，其特征在于，第一双环形开口槽和第二双环形开口槽的长度为需要屏蔽中心频率的1/4波长。
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