CN114976632A - 一种基于多共模差模的紧凑型宽频带mimo天线 - Google Patents

一种基于多共模差模的紧凑型宽频带mimo天线 Download PDF

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Abstract

一种基于多共模差模的紧凑型宽频带MIMO天线，包括介质基板、系统地板、介质边框和天线对；系统地板印刷于介质基板的上表面；介质边框垂直设置于介质基板上，且与系统地板隔离，介质边框有多个，关于介质基板中心对称；每个天线对包含两个天线单元，分别为印刷于介质边框内侧的T形单极子天线和印刷于介质边框外侧的环天线，T形单极子天线的竖直部分投影于环天线的竖直对称线上，水平部分投影于环天线的范围内；每个天线对包含端口a和端口b，端口a位于介质基板上，与T形单极子天线相连，端口b位于环天线上，其中端口a激励共模模式，端口b激励差模模式。本发明天线对具有高隔离、宽频带、小尺寸、结构紧凑等优点。

Description

一种基于多共模差模的紧凑型宽频带MIMO天线
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及天线设计，特别涉及一种基于多共模差模的紧凑型宽频带MIMO天线。
背景技术
随着移动通信技术的快速发展，可穿戴设备因其轻巧便携，同时具有足够强的使用黏性和功能实用性等优点逐渐受到越来越多的关注，智能手表是最受欢迎的可穿戴产品之一。近年来MIMO技术因其具有提高通信系统的吞吐量、传送距离和频谱利用率等优点被广泛应用于终端天线的设计中，同时对于多频段的MIMO手表天线的研究也在逐渐增加。但是在空间十分有限的可穿戴设备中，天线数量增多会使得天线之间距离减小从而导致MIMO天线单元之间产生强烈的互耦现象，影响天线性能。因此在增加天线数量的同时保证天线良好的MIMO性能是智能手表天线设计的难点之一。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明提出了一种基于多共模差模的紧凑型宽频带MIMO天线，以解决现有可穿戴设备空间与MIMO天线性能难以兼顾的问题。通过激励天线对内的共模模式和差模模式实现天线对内端口之间的高隔离；同时添加寄生枝节提高天线带宽，天线对内寄生枝节加载分别引入的多个共模与差模之间仍然具有正交性。因此本发明所提出的紧凑型MIMO天线在紧张的空间中集成了多个天线单元，在具有较宽工作频带的同时，依然保证了良好的带内隔离。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于多共模差模的紧凑型宽频带MIMO天线，包括介质基板、系统地板、介质边框和天线对；通过多共模差模实现天线之间的高隔离。
所述系统地板印刷于介质基板的上表面；所述介质边框垂直设置于介质基板上，且与系统地板隔离，所述介质边框有多个，关于介质基板中心对称，每个介质边框上设置一个天线对；
每个天线对包含两个天线单元，分别为印刷于介质边框内侧的T形单极子天线和印刷于介质边框外侧的环天线，所述T形单极子天线的竖直部分投影于环天线的竖直对称线上；
每个天线对包含端口a和端口b，端口a位于介质基板上，与T形单极子天线相连，端口b位于环天线上，其中端口a激励共模模式，端口b激励差模模式。
在一个实施例中，所述介质基板为矩形，所述介质边框有四个，依次相邻，环绕设置在介质基板的边缘。
在一个实施例中，所述系统地板的印刷面积小于介质基板的上表面面积。
在一个实施例中，在介质边框外侧位于环天线下方有一个水平的长条寄生枝节，在介质基板上有两个L形的对称接地寄生枝节；两个对称接地寄生枝节关于T形单极子天线的竖直部分对称，对称接地寄生枝节的第一臂与长条寄生枝节平行，且与系统地板具有间距，第一臂在靠近T形单极子天线竖直部分的一端与对称接地寄生枝节的第二臂的一端连接，对称接地寄生枝节的第二臂的另一端连接系统地板；所述长条寄生枝节关于T形单极子天线的竖直部分的投影对称，所述端口a和端口b均投影于T形单极子天线的竖直部分。
在一个实施例中，T形单极子天线在3.52GHz处谐振，T形单极子天线水平部分的长度L2和垂直部分的长度W4满足L2/2+W4约为0.72倍的四分之一谐振频率波长。
