CN112768919A - 一种高隔离度微带mimo天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用于5G天线防干扰技术领域。本发明公开一种高隔离度微带MIMO天线系统，用于终端设备数据通信，包括设置在介质板上工作频段为1.24GHz‑3.1Ghz的第一天线单元和第二天线单元，所述第一天线单元和第二天线单元结构相同对称设置在介质板上,在第一天线单元和第二天线单元之间设有非对称共面去耦结构。通过调节非对称共面去耦结构中的金属条带，能够使共面金属条带引入的间接耦合场与原有的直接耦合场相对消，从而提高天线间的隔离度。同时，该结构具有较低的福射特性，其所产生的场有相当一部分被束缚在金属条带与地平面之间，这样有利于减弱去耦结构对天线福射场的影响。因此非对称共面条带结构既能够改善天线间的隔离度，又解决了去耦结构恶化天线福射性能的问题。

Description

一种高隔离度微带MIMO天线系统

技术领域

本发明涉及5G天线隔离技术领域，尤其涉及一种适用于小型化终端设备 数据通信的高隔离度微带MIMO天线系统。

背景技术

移动通信是当今发展最为快速的领域之一，移动通信经历了几代变革，从 移动电话、互联网中给人们提供了前所未有的高效率和便利性，尤其在移动 通信领域里，电磁波的出现实现了有线通信到无线通信的飞跃发展，而且当 前多媒体通信实现了单一的语音数据到集成图像、数据、音频等综合业务性 数据传输。近年来，随着越来越多的终端用户和无线数据通信服务，通信系 统向无线化、高速化、多样化的需求提供更宽的频条带宽、更高速率数据通 信服务，使得无线通信系统在人们生活中起到越来越重要的角色。

4G和5G通信时代，智能移动终端成为人们上网的主要工具，这就要求智 能移动终端能够实现高可靠性和高速率的数据传输。MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出)天线技术是解决这一问题的关键技术，并 且在4G通信的基站端和移动终端中得到了广泛的应用。MIMO系统的特点是在 发射机或者接收机中拥有多个天线，能够在不增加发射功率和系统频谱的前 提下，利用无线信道的多路径属性提高传输质量和系统容量。

为了使MIMO系统具有较好的性能，天线单元之间必须不相关(耦合较低)， 然而，移动设备中能够为天线预留出的空间非常有限，使得天线之间的空间 距离不可能大于或者等于一个波长。同时，5G移动终端都具备4G、5G、通信 的功能，而每一代通信标准使用的频率是不一样的，这就要求在同一个终端 中布置多部天线或者布置个宽带天线能够覆盖智能终端所有的或者较多的频 点。如何在便携式移动终端设备中集成多个具有低耦合的宽带天线，尤其是 降低有限空间中多个天线之间的耦合，是个比较棘手的问题。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种高隔离度微带MIMO天线系统，该 高隔离度微带MIMO天线系统能够避免覆盖智能终端中较多工作频点的天线之 间相互影响，导致天线性能下降。

为了解决上述问题，本发明提供一种高隔离度微带MIMO天线系统,该高 隔离度微带MIMO天线系统，用于终端设备数据通信，包括设置在介质板上工 作频段为1.24GHz-3.1Ghz的第一天线单元和第二天线单元，所述第一天线 单元和第二天线单元结构相同对称设置在介质板上,在第一天线单元和第二 天线单元之间设有非对称共面去耦结构。

