CN113097715B - 一种平面复合左右手传输线型5g手机mimo天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种平面复合左右手传输线型5G手机MIMO天线,包括介质板、金属地板以及设置于介质板顶面的四个辐射单元，每个辐射单元均为复合左右手传输线型天线，辐射单元包括一个右手串联电感LR和一个右手并联电容CR，组成右手传输线谐振回路，以及一个左手串联电容CL和一个左手并联电感LL组成左手传输线谐振回路，每个辐射单元侧面均加载有一组互补开口谐振环；辐射单元上开有缝隙，缝隙形成交指电容，等效为左手串联电容CL，辐射单元与金属地板之间采用金属化过孔形成短路电感，等效为左手并联电感LL。本天线既采用传统右手传输线结构，又融合左手传输线结构，可以激励零阶谐振和一阶谐振，实现天线小型化同时增加阻抗带宽。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信相关技术领域，特别涉及一种平面复合左右手传输线型5G手机MIMO天线。
背景技术
传统的手机MIMO天线主要分为两类：外置天线和内置天线。随着移动通信的发展，目前市场上基本上内置天线占了绝大部分份额，而且因为人们的追求越来越高，导致手机也变得越来越精巧，而手机越来越智能化离不开许多强大的硬件作为支撑，例如全网通、NFC、双卡双待等成为了手机的必备配置，另外还有GPS、相机、指南针等硬件模块的配置的增加，这也使得给手机MIMO天线的空间越来越小；而手机MIMO天线作为终端设备，为了适应市场以及用户的需求，小尺寸、多频段、宽频段、低成本等特点已经成为终端天线的研发方向以及要求。确保天线辐射性能和工作带宽前提下，较大幅度减小单元天线尺寸是手机MIMO天线设计的一大挑战。除此之外，由于天线总体空间有限，要求各单元天线紧密排列，各单元之间耦合就比较大。如何减小单元间耦合，提高单元天线间隔离度是5G手机MIMO天线设计又一大挑战。
针对中国电信、中国联通和中国移动的3300-3600MHz和4800-5000MHz两个5G低频段，设计一个小型化、宽频段、高隔离度的5G手机MIMO天线具有很好的的研究价值和应用前景。
发明内容
为了克服现有的技术缺陷，本发明的目的在于提供一种平面复合左右手传输线型5G手机MIMO天线以解决上述技术问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
包括介质板、金属地板以及设置于介质板顶面的四个辐射单元，每个辐射单元均为复合左右手传输线型天线，辐射单元包括一个右手串联电感LR和一个右手并联电容CR，组成右手传输线谐振回路，以及一个左手串联电容CL和一个左手并联电感LL组成左手传输线谐振回路，每个辐射单元侧面均加载有一组互补开口谐振环；
辐射单元上开有缝隙，缝隙形成交指电容，该交指电容等效为左手串联电容CL，左手串联电容CL与右手串联电感LR串联，辐射单元与金属地板之间采用金属化过孔短路，该短路电感等效为左手并联电感LL，左手并联电感LL与右手并联电容CR并联。
采用上述技术方案，传统的手机MIMO天线满足右手传输线原理，即右手传输线型天线都是由一个右手串联电感LR和一个右手并联电容CR组成谐振回路。本发明在传统手机MIMO天线的辐射单元上开缝，该缝隙交指电容等效为左手串联电容CL，辐射单元与地板之间用金属化过孔形成短路电感，该短路电感等效为左手并联电感LL，在辐射单元的侧面加载有互补开口谐振环，可拓展带宽，共同满足左手传输线的特性。该新型手机MIMO天线既采用传统右手传输线结构，又融合左手传输线结构，通过优化仿真分析，两者有效结合，从而构成一种新型复合左右手传输线型天线。
