CN114122721A - 一种用于5g移动终端的宽带、高隔离度的六单元mimo缝隙天线 - Google Patents

一种用于5g移动终端的宽带、高隔离度的六单元mimo缝隙天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于5G移动终端的宽带、高隔离度的六单元MIMO缝隙天线，所述长方体介质基板底部设有一金属地板，所述地板的表面对称开凿M个“T”型槽和N个类“T”型槽；所述介质基板的顶部均匀设有N个天线单元，每个天线单元由两条微带线，以及地板正对应的类“T”型槽构成。所述微带线由金属材质组成，加载在介质基板顶部。所述介质基板顶部两侧的天线单元呈镜像对称分布，每一侧天线单元间的距离相同。本发明可以覆盖3.3‑5.1GHz频段，天线单元间的隔离度可达到16.2dB以上，辐射效率超过50％，相关性系数在0.02以下，天线结构简单，尺寸小，在移动终端通信中具有很好的实用价值。

Description

一种用于5G移动终端的宽带、高隔离度的六单元MIMO缝隙 天线
技术领域
本发明涉及5G移动通信技术领域，具体是一种用于5G移动终端的宽带、高隔离度的六单元MIMO缝隙天线。
背景技术
目前移动通信进入5G时代，有数据表明，5G传输速率是4G速率的100倍。研究表明，5G移动终端通信技术研发的核心是满足数据高速传输，低时延，宽带，高容量，向下兼容性等。由通信系统理论可知，信道容量越大，数据传输速率越高，而多输入多输出(MIMO)技术能很好地提高信道容量和传输率。通过研究发现，多径环境下随着发射和接收天线数目的增加，信道容量也在成倍地增加。
国内外针对5G通信系统中具有宽带的MIMO天线进行了大量的研究。大部分研究和设计的5G天线仅能覆盖部分频段，天线频段单一且窄将使通讯不便，所以如何实现天线的宽带化是一个重点问题。
在MIMO系统中，天线单元之间的耦合将使单元间的信号相关性增加，使信道容量下降，从而影响正常工作。由于互耦的不利影响，实现天线间的低互耦显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于5G移动终端的宽带、高隔离度的六单元MIMO缝隙天线；该发明具有频带宽，隔离度高，结构简单，辐射效率高等优点。
本发明实现发明目的采用如下技术方案：
一种用于5G移动终端的宽带、高隔离度的六单元MIMO缝隙天线，包括一个介质基板，其特征在于，所述长方体介质基板底部设有一金属地板，所述地板的表面对称开凿M个“T”型槽和N个类“T”型槽；所述介质基板的顶部均匀设有N个天线单元，每个天线单元由两条微带线，以及地板正对应的类“T”型槽构成。所述微带线由金属材质组成，加载在介质基板顶部，微带线结构设有馈电点。
作为优选，所述介质基板顶部两侧的天线单元呈镜像对称分布，每一侧天线单元间的距离相同。
作为优选，所述长方体作为介质基板，微带线用于天线的馈电，类“T”型槽用于天线的阻抗匹配，“T”型槽用于减小天线间的耦合。
作为优选，所述长方体介质基板材质为FR4，介电常数为4.4，长为150mm,宽为75mm，高度为0.8mm；印刷微带线的一面为介质基板的正面，印刷金属地板的一面则为介质基板的背面。
作为优选，所述的两条微带线呈“I”型，垂直交替相接组合在为一条“L”型微带线并沿基板正面均匀对称分布，加载在类“T”型槽的上方；第一条靠基板边缘的微带线长度为10.9mm，另一条微带线的长度为4mm，所述微带线的宽度均为2.5mm。
作为优选，所述类“T”型槽由两个开槽构成：一个槽呈“U”型，长度为6mm，宽度为4.5mm，其中还有两个突出的长度为1mm，宽度为0.5mm的较小槽；另一个是嵌入到“U”型槽中间的“I”型开路枝节，与金属地板边缘相接，其长度为4.4mm，宽度为1mm；“T”型槽沿一侧的天线单元对称设置，它由两部分组成：沿地板长边的槽长11.5mm，宽2mm；沿地板短边的槽长7.5mm，宽度为2mm。
作为优选，所述的T型槽的中心与相邻的类“T”型槽的中心间隔为30mm。
作为优选，所述介质基板的背面按照地板的结构进行覆锡，在介质基板的正面按照微带线结构进行覆锡。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明的天线可以覆盖5G的3.3GHz-5.1GHz，相对带宽为42.86％，实测天线辐射效率可达到50％-63％，在频带范围内，可基本实现全向覆盖。
(2)本发明引入的“T”型隔离器不影响MIMO天线的阻抗匹配，在谐振频率3.9GHz和4.3GHz的隔离度可达到16.2dB以上。
(3)本发明的每个天线单元之间的包络相关系数远远小于0.3，具有良好的分集性能。
(4)本发明的天线结构简单，加工容易，成本低，信道容量高的优点，在移动终端应用中具有很高的实用价值。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的缝隙天线单元结构图。