进一步地说，所述第一天线单元和第二天线单元分别设有印刷单极子辐 射贴片和50欧姆馈电微带线，该印刷单极子辐射贴片走线形状为F形。

进一步地说，两个印刷单极子辐射贴片分别位于介质板的同一侧，所述 馈电微带线与终端设备中的辐射系统信号线连接。

进一步地说，所述非对称共面去耦结构包括支架和贴在支架表面两条宽 度非等尺寸的金属条带,两金属条带相互平行。

进一步地说，所述每个金属条带长度为半个等效介质中的波长。

进一步地说，所述介质板方形，其尺寸为100mm*40mm。

进一步地说，所述印刷单极子辐射贴片、50欧姆微带线以及矩形接地板 都采用印刷结构，且介质板均的介电常数为4.4±3％的FR4。

进一步地说，所述馈电微带线的馈电端口位于介质板的短边边缘处。

本发明高隔离度微带MIMO天线系统，用于终端设备数据通信，包括设置 在介质板上工作频段为1.24GHz-3.1Ghz的第一天线单元和第二天线单元， 所述第一天线单元和第二天线单元结构相同对称设置在介质板上,在第一天 线单元和第二天线单元之间设有非对称共面去耦结构。所以该MIMO天线系统 中的两个天线单元采用单极子天线，都是线极化，能实现宽带辐射。在两个 天线单元之间设置非对称共面去耦结构，可以在1.24GHz-3.1Ghz频率范围 内工作，通过调节非对称共面去耦结构中的金属条带，能够使共面金属条带 引入的间接耦合场与原有的直接耦合场相对消，从而提高天线间的隔离度。 同时，该结构具有较低的福射特性，其所产生的场有相当一部分被束缚在金 属条带与地平面之间，这样有利于减弱去耦结构对天线福射场的影响。因此 非对称共面条带结构既能够改善天线间的隔离度，又解决了去耦结构恶化天 线福射性能的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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介绍，显而易见地，描述中的 附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于 本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些 附图获得其他相关的附图。

图1是本发明高隔离度微带MIMO天线系统实施例结构示意图。

图2是非对称共面去耦结构实施例结构示意图。

图3是MIMO天线系统仿真所得的S参数随频率变化曲线示意图。

图4(a)为MIMO天线系统仿真后端口1激励时2.0GHz频点远场辐射方 向图。

图4(b)为MIMO天线系统仿真后端口1激励时2.0GHz频点远场辐射方 向图。

图5(a)为MIMO天线系统仿真后端口2激励时2.0GHz频点远场辐射方

图5b为MIMO天线系统仿真后端口1激励时2.0GHz频点远场辐射方向图。

图6a为MIMO天线系统仿真后端口2激励时2.0GHz频点远场辐射方向图。

图6b为MIMO天线系统仿真后端口2激励时2.0GHz频点远场辐射方向图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说 明。

具体实施方式

下面结合具体实施例及附图对本发明的权利要求做进一步的详细说明，显 然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基 于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提出所 获得的所有其他实施例，也都属于本发明保护的范围。

需要理解的是，在本发明实施例中描述，所有方向性指示的术语，如“上”、 “下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系基于附图所示的 方位、位置关系或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是 为了便于简化描述本发明，而不是明示或暗示所指的装置、元件或部件必须 具有特定的方位、以及特定的方位构造，不应理解为对本发明的限制。仅用 于解释在附图所示下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，当该特定姿 态发生改变时，则该方向性指示也可能随之改变。

此外，本发明中序数词，如“第一”、“第二”等描述仅用于区分目的， 而不能理解为指示或暗示其相对重要性或隐含指示所指示的技术特征的数 量。由此限定“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含和至少一个该技术特 征。在本发明描述中，“多个”的含义是至少两个，即两个或两个以上，除非 另有明确体的限定外；“至少一个”的含义是一个或一个以及上。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连 接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，既可以是部件之间的位 置关系相对固定，也可以是部件之间存在物理上固定连接，既可以是可拆卸 连接，或成一体结构；既可以是机械连接，也可以是电信号连接；既可以是 直接相连，也可以通过中间媒介或部件间接相连；既可以是两个元件内部的 连通，也可以是两个元件的相互作用关系，除非说明书另有明确的限定，可 作其他理解时不能实现相应的功能或效果外，对于本领域的普通技术人员而 言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明如涉及有控制器、控制电路是本领域技术人员常规的控制技术或 单元，如控制器的控制电路可以由本领域普通的技术人员采用现有，如简单 编程即可实现。电源也采用所述属本领域现有技术，并且本发明主要发明技 术点在于对机械装置改进，所以本发明不再详细说明具体的电路控制关系和 电路连接。

如图1至图3所示，本发明提供一种高隔离度宽频带MIMO天线系统实施 例。

该高隔离度微带MIMO天线系统，用于终端设备数据通信，包括工作频段 为1.24GHz-3.1Ghz的第一天线单元1和第二天线单元2，所述第一天线单 元1和第二天线单元2结构相同对称设置在介质板6上,在第一天线单元1 和第二天线单元2之间设有非对称共面去耦结构5。