本发明的平面复合左右手传输线型5G手机MIMO天线可以激励零阶谐振和一阶谐振，实现天线小型化同时增加阻抗带宽。
本发明的优点有：采用复合左右手结构实现辐射单元平面小型化，宽带宽，覆盖5G低频段3.13-3.64GHz和4.33-5.81GHz；四个辐射单元间低耦合、高隔离，空间总体尺寸小，通过空间分集和缺陷地结构实现高隔离。
为了更好的解决上述技术缺陷，本发明还具有更佳的技术方案：
在一些实施方式中，金属地板上设有数量与辐射单元数量相同的第一地板槽，且第一地板槽与辐射单元上下一一对应设置。由此，第一地板槽的作用是为了跟辐射单元做阻抗匹配，进而增大阻抗带宽。在金属地板开缝，引入缺陷地结构，利用电磁带隙特性，抑制表面波的传播，从而降低单元间互耦，提高MIMO天线隔离度。
在一些实施方式中，第一地板槽为曲折的倒L形。
在一些实施方式中，金属地板上还开设有第二地板槽，第二地板槽的数量与第一地板槽的数量相同，第二地板槽对应位于第一地板槽的内侧。由此，第二地板槽的主要作用是为提高隔离度，与此同时增大了天线低频段-10dB阻抗带宽，并且加深了低频段的深度，频段最低点由原先的-21dB变为-28dB。
在一些实施方式中，第二地板槽为T形。
在一些实施方式中，第一地板槽的长为16mm，宽为8.8mm；第二地板槽的长为15mm，宽为9mm。
在一些实施方式中，介质板呈矩形状，四个辐射单元设于介质板顶面的四个角上，且相邻两个辐射单元沿介质板的长度方向或者宽度方向中心线对称设置。
在一些实施方式中，平面复合左右手传输线型5G手机MIMO天线还包括馈电端和同轴线，馈电端开设于金属地板，馈电端的数量与辐射单元的数量对应，辐射单元为直角L形，同轴线从馈电端的位置馈入，同轴线的内导体与直角L形辐射单元的长边的端部连接，同轴线的外导体与金属地板连接。由此，本发明的天线采用的是同轴线馈电的方式。
在一些实施方式中，缝隙的宽度为0.1mm，所述缝隙从直角L形辐射单元的长边的两边缘往内部延伸。
在一些实施方式中，辐射单元为一块长为15mm、宽为6.7mm的直角L形金属薄片。
在一些实施方式中，每组互补开口谐振环包括第一开口环和第二开口环，第一开口环围设于第二开口环的外周，第一开口环的一侧设有第一开口，第二开口环的一侧设有第二开口，第一开口和第二开口的朝向相反，第一开口环与第二开口环之间保持间隙，第一开口环与辐射单元之间保持间隙。由此，互补开口谐振环的主要作用是增大天线的阻抗带宽，尤其是增大高频段的阻抗带宽，加载使得天线高频段的阻抗带宽增加了900-1000MHz。
在一些实施方式中，第一开口环长为6mm，宽为3.7mm，粗细大小为0.3mm；第二开口环的长为4.4mm，宽为2.1mm，粗细大小为0.3mm。
在一些实施方式中，互补开口谐振环设置于直角L形辐射单元的长边和宽边的内侧且第一开口环与直角L形辐射单元的长边的距离小于第一开口环与直角L形辐射单元的宽边的距离。由于互补开口谐振环与辐射单元之间的相互影响很大，会使得阻抗带宽变窄、谐振点发生偏移等问题，由此设置可达到最好的带宽效果，可减轻甚至避免避免上述问题。
在一些实施方式中，第一开口环与直角L形辐射单元的长边的距离为0.1mm，所述第一开口环与直角L形辐射单元的宽边的距离为1.2mm。
在一些实施方式中，第一开口环与第二开口环之间各边的距离相等，第一开口朝向辐射单元。
在一些实施方式中，介质板为FR-4介质板材料，介质板的规格为140mmx70mmx1mm。
在一些实施方式中，金属地板为金属铜板。
本发明的有益效果：
本发明在传统手机MIMO天线的辐射单元上开缝，该缝隙交指电容等效为左手串联电容CL，辐射单元与地板之间用金属化过孔短路，该短路电感等效为左手并联电感LL，加载有互补开口谐振环，共同满足左手传输线的特性。该新型手机MIMO天线既采用传统右手传输线结构，又融合左手传输线结构，通过优化仿真分析，两者有效结合，从而构成一种新型复合左右手传输线型天线。