图3是本发明的介质板接地结构图。
图4是本发明的天线Ant1、Ant2和Ant3的S11参数仿真和实测对比图。
图5(a)是本发明的天线单元隔离度的仿真图。
图5(b)是本发明的天线单元隔离度的实测图。
图6(a)是本发明的天线Ant1仿真和实测的辐射方向对比图。
图6(b)是本发明的天线Ant2仿真和实测的辐射方向对比图。
图6(c)是本发明的天线Ant3仿真和实测的辐射方向对比图。
图7是本发明的天线Ant1、Ant2和Ant3仿真和实测的辐射效率对比图。
图8是本发明的天线单元间相关系数计算结果图。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明做进一步解释说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该意识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。
如图1所示，一种用于5G移动终端的宽带、高隔离度的六单元MIMO缝隙天线，包括一介质基板1，所述介质基板的底部设置有地板3，在所述地板3的表面，开设了10个特定形状的槽。整个介质基板的长度为150mm，宽度为75mm，高度为0.8mm。所述介质基板1的顶部加载有6条“L”型微带线2，左边3个与右边3个呈镜像对称,“L”型微带线2由两条相互垂直交替相连的“I”型枝节4和5组成，所述微带线设有馈电点6，用于耦合馈电。在地板3的底部，开凿了类“T”型槽7，用于天线的阻抗匹配。如图3所示，在同一侧的天线单元中间开凿“T”型槽10，用于减小天线间的耦合程度.本发明结构简单，对天线净空区需求较小，辐射效率高。
所述微带线2由4和5组成，4沿平行于介质基板短边方向分布；5与4垂直相连，沿垂直于介质基板边缘方向分布。
每个类“T”型槽7由“U”型槽8和“I”型槽9组成，设于各微带线2下方，“U”型槽中有两个突出的部分，“I”型槽9嵌入到“U”型槽8中间，与地板边缘相连。
所述“T”型槽10由槽11和槽12组成，槽11沿地板长边方向开设，槽12垂直嵌入到槽11中间，与地板短边边缘相接。
在本实施例中，所述微带线4的长度为4.5mm，宽度为2.5mm，位于介质基板的顶部；微带线5的长度为10.9mm，宽度为2.5mm，位于介质基板的顶部。
所述“U”型槽8的长度为6mm，宽度为4.5mm,突出部分的长度为1mm，宽度为0.5mm；“I”型槽9的长度为4.4mm，宽度为1mm。
所述槽11的长度为11.5mm，宽度为2mm；槽12的长度为7.5mm，宽度为2mm。
地板开设的类“T”型槽7的中心和“T”型槽10的中心之间的间距为30mm。
本实施例所述的天线结构蚀刻在介质基板1上的，介质基板的材质为FR4，介电常数4.4，高度0.8mm，一面按照微带线的结构进行覆锡；另一面按照地板的结构进行覆锡，作为无限大接地平面。
具体实现如下:
本实施例采用电路板刻蚀技术，在厚度为0.8mm的PCB板的一面上刻蚀出图3的接地面结构，整个介质基板的尺寸为150mm×75mm×0.8mm，其中馈电点位置按照不覆锡打孔工艺，同时也采用该蚀刻技术在厚度为0.8mm的FR4基板的另一面刻蚀出图1的微带线结构。
利用电磁仿真软件ANSYSElectronicsDesktop2018.2对该MIMO系统进行仿真，仿真调试完成后进行实物制作和测试。S参数的结果如附图4所示，从中可以看出，无论是仿真和测试结果，均可覆盖3.3GHz-5.1GHz。由于设计的天线阵列是镜像对称的，所以实测的所有单元都可覆盖3.3GHz-5.1GHz，满足5G移动通信要求。从图中可以看出，实测天线谐振点发生了偏移，这是因为天线的接地点和馈电点之间采用了半孔工艺，导致微带线被加宽了一些宽度，导致谐振点偏移。
如附图5(a)和(b)所示，仿真和实测得到的天线单元间的隔离度均在16.2dB以上，说明天线单元间的耦合程度很小。
如附图6所示，分别为Ant1、Ant2和Ant3在谐振点3.9GHz和4.3GHz处的XOZ面和YOZ面的仿真和实测二维辐射方向对比图。从图中可以看出，在两个频点处可基本上实现全向辐射，实测和仿真有差别的原因可能在于实物制作有误差和人工测量操作的问题。
附图7为Ant1、Ant2和Ant3仿真和实测的辐射效率对比图，如图所示，实测得到的天线效率在3.3GHz-5.1GHz(5G)频段内均在50％以上。
附图8为通过公式(1)计算得到的天线单元的包络相关系数曲线图：
Figure BDA0003444916620000041
天线单元间的包络相关系数越小，说明天线单元在独立工作时受到彼此的影响越小，信道容量也不会受到影响。如附图8所示，天线单元间的包络相关系数在3.3GHz-5.1GHz(5G)频段内小于0.02，因此该MIMO系统的独立性很高，具有很高的实用价值。