具体地说，所述第一天线单元1和第二天线单元2分别设有印刷单极子 辐射贴片和馈电微带线，该印刷单极子辐射贴片走线形状为F形，所述第一天 线单元1和第二天线单元2结构完全相同。两个印刷单极子辐射贴片分别位 于介质板6的同一侧，每个印刷单极子辐射贴片上的馈电微带线，即第一天 线单元1的第一馈电微带线3和第二天线单元2的第二馈电微带线4分别与 终端设备中的辐射系统信号线连接。所述介质板6采用尺寸为100mm*40mm 方形结构。所述第二馈电微带线4和第一馈电微带线3的馈电端口分别位于 介质板6的短边边缘处。所述第一馈电微带线3和第二馈电微带线4阻抗分 别为50欧姆。

所述非对称共面去耦结构包括支架9和贴在支架9表面两条宽度非等尺 寸的金属条带，即第一金属条带7和第二金属条带8,第一金属条带7和第 二金属条带8相互平行，且第一金属条带7和第二金属条带8的宽度尺寸不 相同。所述第一金属条带7和第二金属条带8的长度为半个等效介质中的波 长。所述非对称是指第一金属条带7和第二金属条带8的宽度非同尺寸；所 述共面是指两个第一金属条带7和第二金属条带8在同一平面上。

所以该MIMO天线系统中的两个天线单元采用平面单极子天线为线极化， 能实现宽带辐射。在第一天线单元1和第二天线单元2之间设置非对称共面 去耦结构，可以在1.24GHz-3.1Ghz频率范围内工作，通过调节非对称共面 去耦结构中的金属条带，能够使共面金属条带引入的间接耦合场与原有的直 接耦合场相对消，减少两天线单元之间的耦合，从而提高天线间的隔离度。 同时，该结构具有较低的福射特性，其所产生的场有相当一部分被束缚在金 属条带与地平面之间，这样有利于减弱去耦结构对天线福射场的影响。因此非对称共面条带结构既能够改善天线间的隔离度，又解决了去耦结构恶化天 线福射性能的问题。

所述MIMO天线的阻抗频带宽度为1.86GHz(1.24GHz-3.10GHz)，天 线的相对带宽为42.9％，该工作频带包括了智能终端通信中的GSM 1.9GHz、 Wi-Fi 2.4GHz、Bluetooth2.4GHz、FDD LTE 2.5-2.7GHz等多个频点。该 MIMO天线的最大辐射方向为平面两个方向上，并且在这两个方向上都能使均 匀全向辐射。

本实施例中，所述印刷单极子辐射贴片、第一馈电微带线3和第二馈电 微带线，以及介质板6都采用印刷结构，且印刷单极子辐射贴片、馈电微带 线和介质板6的介电常数都为4.4±3％的FR4。

为了更好说明本发明高隔离度宽频带MIMO天线系统达到效果，以

为了解决当前智能终端中天线数量过多，天线之间相互影响导致天线性 能下降的问题，该MIMO天线系统，非对称共面去耦结构3，实现了较高的端 口隔离度。智能终端的很多工作频点都包含在该发明天线的频带内，实现了 同一个天线完成多个功能，最终减少智能终端中天线数目，提高天线性能的 目的。

所述高隔离度宽频带MIMO天线系统包括两个相同尺寸的第一印刷单极子 辐射贴片1和第二印刷单极子辐射贴片2和一公共的长方体介质板6和一非 对称共面去耦结构5，其中第一印刷单极子辐射贴片1设有50欧姆的第一馈 电微带线3，第二印刷单极子辐射贴片2设有50欧姆的第二馈电微带线4。 所述的MIMO天线系统中第一天线单元，即第一印刷单极子辐射贴片1走线形 式为F形金属贴片为平面单极子天线的主辐射结构，所述第二个天线单元， 即第二印刷单极子辐射贴片2与第一天线单元完全相同，MIMO天线工作频段1.24GHz～3.10GHz，在常规设计下，第一天线单元和第二天线单元间的隔离 度最差处只有-6Db，无法达到设计需求。