本发明的平面复合左右手传输线型5G手机MIMO天线可以激励零阶谐振和一阶谐振，实现天线小型化同时增加阻抗带宽；
本发明的优点有：采用复合左右手结构实现单元平面小型化；宽带宽，覆盖5G低频段3.13-3.64GHz和4.33-5.81GHz；4单元高隔离，空间总体尺寸小，通过空间分集和缺陷地结构实现高隔离。
附图说明
图1为本发明一种实施方式的一种平面复合左右手传输线型5G手机MIMO天线的俯视结构示意图；
图2为平面复合左右手传输线型5G手机MIMO天线的仰视结构图；
图3为图1中A位置的放大图；
图4为平面复合左右手传输线型5G手机MIMO天线的辐射单元的结构示意图；
图5为平面复合左右手传输线型5G手机MIMO天线的互补开口谐振环的结构示意图；
图6为平面复合左右手传输线型5G手机MIMO天线的第一地板槽的结构示意图；
图7为本发明的平面复合左右手传输线型5G手机MIMO天线在3.3GHz的二维平面辐射方向图；
图8为本发明的平面复合左右手传输线型5G手机MIMO天线在3.3GHz的三维立体辐射方向图；
图9为本发明的平面复合左右手传输线型5G手机MIMO天线在5.4GHz的二维平面辐射方向图；
图10为本发明的平面复合左右手传输线型5G手机MIMO天线在5.4GHz的三维立体辐射方向图；
图11为平面复合左右手传输线型5G手机MIMO天线的反射系数仿真频率特性曲线图；
图12为平面复合左右手传输线型5G手机MIMO天线的隔离度S参数图；
图13为平面复合左右手传输线型5G手机MIMO天线的互补开口谐振环在x轴方向上不同位置的天线反射系数图；
图14为平面复合左右手传输线型5G手机MIMO天线的互补开口谐振环在y轴方向上不同位置的天线反射系数图。
图中标号：1-介质板；2-金属地板；3-辐射单元；4-互补开口谐振环；5-馈电端；31-缝隙；21-第一地板槽；22-第二地板槽；41-第一开口环；42-第二开口环；411-第一开口；421-第二开口。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图对本发明进一步详细说明。
参考图1至图6所示，本发明提供的一种平面复合左右手传输线型5G手机MIMO天线，该平面复合左右手传输线型5G手机MIMO天线包括介质板1、金属地板2以及设置于介质板1的四个辐射单元3。四个辐射单元3设置于介质板1正面边缘。
相邻两个辐射单元3沿介质板1的长度方向或者宽度方向中心线对称设置。
每个辐射单元3均为复合左右手传输线型天线。辐射单元3包括一个右手串联电感LR和一个右手并联电容CR，组成右手传输线谐振回路；以及一个左手串联电容CL和一个左手并联电感LL组成左手传输线谐振回路。每个辐射单元3侧面均加载有一组互补开口谐振环4。互补开口谐振环4位于辐射单元3的内侧。
本实施方式的介质板1可以为FR-4介质板材料，介质板1的规格可以为140mmx70mmx1mm。金属地板2可以为金属铜板。
辐射单元3上开有缝隙31，缝隙31形成交指电容，该交指电容等效为左手串联电容CL，左手串联电容CL与辐射单元3的右手串联电感LR串联，辐射单元3与金属地板2之间采用金属化过孔短路，形成短路电感，该短路电感等效为左手并联电感LL，左手并联电感LL与辐射单元3的右手并联电容CR并联。
金属地板2上设有数量与辐射单元3数量相同的第一地板槽21，且第一地板槽21与所述辐射单元3上下一一对应设置。由此，第一地板槽21的作用是为了跟辐射单元3做阻抗匹配，进而增大阻抗带宽。在金属地板2开缝，引入缺陷地结构，利用电磁带隙特性，抑制表面波的传播，从而降低单元间互耦，提高MIMO天线隔离度。
