CN115275591A - 一种基于交指结构的小型化多端口紧布置mimo天线 - Google Patents

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CN115275591A CN202210844746.5A CN202210844746A CN115275591A CN 115275591 A CN115275591 A CN 115275591A CN 202210844746 A CN202210844746 A CN 202210844746A CN 115275591 A CN115275591 A CN 115275591A
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Abstract

本发明公开了一种基于交指结构的小型化多端口紧布置MIMO天线，包括介质基板、金属地板及多端口紧布置MIMO天线模块；多端口紧布置MIMO天线模块包含两个对称的辐射单元和相应的三个馈电结构，其中，第一馈电结构采用馈线直接馈电，第二、三馈电结构附加了电容与电感组成的馈电网络，以此调节阻抗匹配；两个对称的辐射单元印刷在介质基板下表面，三个馈电结构印刷在介质基板的上表面；上表面三个馈电结构和下表面两个辐射单元通过三个过孔相连。本发明既具有小型化特性也具有高隔离度，且具有节约空间，成本低廉的优点，因此在5G移动终端中具有良好的应用前景。

Description

一种基于交指结构的小型化多端口紧布置MIMO天线
技术领域
本发明属于移动通信技术领域，具体涉及一种基于交指结构的小型化多端口紧布置MIMO天线。
背景技术
MIMO技术是一种通过多个天线进行电磁波调制信号的同步接收与发射，从而提升无线信号传输质量的无线技术。由于MIMO通信技术具有能在不需要增加传输带宽的基础情况下成倍地大大提高无线通信传输系统的数据吞吐量、传送传输距离和提高频谱资源利用率的三大优点，因此，MIMO通信技术在当前的无线通信技术中有着非常重要的地位。
但是，由于现代无线电通信系统要求天线向小型化、多频段、高集成度方向发展。这一发展方向既要求天线设计在尺寸上做减法，又要求在功能上做加法。由于天线的性能与波长密切相关，工作频率越低，波长越长。因此，如何在保证天线满足频带要求和隔离度要求的前提下，实现天线的小型化设计，是天线小型化技术的核心问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于交指结构的小型化多端口紧布置MIMO天线，采用多个端口同时激励一个辐射模块，且每个端口激励相互正交的模式，辐射模块内部有两个辐射单元，每个辐射单元都采用交指结构和离地缝隙形成分布式电容的技术，增大了整个天线单元的等效电容，从而减小天线的体积，实现小型化特性。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于交指结构的小型化多端口紧布置MIMO天线，包括金属地板、介质基板和多端口紧布置MIMO天线模块；
所述多端口紧布置MIMO天线模块关于介质基板的x轴负向中轴线对称分布；
所述多端口紧布置MIMO天线模块包含镜像对称的第一辐射单元和第二辐射单元，以及第一端口馈电结构、第二端口馈电结构和第三端口馈电结构；
其中，第一端口馈电结构采用馈线直接馈电，第二端口馈电结构附加第一电容与第二电感组成的馈电网络，第三端口馈电结构附加第二电容与第二电感组成的馈电网络，以此调节阻抗匹配；
第一辐射单元和第二辐射单元印刷在介质基板下表面，第一端口馈电结构、第二端口馈电结构和第三端口馈电结构印刷在介质基板的上表面；
上表面第一端口馈电结构、第二端口馈电结构和第三端口馈电结构和下表面的第一辐射单元和第二辐射单元间通过第一过孔、第二过孔和第三过孔相连。
