CN113451760A - 一种应用于5g移动通信的毫米波宽带mimo天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种应用于5G移动通信的毫米波宽带MIMO天线，包括介质基板以及印刷在介质基板上下表面的金属贴片，印刷在介质基板上表面的金属贴片包括四个毫米波天线单元和去耦结构，印刷在介质基板下表面的金属贴片为金属接地面，四个毫米波天线单元为MIMO天线的主体部分，分别设置于介质基板四周，每个毫米波天线单元包括主辐射贴片、共面波导微带馈线、带圆形槽的金属结构以及金属接地面上的两个竖直矩形缝隙和一个水平矩形缝隙，去耦结构包括设置于相邻毫米波天线单元之间的四个平面紧凑型电磁带隙结构和设置于介质基板中部的“X”型金属贴片。该天线不仅具有宽频带、高增益和良好的定向辐射特性，而且结构紧凑并保持高隔离度。

Description

一种应用于5G移动通信的毫米波宽带MIMO天线
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种应用于5G移动通信的毫米波宽带MIMO天线。
背景技术
5G移动通信时代让万物互联成为可能，是一个既可以承载终端海量接入率，也能以超高数据率传输的高速网络时代。然而现阶段，各通信系统均采用低频频段，6GHz以下黄金通信频段的频谱资源显然已经十分拥挤，这无疑将造成低频频段的带宽紧缺，使得未来无线高速通信的需求受到限制，非常不利于通信系统朝着人们设想的目标进一步发展。
但是毫米波频段并没有得到充分的开发利用。毫米波频段拥有十分丰富的频谱资源以及高带宽、低时延等突出优势，这些优势能够充分释放5G的全部潜能，从而实现消费者业务体验的革命性提升和千行百业的数字化转型，真正实现5G改变生活、改变社会的愿景，因此，要顺利跨入5G时代，亟需发展毫米波技术。
在5G移动通信中，预期的天线几何形状应该是紧凑的，以方便成为移动终端设备的一部分。设计具有紧凑尺寸的天线单元是一项挑战，也是一项有前途的技术。此外，MIMO天线设计要求天线单元之间具有窄间距的特点，同时天线单元之间应该有较低的互耦和较高的隔离度，以减少相邻天线单元之间的影响从而提高整个天线的性能。
随着5G移动通信技术的进一步发展演进，宽频带、高增益也越来越被现在的通信系统所需要。如何既能使MIMO天线在紧凑的结构下保持较低的互耦和较高的隔离度，又能实现MIMO天线的宽频带、高增益和定向辐射特性，成为了现在研究的目标和难点。
近年来，许多研究者设计了毫米波MIMO天线，有一些天线虽然能够实现宽频带、高增益、高隔离度和定向辐射特性，但是却无法保持结构的紧凑性，不能满足现代无线通信对终端设备的需求；有一些天线虽然尺寸小，但是却无法同时满足宽频带、高增益、高隔离度和定向辐射特性，也无法较好地应用到现在的一些移动终端设备中。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于5G移动通信的毫米波宽带MIMO天线，该天线不仅具有宽频带、高增益和良好的定向辐射特性，而且结构紧凑并保持高隔离度。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种应用于5G移动通信的毫米波宽带MIMO天线，包括介质基板以及印刷在介质基板上下表面的金属贴片，印刷在介质基板上表面的金属贴片包括四个毫米波天线单元和去耦结构，印刷在介质基板下表面的金属贴片为金属接地面，所述四个毫米波天线单元为MIMO天线的主体部分，分别设置于介质基板四周，每个毫米波天线单元包括主辐射贴片、共面波导微带馈线、带圆形槽的金属结构以及金属接地面上的两个竖直矩形缝隙和一个水平矩形缝隙，所述去耦结构包括设置于相邻毫米波天线单元之间的四个平面紧凑型电磁带隙结构和设置于介质基板中部的“X”型金属贴片。