本实施方式的第一地板槽21为曲折的倒L形，即第一地板槽21的长边沿金属地板2的长度方向向内延伸，宽边沿金属地板2的宽度方向向金属地板2的外边缘延伸。
金属地板2上还开设有第二地板槽22，第二地板槽22的数量与第一地板槽21的数量相同，第二地板槽22对应位于第一地板槽21的内侧。由此，第二地板槽22的主要作用是为提高隔离度，与此同时增大了天线低频段-10dB阻抗带宽，并且加深了低频段的深度，频段最低点由原先的-21dB变为-28dB。具体可参见图。
本实施方式的第二地板槽22为T形。T形第二地板槽22的横向槽沿金属地板2的长度方向延伸，竖向槽沿金属地板2的宽度方向延伸至金属地板2长边的外边缘。
本实施方式的第一地板槽21的长为16mm，宽为8.8mm；第二地板槽22的长为15mm，宽为9mm。
平面复合左右手传输线型5G手机MIMO天线还包括馈电端5和同轴线（图中未画出），馈电端5开设于金属地板2，馈电端5的数量与辐射单元3的数量对应，辐射单元3为直角L形，同轴线从馈电端5的位置馈入，同轴线的内导体与直角L形辐射单元3的长边的端部连接，同轴线的外导体与金属地板2连接。由此，本发明的天线采用的是同轴线馈电的方式。
平面复合左右手传输线型5G手机MIMO天线还包括馈电端5，馈电端5设置于金属地板2，馈电端5的数量与辐射单元3的数量对应，辐射单元3为直角L形，直角L形辐射单元3的长边的端部连接馈电端5。由此，本发明的天线采用的是同轴线馈电的方式。
本实施方式的缝隙31的宽度为0.1mm，缝隙31从直角L形辐射单元3的长边的两边缘往内部延伸。
辐射单元3为一块长为15mm、宽为6.7mm的直角L形金属薄片。
本实施方式的互补开口谐振环4包括第一开口环41和第二开口环42。第一开口环41围设于第二开口环42的外周。第一开口环41的一侧设有第一开口411，第二开口环42的一侧设有第二开口421。第一开口411和第二开口421的朝向相反，第一开口环41与第二开口环42之间保持间隙，第一开口环41与辐射单元3之间保持间隙。
第一开口环41长为6mm，宽为3.7mm，粗细大小为0.3mm；第二开口环42的长为4.4mm，宽为2.1mm，粗细大小为0.3mm。
由此，互补开口谐振环4的主要作用是增大天线的阻抗带宽，尤其是增大高频段的阻抗带宽，加载使得天线高频段的阻抗带宽增加了900-1000MHz。
互补开口谐振环4设置于直角L形辐射单元3的长边和宽边的内侧且第一开口环41与直角L形辐射单元3的长边的距离小于第一开口环41与直角L形辐射单元3的宽边的距离。由于互补开口谐振环4与辐射单元3之间的相互影响很大，会使得阻抗带宽变窄、谐振点发生偏移等问题，由此设置可达到最好的带宽效果，可减轻甚至避免避免上述问题。
第一开口环41与直角L形辐射单元3的长边的距离为0.1mm，第一开口环41与直角L形辐射单元3的宽边的距离为1.2mm。
第一开口环41与第二开口环42之间各边的距离相等，第一开口411朝向辐射单元3。
为了更加直观、准确地了解本发明的平面复合左右手传输线型5G手机MIMO天线的辐射特性，通过该天线在3.3GHz和5.4GHz的二维平面和三维立体的辐射方向图来进行描述。
如图7-10所示：频率为3.3GHz时的增益为5.46dB、频率为5.4GHz时的增益为6.06dB。另外，从各个频率的二维方向图中还可以知道该天线具有良好的全向性，比较符合实际的手机应用。
参考图11和图12所示，采用HFSS微波仿真软件分析平面复合左右手传输线型5G手机MIMO天线的相关参数，仿真表明结果表明，天线的阻抗带宽达到-10dB以下有3.13-3.64GHz和4.33-5.81GHz两个频段，低频段阻抗带宽有510MHz，高频段阻抗带宽有1480MHz，总带宽为1990MHz。另外，4个辐射单元3按照顺时针方向依次编号为D1单元、D2单元、D3单元和D4单元，辐射单元3间的隔离度，比如D1和D2单元隔离度用S21表示，D1和D3单元隔离度用S31表示，D1和D4单元隔离度用S41表示。辐射单元3之间的隔离度S21，S31，S41都在-18.6dB以下，S31最高的隔离度为-18.6dB，其他两条隔离度隔离度接近-20dB以及-20dB以下。