第一辐射单元和第二辐射单元分别通过第一交指结构、第二交指结构、第三交指结构，第四交指结构、第五交指结构、第六交指结构和离地缝隙形成分布式电容；
所述金属地板印刷在介质基板下表面，用于实现MIMO天线接地。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的多端口紧布置MIMO天线模块底部由第一辐射单元和第二辐射单元组成，其中第一辐射单元由第一交指结构、第二交指结构、第三交指结构组成，第二辐射单元由第四交指结构、第五交指结构、第六交指结构组成；
第一辐射单元和第二辐射单元的开口相背，且关于中心缝隙对称分布。
上述的第一端口馈电结构位于中心缝隙正上方，通过第一过孔与第一辐射单元和第二辐射单元相接，实现电流上下流通；
第一端口馈电结构由印刷于介质基板上表面的50Ω的馈电微带线直接馈电；
所述MIMO天线上还设有第一矩形焊盘，其通过金属化第一过孔与金属地板相接。
上述的第二端口馈电结构和第三端口结构关于中心缝隙对称分布，通过对称的第二过孔和第三过孔分别与第一交指结构和第二交指结构相连，实现电流上下流通；
所述MIMO天线上还设有第二矩形焊盘和第三矩形焊盘，其分别通过金属化第二过孔和金属化第三过孔与金属地板相接。
上述的多端口紧布置MIMO天线模块中，并联的第一电感和第二电感通过第一方形焊盘、第二方形焊盘和第一金属化过孔、第二金属化过孔与金属地板相接，串联的第一电容、第二电容分别焊接在第二端口馈电结构和第三端口结构上，由此构成阻抗匹配网络。
上述的多端口紧布置MIMO天线模块尺寸为11.9*8mm2，离地间隙为0.1mm，每相邻两个端口之间的间距为5.6mm。
上述的介质基板为FR4介质基板，介电常数εr＝4.4，耗散因子tanδ＝0.02，体积为70×70×1mm3；
FR4介质基板下表面是金属地板，尺寸为60×70mm2。
单个辐射单元长为5.45mm，高为7.9mm；
中心缝隙宽为1mm；
相邻两个交指结构之间距离为0.5mm；
第一电容、第二电容电容值为0.1pF；
第一电感、第二电感电感值为3.3nH。
本发明具有以下有益效果：
本发明的基于交指结构的小型化多端口紧布置MIMO天线包括介质基板、金属地板及多端口紧布置MIMO天线模块。多端口紧布置MIMO天线模块包含两个对称的辐射单元和相应的三个馈电结构，其中，第一馈电结构采用馈线直接馈电，第二、三馈电结构附加了电容与电感组成的馈电网络，以此调节阻抗匹配；两个对称的辐射单元印刷在介质基板下表面，三个馈电结构印刷在介质基板的上表面；上表面三个馈电结构和下表面两个辐射单元通过三个过孔相连。
本发明将辐射单元与馈电结构集成为一个小型化的多端口紧布置天线模块，两天线模块之间通过交指结构和离地缝隙形成分布式电容，增大等效电容，减小天线体积，采用三个馈电结构同时激励两个辐射单元的形式，在端口距离非常接近的情况下，既具有小型化特性也具有高隔离度，且具有节约空间，成本低廉的优点，因此在5G移动终端中具有良好的应用前景。
本发明天线模块的尺寸很小，仅为11.9×8mm2，有效实现了小型化特性，三个馈电端口之间无需任何额外解耦结构，隔离度都达到10dB以上，且交指结构和离地缝隙相当于分布式电容，结构非常简单，降低了制作成本和加工的复杂度。
附图说明
图1为本发明MIMO天线的三维结构图。
图2为本发明MIMO天线中天线模块的俯视图。
图3为本发明MIMO天线的S参数曲线。
图4为本发明MIMO天线中不同端口激励时的辐射效率；
附图标记为：1：金属地板、2：介质基板、3：多端口紧布置MIMO天线模块；
3a-1：第一辐射单元、3a-2：第二辐射单元；
3b-1：第一端口馈电结构、3b-2：第二端口馈电结构、3b-3：第三端口馈电结构；
3c-1：第一电容、3c-2：第二电容、3d-1：第二电感、3d-2：第二电感；