在一个实施例中，所述环天线为矩形框，包括水平边和竖直边，其水平边长度为L1，竖直边长度为W1，环天线在3.42GHz处谐振，满足2×(L1+W1)约为0.76倍的谐振频率波长。
在一个实施例中，对称接地寄生枝节在4.12GHz时引入一个谐振，对称接地寄生枝节第一臂的长度水平L6和第二臂的长度W3满足L6+W3约等于0.70倍的四分之一的谐振频率波长。
在一个实施例中，所述介质基板和介质边框的材质均为FR4，厚度为1mm，所述系统地板净空为2.5mm
在一个实施例中，天线工作频率范围为3.3GHz-4.2GHz，在该频率范围内端口a和端口b反射系数均小于-6dB，天线对内部隔离优于42dB，天线系统整体隔离优于10dB。
在一个实施例中，所述天线用于可穿戴设备。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：首次在空间紧张的可穿戴智能手表之中集成八单元MIMO天线系统，极大的提高了5G智能手表MIMO通信系统的信道容量。
本发明通过对天线对共模和差模激励实现天线对内端口之间的高隔离，同时添加寄生枝节提高天线带宽，天线对内寄生枝节加载分别引入的多个共模与差模之间仍然具有正交性。因此本发明所提出的紧凑型MIMO天线在紧张的空间中集成了8个天线单元，依然保证了良好的带内隔离，同时具有较高的带宽。
该天线覆盖N77频段，具有小型化、天线之间隔离度高的优点，适用于智能手表中。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明单个天线对的结构示意图。
图3为本发明反射系数曲线图。
图4为本发明传输系数曲线图。
图5为本发明中心频率端口a馈电时XZ面和YZ面的归一化辐射方向图。
图6为本发明中心频率端口b馈电时XZ面和YZ面的归一化辐射方向图。
图7为本发明辐射效率曲线图。
图中：1、介质基板；2、第一介质边框；3、第二介质边框；4、第三介质边框；5、第四介质边框；6、系统地板；7、天线对；8、端口a；9、端口b；71、T形单极子天线；72、环天线；73、对称接地寄生枝节；74、长条寄生枝节。
具体实施方式
为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和实施例对发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。
参考图1，本发明一种基于多共模差模的紧凑型宽频带MIMO天线，包括介质基板1、系统地板6、介质边框和天线对7。其中系统地板6印刷于介质基板1的上表面，其面积一般应小于介质基板1的上表面面积，显然，系统地板6宜印刷于介质基板1上表面的中央位置。
介质边框垂直设置于介质基板1上，且与系统地板6隔离，即介质边框宜设置于介质基板1的边缘位置，其数量可为多个，并关于介质基板1的中心对称，每个介质边框上设置一个天线对7。
本实施例中，介质基板1为矩形，介质边框的数量为四个，依次相邻，垂直设置在介质基板1的四周边缘，分别表示为第一介质边框2、第二介质边框3、第三介质边框4和第四介质边框5。显然，一种更优的结构是，介质基板1为正方形，此时四个介质边框的尺寸以及其上的天线对7的参数完全相同。
本发明各天线对7的结构相同，参考图2，每个天线对7包含两个天线单元，即T形单极子天线71和环天线72。其中，T形单极子天线71印刷于介质边框的内侧，环天线72印刷于介质边框的外侧。显然，T形单极子天线71和环天线72适宜印制在介质边框的中央位置。T形单极子天线71和环天线72的竖直方向对称线位于同一投影上，即，T形单极子天线71的竖直部分投影于环天线72的竖直对称线上，同时，其水平部分宜投影于环天线72的范围内。
每个天线对7均包含一个端口a8和一个端口b9，其中端口a8位于介质基板1上，与T形单极子天线71相连，具体是与其竖直部分的底端相连。端口b9则位于环天线72上。其中端口a8激励共模模式，端口b9激励差模模式。
共模模式的特点是电流幅度对称，方向对称，差模模式的特点是电流幅度对称同，方向相同，共模模式与差模模式之间具有正交性，因此可以实现天线对7内的端口a8和端口b9之间的高隔离。