S21的隔离度最高点为-18.6dB；
S31的隔离度最高点为-19.4dB；
S41的隔离度都在-25dB以下；
低频段相对带宽：（3.64-3.13）/（3.64+3.13）*100%=7.5%
高频段相对带宽：（5.81-4.33）/（5.81+4.33）*100%=29.2%
低频段绝对带宽：3.64/3.13=1.163
高频段绝对带宽：5.81/4.33=1.342
参考图13所示，通过参数化扫描优化分析发现，采用HFSS微波仿真软件分析互补开口谐振环4的位置变化对天线性能的影响，各参数优化后加工成实物天线并进行实验测试。其他参数不变。如图13显示，改变原来第一开口环41加载在x轴的位置，随着R1从-0.4mm变化到-0.2mm以及0.2mm时，天线小于-10dB总阻抗带宽会变窄。天线在-0.4mm以及-0.2mm的时候，阻抗带宽的高频段由原先的1480MHz变小为665MHz和1150MHz；而当R1为0.2mm的时候，由于互补开口谐振环4跟辐射单元3之间相互影响很大，使得总的阻抗带宽变窄；低频段的谐振点发生偏移，由原先谐振点的3.43GHz变到3.59GHz，并且深度也由原先的-28.17dB变为-15.30dB；高频段-10dB的阻抗带宽同时也变窄了。为了达到最好的带宽，综合考虑最终第一开口环41在长边距离辐射单元0.1mm，宽边距离辐射单元1.2mm处。
参考图14所示，可以看到当改变左侧加载在y轴方向上的位置时，阻抗带宽变小。例如固定R5的数值，随着R4从原先的0mm增加到0.6mm，阻抗带宽高频段的中间部分在-10dB之上，高频段的阻抗带宽由原先的1480MHz变小到1060MHz。由此可以得知当加载部分在y轴方向上越偏离辐射单元3时，天线高频段的阻抗带宽会变窄。为了达到最好的带宽，加载位置在y轴方向上距离辐射单元0.1mm时最佳。
由此，最终本发明的互补开口谐振环4的设置位置为：第一开孔环的长边与直角L形辐射单元3的长边平行，第一开孔环的宽边与直角L形辐射单元3的宽边平行；第一开口环41的长边与直角L形辐射单元3的长边的距离为0.1mm，第一开口环41的宽边与直角L形辐射单元3的宽边的距离为1.2mm。
本发明相对于传统天线优势在于：
1、传统的手机MIMO天线满足右手传输线原理，即右手传输线型天线都是由一个右手串联电感LR和一个右手并联电容CR组成谐振回路。本发明在传统手机MIMO天线的辐射单元3上开缝，该缝隙31交指电容等效为左手串联电容CL，辐射单元3与地板之间用金属化过孔短路，该短路电感等效为左手并联电感LL，加载有互补开口谐振环4，共同满足左手传输线的特性。该新型手机MIMO天线既采用传统右手传输线结构，又融合左手传输线结构，通过优化仿真分析，两者有效结合，从而构成一种新型复合左右手传输线型天线。
本发明的平面复合左右手传输线型5G手机MIMO天线可以激励零阶谐振和一阶谐振，实现天线小型化同时增加阻抗带宽。
2、引入了互补开口谐振环4，使得天线小型化以及增加阻抗带宽，同时，结构比较简单，造价成本比较低；
3、该天线设计的隔离度都达到了-15dB以下，达到高隔离的特点。利用开槽技术以及缺地陷结构两种方法，从而改变天线的电流路径，使得产生的新电流跟原先电流相互抵消一部分，从而达到去耦的目的。在有限的空间内摆放多个单元，单元之间的距离变小，需要增大天线的隔离度。本设计参考缺地陷结构的相关原理，在天线地板上开了曲折的倒“L”形的第一地板槽21以及“T”形的第二地板槽22，利用电磁带隙特性抑制天线表面波的传播，从而达到去耦的目的，最终达到高隔离度的效果；