进一步地，所述介质基板采用罗杰斯5880高频板材，厚度为1.575mm。
进一步地，所述主辐射贴片上部为半圆形结构，用于增加电流路径，从而降低天线的尺寸，所述主辐射贴片下部为锥形渐变结构，使馈电处的电流平滑过渡，以提高天线的阻抗匹配，所述共面波导微带馈线与主辐射贴片下部相连，所述共面波导微带馈线为阶梯状结构，以进一步提升阻抗匹配。
进一步地，所述共面波导微带馈线与2.92mm射频连接器内芯连接，所述2.92mm射频连接器的四根金属引脚与带圆形槽的金属结构和金属接地面连接。
进一步地，所述带圆形槽的金属结构共同参与天线的辐射，产生一个新的谐振点，从而扩展天线的频带；所述带圆形槽的金属结构，其上部的左端和右端各有一个矩形开口，上部的中间和下部的中间各有一个与圆形槽连通的矩形开口；所述带圆形槽的金属结构上部的三个矩形开口用于改善毫米波天线单元的定向辐射特性。
进一步地，所述四个平面紧凑型电磁带隙结构主要用于提高相邻毫米波天线单元之间的隔离度，每个平面紧凑型电磁带隙结构为一个在其上沿长度方向设有四个平面电磁带隙单元的矩形金属贴片，每个平面电磁带隙单元包括一个“十”字型缝隙和四个设于其四周的“L”型缝隙；所述“X”型金属贴片主要用于提高斜对角毫米波天线单元之间的隔离度。
进一步地，所述金属接地面包括八个竖直矩形缝隙、四个水平矩形缝隙和十六个菱形缝隙。
进一步地，在金属接地面上对应于同一个毫米波天线单元的两个竖直矩形缝隙和一个水平矩形缝隙共同构成缺陷地结构，用于提高毫米波天线单元的带宽，并进一步改善毫米波天线单元的定向辐射特性。
进一步地，所述菱形缝隙用于进一步提高毫米波天线单元之间的隔离度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：主辐射贴片的上部为半圆形结构，用于增加电流路径，从而降低了天线的尺寸，且带圆形槽的金属结构共同参与天线辐射，产生了一个新的谐振点，从而扩展了天线的频带，使得天线覆盖5G N258（24.25-27.5GHz）毫米波频段；在毫米波天线单元中带圆形槽的金属结构上部的三个矩形开口与金属接地面上的两个竖直矩形缝隙和一个水平矩形缝隙共同改善毫米波天线单元的定向辐射特性；在毫米波MIMO天线中设置四个平面紧凑型电磁带隙结构、一个“X”型金属贴片和十六个菱形缝隙用于降低毫米波天线单元之间的互耦，以减少相邻天线单元之间的影响从而提高整个天线的性能。该毫米波MIMO天线结构紧凑，具有宽频带、高增益、高隔离度和良好的定向辐射特性，适合应用在未来5G移动通信终端设备中。
附图说明
图1为本发明实施例的俯视图；
图2为本发明实施例的仰视图；
图3为本发明实施例的侧视图；
图4为本发明实施例中反射系数|S11|仿真结果图；
图5为本发明实施例中反射系数|S21|仿真结果图；
图6为本发明实施例中反射系数|S31|仿真结果图；
图7为本发明实施例中反射系数|S41|仿真结果图；
图8为本发明实施例在24.46GHz的Phi=0°及Phi=90°的仿真辐射方向图；
图9为本发明实施例在27.75GHz的Phi=0°及Phi=90°的仿真辐射方向图；
图10为本发明实施例在频率范围内的峰值增益图。