进一步地，继续参考图2，本发明为每个天线对7设置了一个长条寄生枝节74和两个对称接地寄生枝节73。其中，长条寄生枝节74水平设置在介质边框外侧，并位于环天线72下方，关于环天线72的竖直对称线对称。对称接地寄生枝节73设置在介质基板1上，为L形，包括第一臂和第二臂。在每个天线对7中，两个对称接地寄生枝节73关于T形单极子天线71的竖直部分对称，并与关于T形单极子天线71的竖直部分具有间距。其第一臂与长条寄生枝节74平行，且与系统地板6具有间距，第一臂在靠近T形单极子天线71竖直部分的一端通过第二臂与系统地板6连接。同时，端口a8和端口b9也均投影于T形单极子天线71的竖直部分。一种可行的实现形式，对称接地寄生枝节73和长条寄生枝节74均采用贴片结构。
本发明实施例中，天线对7内引入的对称接地寄生枝节73和长条寄生枝节74具有对称性，所以天线对端口a8和端口b9在宽频带内仍然具有正交性，在拓展带宽的同时保证了天线对7内端口间的隔离度。
本发明实施例中，T形单极子天线71在3.52GHz处谐振，T形单极子天线71水平部分的长度L2和垂直部分的长度W4满足L2/2+W4约为0.72倍的四分之一谐振频率波长。
本发明实施例中，所述环天线72为矩形框，包括水平边和竖直边，其水平边长度为L1，竖直边长度为W1，该环天线在3.42GHz处谐振，满足2×(L1+W1)约为0.76倍的谐振频率波长。
本发明实施例中，对称接地寄生枝节73在4.12GHz时引入一个谐振，对称接地寄生枝节73第一臂的长度水平L6和第二臂的长度W3满足L6+W3约等于0.70倍的四分之一的谐振频率波长。
本发明实施例中，所述介质基板1和介质边框的材质均为FR4，厚度为1mm，所述系统地板6净空为2.5mm，在净空区域放置对称接地寄生枝节73。
本发明实施例中，其他结构尺寸见表1所示：
表1
结构 L<sub>0</sub> L<sub>1</sub> L<sub>2</sub> L<sub>3</sub> L<sub>4</sub> L<sub>5</sub>
尺寸(mm) 48 29.4 10 1.2 22.4 1
结构 L<sub>6</sub> L<sub>7</sub> W<sub>0</sub> W<sub>1</sub> W<sub>2</sub> W<sub>3</sub>
尺寸(mm) 10.6 1.6 9 4.2 1 2
结构 W<sub>4</sub> W<sub>5</sub>
尺寸(mm) 2.5 6.3
其中：L0为介质基板1的长度，L1为环天线72长边的长度，L2为T形单极子天线71水平部分的长度，L3为环天线72的环宽度，L4为长条寄生枝节74的长度，L5为T形单极子天线71竖直部分的宽度。L6为对称接地寄生枝节73第一臂的长度，L7为对称接地寄生枝节73到馈电端口a8的距离，W0为介质边框的高度，W1为环天线72短边的长度，W2为对称接地寄生枝节73宽度，W3为对称接地寄生枝节73第二臂的长度，W4为系统地板6净空距离，W5为T形单极子天线71竖直部分的长度。
本发明通过分别激励天线对内双端口产生共模和差模模式实现天线对内端口的高隔离；同时添加寄生枝节提高天线带宽，天线对内寄生枝节加载分别引入的多个共模与差模之间仍然具有正交性。因此本发明所提出的紧凑型MIMO天线在紧张的空间中集成了8个天线单元，依然保证了良好的带内隔离，同时具有较高的带宽。
该天线覆盖N77频段，具有小型化、高隔离度的优点，适合用于智能手表中。
本发明的效果可结合仿真结果作进一步说明：
如图3所示，为本实施例一种基于多共模差模的紧凑型宽频带MIMO天线的反射系数图。端口a8可激励起共模模式，反射系数为|S11|，工作频带为3.3-4.2GHz；端口b9可激励起差模模式，反射系数为|S22|，工作频带为3.3-4.2GHz。在该频率范围内端口a8和端口b9反射系数均小于-6dB，因此也即天线的-6dB带宽范围为3.3-4.2GHz。
如图4所示，为本实施例一种基于多共模差模的紧凑型宽频带MIMO天线的传输系数曲线图。其中|S21|为天线对内端口a8和端口b9之间的传输系数；|S31|为第一介质边框2上的T形单极子天线71与第二介质边框3上的T形单极子天线71之间的传输系数；|S41|为第一介质边框2上的T形单极子天线71与第二介质边框3上的环天线72之间的传输系数；|S42|为第一介质边框2上的环天线72与第二介质边框3上的环天线72之间的传输系数。该天线系统整体隔离度优于10dB，天线对内端口间的隔离度优于42dB。
如图5所示，为端口a激励时中心频率的XZ面方向图和YZ面的方向图，可以看出天线具有近似全向的辐射性能，满足终端天线全向覆盖的需求。