4、该天线-10dB阻抗带宽为3.13-3.64GHz和4.33-5.81GHz两个频段,它包含了我国工信部公布的5G频段（3.3-3.6GHz以及4.8-5.0GHz）。目前国内在移动通信行业，主要有中国移动、中国电信以及中国联通这三家运营商，平面复合左右手传输线型5G手机MIMO天线的频段涵盖中国移动的4800MHz-4900MHz、中国联通的3500MHz-3600MHz以及中国电信的3400MHz-3500MHz，适用性强。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种平面复合左右手传输线型5G手机MIMO天线，其特征在于，包括介质板、金属地板以及设置于介质板顶面的四个辐射单元，每个所述辐射单元均为复合左右手传输线型天线，所述辐射单元包括一个右手串联电感LR和一个右手并联电容CR，组成右手传输线谐振回路，以及一个左手串联电容CL和一个左手并联电感LL组成左手传输线谐振回路，每个所述辐射单元侧面均加载有一组互补开口谐振环；
所述辐射单元上开有缝隙，所述缝隙形成交指电容，该交指电容等效为左手串联电容CL，所述左手串联电容CL与右手串联电感LR串联，所述辐射单元与金属地板之间采用金属化过孔形成短路电感，该短路电感等效为左手并联电感LL，所述左手并联电感LL与右手并联电容CR并联；
所述介质板呈矩形状，四个所述辐射单元设于所述介质板顶面的四个角上，且相邻两个所述辐射单元沿介质板的长度方向或者宽度方向中心线对称设置；
所述辐射单元为直角L形；
每组所述互补开口谐振环包括第一开口环和第二开口环，所述第一开口环围设于第二开口环的外周，所述第一开口环的一侧设有第一开口，所述第二开口环的一侧设有第二开口，所述第一开口和第二开口的朝向相反，所述第一开口环与第二开口环之间保持间隙，所述第一开口环与辐射单元之间保持间隙；
所述互补开口谐振环设置于直角L形辐射单元的长边和宽边的内侧且所述第一开口环与直角L形辐射单元的长边的距离小于第一开口环与直角L形辐射单元的宽边的距离。
2.根据权利要求1所述的一种平面复合左右手传输线型5G手机MIMO天线，其特征在于，所述金属地板上设有数量与所述辐射单元数量相同的第一地板槽，且所述第一地板槽与所述辐射单元上下一一对应设置。
3.根据权利要求2所述的一种平面复合左右手传输线型5G手机MIMO天线，其特征在于，所述金属地板上还开设有第二地板槽，所述第二地板槽的数量与第一地板槽的数量相同，所述第二地板槽对应位于第一地板槽的内侧。
4.根据权利要求3所述的一种平面复合左右手传输线型5G手机MIMO天线，其特征在于，所述第一地板槽的长为16mm，宽为8.8mm；所述第二地板槽的长为15mm，宽为9mm。
5.根据权利要求1所述的一种平面复合左右手传输线型5G手机MIMO天线，其特征在于，还包括馈电端和同轴线，所述馈电端开设于金属地板，所述馈电端的数量与辐射单元的数量对应，所述同轴线从所述馈电端的位置馈入，所述同轴线的内导体与所述直角L形辐射单元的长边的端部连接，所述同轴线的外导体与金属地板连接。
6.根据权利要求1所述的一种平面复合左右手传输线型5G手机MIMO天线，其特征在于，所述缝隙的宽度为0.1mm，所述缝隙从直角L形辐射单元的长边的两边缘往内部延伸。
7.根据权利要求1所述的一种平面复合左右手传输线型5G手机MIMO天线，其特征在于，所述第一开口环长为6mm，宽为3.7mm，粗细大小为0.3mm；所述第二开口环的长为4.4mm，宽为2.1mm，粗细大小为0.3mm。
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