图中：1-共面波导微带馈线；2-主辐射贴片；3-带圆形槽的金属结构；4-平面紧凑型电磁带隙结构；5-“X”型金属贴片；6-竖直矩形缝隙；7-水平矩形缝隙；8-菱形缝隙；9-金属接地面。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1-3所示，本实施例提供了一种应用于5G移动通信的毫米波宽带MIMO天线，包括介质基板以及印刷在介质基板上下表面的金属贴片，印刷在介质基板上表面的金属贴片包括四个毫米波天线单元和去耦结构，印刷在介质基板下表面的金属贴片为金属接地面9，包括八个竖直矩形缝隙6、四个水平矩形缝隙7和十六个菱形缝隙8，所述四个毫米波天线单元为MIMO天线的主体部分，分别设置于介质基板四周，每个毫米波天线单元包括主辐射贴片2、共面波导微带馈线1、带圆形槽的金属结构3和金属接地面9上的两个竖直矩形缝隙6与一个水平矩形缝隙7，所述去耦结构包括设置于相邻毫米波天线单元之间的四个平面紧凑型电磁带隙结构4和设置于介质基板中部的“X”型金属贴片5。
在本实施例中，所述介质基板采用罗杰斯5880高频板材，尺寸为32mm*32mm*1.575mm，其介电常数为2.2，介电损耗角正切为0.0009。
在本实施例中，所述主辐射贴片2上部为半圆形结构，用于增加电流路径，从而降低天线的尺寸，所述主辐射贴片2下部为锥形渐变结构，使馈电处的电流平滑过渡，以提高天线的阻抗匹配，所述共面波导微带馈线1与主辐射贴片2下部相连，其总长度为3.6mm，并将其设计成阶梯状结构，以进一步提升阻抗匹配。
在本实施例中，所述共面波导微带馈线1与2.92mm射频连接器内芯连接，所述2.92mm射频连接器的四根金属引脚与带圆形槽的金属结构3和金属接地面9连接。
在本实施例中，所述毫米波天线单元的带圆形槽的金属结构3共同参与天线的辐射，产生一个新的谐振点，从而扩展天线的频带；所述带圆形槽的金属结构3，其上部的左端和右端各有一个矩形开口，上部的中间和下部的中间各有一个与圆形槽连通的矩形开口；所述带圆形槽的金属结构3上部的三个矩形开口能够有效抑制不规则电流，防止产生非平衡的横向电流，从而改善毫米波天线单元的定向辐射特性。
在本实施例中，所述去耦结构中的四个平面紧凑型电磁带隙结构4，能够形成高阻抗表面结构，可以让传导在其中的表面波电流逐渐减弱，从而提高相邻毫米波天线单元之间的隔离度。每个平面紧凑型电磁带隙结构4为一个在其上沿长度方向设有四个平面电磁带隙单元的矩形金属贴片，每个平面电磁带隙单元包括一个“十”字型缝隙和四个设于其四周的“L”型缝隙；所述去耦结构中的“X”型金属贴片5主要用于提高斜对角毫米波天线单元之间的隔离度。
在本实施例中，在金属接地面9上对应于同一个毫米波天线单元的两个竖直矩形缝隙6和一个水平矩形缝隙7共同构成缺陷地结构，用于改变电流的分布，从而提高毫米波天线单元的带宽，并进一步改善毫米波天线单元的定向辐射特性。
在本实施例中，所述菱形缝隙8对地板电流具有阻碍作用，电流能更多得通过缝隙辐射出去，从而进一步提高毫米波天线单元之间的隔离度。将缝隙设计成菱形，其渐变的结构能在更宽的带宽内将传导到自身的地板电流辐射到空间。
根据以上结构进行仿真的结果如图4-10所示。如图4所示，该毫米波MIMO天线的带宽为23.30-30.83GHz，相对带宽达到27.82%；如图5所示，该毫米波MIMO天线的S21在频率范围内小于-27.70dB，最小为-52.94dB；如图6所示，该毫米波MIMO天线的S31在频率范围内小于-28.68dB，最小为-39.69dB；如图7所示，该毫米波MIMO天线的S41在频率范围内小于-18.30dB，最小为-22.29dB；如图8和图9所示，该毫米波MIMO天线定向辐射，且定向辐射特性良好；如图10所示，该毫米波MIMO天线的峰值增益在频率范围内大于7.73dBi，最大能达到10.21dBi。