Claims (7)

1.一种用于5G移动终端的宽带、高隔离度的六单元MIMO缝隙天线，包括一个介质基板，其特征在于，所述长方体介质基板底部设有一金属地板，所述地板的表面对称开凿M个“T”型槽和N个类“T”型槽；所述介质基板的顶部均匀设有N个天线单元，每个天线单元由两条微带线，以及地板正对应的类“T”型槽构成。所述微带线由金属材质组成，加载在介质基板顶部，微带线结构设有馈电点。
所述介质基板顶部两侧的天线单元呈镜像对称分布，每一侧天线单元间的距离相同。
2.根据权利要求1所述的一种用于5G移动终端的宽带、高隔离度的六单元MIMO缝隙天线，其特征在于，所述长方体作为介质基板，微带线用于天线的馈电，类“T”型槽用于天线的阻抗匹配，“T”型槽用于减小天线间的耦合。
3.根据权利要求2所述的一种用于5G移动终端的宽带、高隔离度的六单元MIMO缝隙天线，其特征在于，所述长方体介质基板材质为FR4，介电常数为4.4，长为150mm,宽为75mm，高度为0.8mm；印刷微带线的一面为介质基板的正面，印刷金属地板的一面则为介质基板的背面。
4.根据权利要求3所述的一种用于5G移动终端的宽带、高隔离度的六单元MIMO缝隙天线，其特征在于，所述的两条微带线呈“T”型，垂直交替相接组合在为一条“L”型微带线并沿基板正面均匀对称分布，加载在类“T”型槽的上方；第一条靠基板边缘的微带线长度为10.9mm，另一条微带线的长度为4mm，所述微带线的宽度均为2.5mm。
5.根据权利要求4所述的一种用于5G移动终端的宽带、高隔离度的六单元MIMO缝隙天线，其特征在于，所述类“T”型槽由两个开槽构成：一个槽呈“U”型，长度为6mm，宽度为4.5mm，其中还有两个突出的长度为1mm，宽度为0.5mm的槽；另一个是嵌入到“U”型槽中间的“I”型开路枝节，与金属地板边缘相接，其长度为4.4mm，宽度为1mm；
“T”型槽沿一侧的天线单元对称设置，它由两部分组成：沿地板长边的槽长11.5mm，宽2mm；沿地板短边的槽长7.5mm，宽度为2mm。
6.根据权利要求5所述的一种用于5G移动终端的宽带、高隔离度的六单元MIMO缝隙天线，其特征在于，所述的T型槽的中心与相邻的类“T”型槽的中心间隔为30mm。
7.根据权利要求6所述的一种用于5G移动终端的宽带、高隔离度的六单元MIMO缝隙天线，其特征在于，所述介质基板的背面按照地板的结构进行覆锡，在介质基板的正面按照微带线结构进行覆锡。
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