通过在第一天线单元和第二天线单元之间设置一个非对称共面结构5，该 非对称共面去耦结构5采用支架表面设有FPC(Flexible Printed Circuit， 柔性电路板)形式，即将两条非对称宽度的铜箔或者其他金属条做成FPC形式， 即第一金属条带7和第二金属条带8贴在支架上9，该支架9安装在第一天线 单元和第一天线单元之间的中心位置，所述非对称金属条带由两条非等尺寸 的第一金属条带7和第二金属条带8，每条金属条带的长度心约为半个等效 介质中的波长。调节金属条带的长度以和金属条带的宽度能够使非对称共面 条带引入的间接耦合场与原有的直接耦合场相对消，从而提高天线间的隔离 度。同时，该结构具有较低的福射特性，其所产生的场有相当一部分被束缚 在条带与地平面之间，这样有利于减弱去耦结构对天线福射场的影响。因此 非对称共面条带结构既能够改善天线间的隔离度，又解决了去耦结构恶化天 线福射性能的问题。

非对称共面去耦结构滤波带宽在1.8－3.1GHz之间，在实际工程中，滤 波网络结构的引入会引起一定的频偏，可以通过优化天线或者天线匹配进行 改进。

从图4通过采用仿真软件HFSS对MIMO天线系统进行仿真结果，可以看 出图3为用仿真软件HFSS对整个MIMO天线进行仿真所得的S参数随频率变 化曲线示意图。

图5(a)和图5(b)、为用仿真软件HFSS对整个天线系统进行仿真后 端口1激励时2.0GHz频点的远场辐射方向图。

图6(a)、图6(b)、为用仿真软件HFSS对整个天线系统进行仿真后端 口2激励时2.0GHz频点的远场辐射方向图，。

从图中可以看出，本文设计带非对称共面去耦结构的MIMO天线系统在频 带1.24GHz～3.10GHz内的耦合度都低于-19.2dB，完全可以满足工程所要求 的小于-15dB。

为用仿真软件HFSS对整个天线系统进行仿真后端口1激励时2.0GHz频 点的远场辐射方向图，如图4a和图4b所示，分别给出了第一天线单元和第 二天线单元的远场辐射方向图，其中包含E面和H面中的主极化方向和交叉 极化方向上的远场方向图，从图中可以看出，第一天线单元和第二天线单元 在平面法线方向上具有均匀的辐射特性，并且从主极化和交叉极化方向上的 辐射特性可以看出，主极化方向上的辐射远远大于交叉极化方向上。

为用仿真软件HFSS对整个天线系统进行仿真后端口2激励时2.0GHz频 点的远场辐射方向图，如图5a和图5b所示，分别给出了第一天线单元和第 二天线单元的远场辐射方向图，其中包含E面和H面中的主极化方向和交叉 极化方向上的远场方向图，从图中可以看出，第一天线单元和第二天线单元 在平面法线方向上具有均匀的辐射特性，并且从主极化和交叉极化方向上的 辐射特性可以看出，主极化方向上的辐射远远大于交叉极化方向上。

本发明可适用于小型化多天线系统，例如比如手机，CPE，UIFI网卡等产 品。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前 述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其 依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术 特征进行等同替换，而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本 发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种高隔离度微带MIMO天线系统，用于终端设备数据通信，包括设置在介质板上工作频段为1.24GHz-3.1Ghz的第一天线单元和第二天线单元，其特征在于，所述第一天线单元和第二天线单元结构相同对称设置在介质板上,在第一天线单元和第二天线单元之间设有非对称共面去耦结构。

2.根据权利要求1所述的高隔离度微带MIMO天线系统，其特征在于，所述第一天线单元和第二天线单元分别设有印刷单极子辐射贴片和50欧姆馈电微带线，该印刷单极子辐射贴片走线形状为F形。

3.根据权利要求2所述的高隔离度微带MIMO天线系统，其特征在于，两个印刷单极子辐射贴片分别位于介质板的同一侧，所述馈电微带线与终端设备中的辐射系统信号线连接。

4.根据权利要求3所述的高隔离度微带MIMO天线系统，其特征在于，所述非对称共面去耦结构包括支架和贴在支架表面两条宽度非等尺寸的金属条带,两金属条带相互平行。

5.根据权利要求4所述的高隔离度微带MIMO天线系统，其特征在于，所述每个金属条带长度为半个等效介质中的波长。

6.根据权利要求5所述的高隔离度微带MIMO天线系统，其特征在于，所述介质板方形，其尺为100mm*40mm。

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