如图6所示，为端口b激励时中心频率的XZ面方向图和YZ面的方向图，可以看出天线具有近似全向的辐射性能，满足终端天线全向覆盖的需求。
如图7所示，分别为端口a和端口b激励时的天线效率，天线工作频带内辐射效率大于32％
综上，本发明的天线对具有高隔离、宽频带、小尺寸、结构紧凑等优点，同时，本发明在空间紧张的智能手表之中集成8个天线单元，极大的提高了智能手表MIMO通信系统的信道容量。
以上对本发明所提供的一种基于多共模差模的紧凑型宽频带MIMO天线的进行了详细介绍，并应用了详细的结构设计参数对本发明的原理及实施方式进行了阐述及实现。以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于多共模差模的紧凑型宽频带MIMO天线，其特征在于，包括介质基板(1)、系统地板(6)、介质边框和天线对(7)；
所述系统地板(6)印刷于介质基板(1)的上表面；所述介质边框垂直设置于介质基板(1)上，且与系统地板(6)隔离，所述介质边框有多个，关于介质基板(1)中心对称，每个介质边框上设置一个天线对(7)；
每个天线对(7)包含两个天线单元，分别为印刷于介质边框内侧的T形单极子天线(71)和印刷于介质边框外侧的环天线(72)，所述T形单极子天线(71)的竖直部分投影于环天线(72)的竖直对称线上；
每个天线对(7)包含端口a(8)和端口b(9)，端口a(8)位于介质基板(1)上，与T形单极子天线(71)相连，端口b(9)位于环天线(72)上，其中端口a(8)激励共模模式，端口b(9)激励差模模式。
2.根据权利要求1所述基于多共模差模的紧凑型宽频带MIMO天线，其特征在于，所述介质基板(1)为矩形，所述介质边框有四个，依次相邻，环绕设置在介质基板(1)的边缘。
3.根据权利要求1或2所述基于多共模差模的紧凑型宽频带MIMO天线，其特征在于，所述系统地板(6)的印刷面积小于介质基板(1)的上表面面积。
4.根据权利要求1或2所述基于多共模差模的紧凑型宽频带MIMO天线，其特征在于，在介质边框外侧位于环天线(72)下方有一个水平的长条寄生枝节(74)，在介质基板(1)上有两个L形的对称接地寄生枝节(73)；两个对称接地寄生枝节(73)关于T形单极子天线(71)的竖直部分对称，对称接地寄生枝节(73)的第一臂与长条寄生枝节(74)平行，且与系统地板(6)具有间距，第一臂在靠近T形单极子天线(71)竖直部分的一端与对称接地寄生枝节(73)的第二臂的一端连接，对称接地寄生枝节(73)的第二臂的另一端连接系统地板(6)；所述长条寄生枝节(74)关于T形单极子天线(71)的竖直部分的投影对称，所述端口a(8)和端口b(9)均投影于T形单极子天线(71)的竖直部分。
5.根据权利要求4所述基于多共模差模的紧凑型宽频带MIMO天线，其特征在于，所述T形单极子天线(71)在3.52GHz处谐振，T形单极子天线(71)水平部分的长度L2和垂直部分的长度W4满足L2/2+W4为0.72倍的四分之一谐振频率波长。
6.根据权利要求4所述基于多共模差模的紧凑型宽频带MIMO天线，其特征在于，所述环天线(72)为矩形框，包括水平边和竖直边，其水平边长度为L1，竖直边长度为W1，环天线(72)在3.42GHz处谐振，满足2×(L1+W1)为0.76倍的谐振频率波长。
7.根据权利要求4所述基于多共模差模的紧凑型宽频带MIMO天线，其特征在于，所述对称接地寄生枝节(73)在4.12GHz时引入一个谐振，对称接地寄生枝节(73)第一臂的长度水平L6和第二臂的长度W3满足L6+W3等于0.70倍的四分之一的谐振频率波长。
8.根据权利要求1或2所述基于多共模差模的紧凑型宽频带MIMO天线，其特征在于，所述介质基板(1)和介质边框的材质均为FR4，厚度为1mm，所述系统地板(6)净空为2.5mm。
9.根据权利要求1或2所述基于多共模差模的紧凑型宽频带MIMO天线，其特征在于，天线工作频率范围为3.3GHz-4.2GHz，在该频率范围内端口a(8)和端口b(9)反射系数均小于-6dB，天线对(7)内部隔离优于42dB，天线系统整体隔离优于10dB。
10.据权利要求1或2所述基于多共模差模的紧凑型宽频带MIMO天线，其特征在于，所述天线用于可穿戴设备。
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