在本发明中，主辐射贴片的上部为半圆形结构，用于增加电流路径，从而降低了天线的尺寸，且带圆形槽的金属结构共同参与天线辐射，产生了一个新的谐振点，从而扩展了天线的频带，使得天线覆盖5G N258（24.25-27.5GHz）毫米波频段。在毫米波天线单元中带圆形槽的金属结构上部的三个矩形开口与金属接地面上的两个竖直矩形缝隙和一个水平矩形缝隙共同改善毫米波天线单元的定向辐射特性。在毫米波MIMO天线中设置四个平面紧凑型电磁带隙结构、一个“X”型金属贴片和十六个菱形缝隙用于降低毫米波天线单元之间的互耦，以减少相邻天线单元之间的影响从而提高整个天线的性能。该毫米波MIMO天线工作频段为23.30-30.83GHz，相对带宽达到27.82%，尺寸为32mm*32mm*1.575mm，峰值增益最大能达到10.21dBi，具有宽频带、小型化、高增益和良好的定向辐射特性，且在频率范围内隔离度均大于15dB，适合应用于未来5G移动通信终端设备中。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种应用于5G移动通信的毫米波宽带MIMO天线，其特征在于，包括介质基板以及印刷在介质基板上下表面的金属贴片，印刷在介质基板上表面的金属贴片包括四个毫米波天线单元和去耦结构，印刷在介质基板下表面的金属贴片为金属接地面，所述四个毫米波天线单元为MIMO天线的主体部分，分别设置于介质基板四周，每个毫米波天线单元包括主辐射贴片、共面波导微带馈线、带圆形槽的金属结构以及金属接地面上的两个竖直矩形缝隙和一个水平矩形缝隙，所述去耦结构包括设置于相邻毫米波天线单元之间的四个平面紧凑型电磁带隙结构和设置于介质基板中部的“X”型金属贴片。
2.根据权利要求1所述的一种应用于5G移动通信的毫米波宽带MIMO天线，其特征在于，所述介质基板采用罗杰斯5880高频板材，厚度为1.575mm。
3.根据权利要求1所述的一种应用于5G移动通信的毫米波宽带MIMO天线，其特征在于，所述主辐射贴片上部为半圆形结构，用于增加电流路径，从而降低天线的尺寸，所述主辐射贴片下部为锥形渐变结构，使馈电处的电流平滑过渡，以提高天线的阻抗匹配，所述共面波导微带馈线与主辐射贴片下部相连，所述共面波导微带馈线为阶梯状结构，以进一步提升阻抗匹配。
4.根据权利要求1所述的一种应用于5G移动通信的毫米波宽带MIMO天线，其特征在于，所述共面波导微带馈线与2.92mm射频连接器内芯连接，所述2.92mm射频连接器的四根金属引脚与带圆形槽的金属结构和金属接地面连接。
5.根据权利要求1所述的一种应用于5G移动通信的毫米波宽带MIMO天线，其特征在于，所述带圆形槽的金属结构共同参与天线的辐射，产生一个新的谐振点，从而扩展天线的频带；所述带圆形槽的金属结构，其上部的左端和右端各有一个矩形开口，上部的中间和下部的中间各有一个与圆形槽连通的矩形开口；所述带圆形槽的金属结构上部的三个矩形开口用于改善毫米波天线单元的定向辐射特性。
6.根据权利要求1所述的一种应用于5G移动通信的毫米波宽带MIMO天线，其特征在于，所述四个平面紧凑型电磁带隙结构主要用于提高相邻毫米波天线单元之间的隔离度，每个平面紧凑型电磁带隙结构为一个在其上沿长度方向设有四个平面电磁带隙单元的矩形金属贴片，每个平面电磁带隙单元包括一个“十”字型缝隙和四个设于其四周的“L”型缝隙；所述“X”型金属贴片主要用于提高斜对角毫米波天线单元之间的隔离度。
7.根据权利要求1所述的一种应用于5G移动通信的毫米波宽带MIMO天线，其特征在于，所述金属接地面包括八个竖直矩形缝隙、四个水平矩形缝隙和十六个菱形缝隙。
8.根据权利要求7所述的一种应用于5G移动通信的毫米波宽带MIMO天线，其特征在于，在金属接地面上对应于同一个毫米波天线单元的两个竖直矩形缝隙和一个水平矩形缝隙共同构成缺陷地结构，用于提高毫米波天线单元的带宽，并进一步改善毫米波天线单元的定向辐射特性。
9.根据权利要求7所述的一种应用于5G移动通信的毫米波宽带MIMO天线，其特征在于，所述菱形缝隙用于进一步提高毫米波天线单元之间的隔离度。
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