3f-1：第一过孔、3f-2：第二过孔、3f-3：第三过孔；
3e：离地缝隙、3s：中心缝隙、3b-1-1：馈电微带线；
3a-1-1：第一交指结构、3a-1-2：第二交指结构、3a-1-3：第三交指结构、3a-2-1：第四交指结构、3a-2-2：第五交指结构、3a-2-3：第六交指结构；
3h-1：第一矩形焊盘、3h-2：第二矩形焊盘、3h-3：第三矩形焊盘；
3k-1：金属化第一过孔、3k-2：金属化第二过孔、3k-3：金属化第三过孔；
3o-1：第一金属化过孔、3o-2：第二金属化过孔；
3g-1：第一馈电点、3g-2：第二馈电点；
3m-1：第一方形焊盘、3m-2：第二方形焊盘。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
参见图1-2，本发明基于交指结构的小型化多端口紧布置MIMO天线，包括金属地板1、介质基板2和多端口紧布置MIMO天线模块3；
所述多端口紧布置MIMO天线模块3关于介质基板2的x轴负向中轴线对称分布；
所述多端口紧布置MIMO天线模块3包含镜像对称的第一辐射单元3a-1和第二辐射单元3a-2，以及第一端口馈电结构3b-1、第二端口馈电结构3b-2和第三端口馈电结构3b-3；
其中，第一端口馈电结构3b-1采用馈线直接馈电，第二端口馈电结构3b-2附加第一电容3c-1与第二电感3d-1组成的馈电网络，第三端口馈电结构3b-3附加第二电容3c-2与第二电感3d-2组成的馈电网络，以此调节阻抗匹配；
第一辐射单元3a-1和第二辐射单元3a-2印刷在介质基板2下表面，第一端口馈电结构3b-1、第二端口馈电结构3b-2和第三端口馈电结构3b-3印刷在介质基板2的上表面；
上表面第一端口馈电结构3b-1、第二端口馈电结构3b-2和第三端口馈电结构3b-3和下表面的第一辐射单元3a-1和第二辐射单元3a-2间通过第一过孔3f-1、第二过孔3f-2和第三过孔3f-3相连。
第一辐射单元3a-1和第二辐射单元3a-2分别通过第一交指结构3a-1-1、第二交指结构3a-1-2、第三交指结构3a-1-3，第四交指结构3a-2-1、第五交指结构3a-2-2、第六交指结构3a-2-3和离地缝隙3e形成分布式电容，增大整个天线单元的等效电容，有效减小了天线模块的尺寸，实现了小型化特性；
所述金属地板1印刷在介质基板2下表面，用于实现MIMO天线接地。
所述第一交指结构3a-1-1、第二交指结构3a-1-2、第三交指结构3a-1-3，第四交指结构3a-2-1、第五交指结构3a-2-2、第六交指结构3a-2-3为天线单元本身引进分布式电容。
第一辐射单元3a-1和第二辐射单元3a-2与金属地板1之间形成离地缝隙3e，亦构成分布式电容。
因此，交指结构和离地缝隙都增大了整个天线单元的等效电容，有效减小了天线模块的尺寸，实现了小型化特性。
所述多端口紧布置MIMO天线模块3底部由第一辐射单元3a-1和第二辐射单元3a-2组成，其中第一辐射单元3a-1由第一交指结构3a-1-1、第二交指结构3a-1-2、第三交指结构(3a-1-3)组成，第二辐射单元3a-2由第四交指结构3a-2-1、第五交指结构3a-2-2、第六交指结构3a-2-3组成；
第一辐射单元3a1和第二辐射单元3a-2的开口相背，且关于中心缝隙3s对称分布。
所述第一端口馈电结构3b-1位于中心缝隙3s正上方，通过第一过孔3f-1与第一辐射单元3a1和第二辐射单元3a-2相接，实现电流上下流通；
第一端口馈电结构3b-1由印刷于介质基板2上表面的50Ω的馈电微带线3b-1-1直接馈电，无需使用任何额外的阻抗匹配结构，即可实现良好的阻抗匹配；
所述MIMO天线上还设有第一矩形焊盘3h-1，同轴线的内芯与馈电微带线3b-1-1相连，同轴线的外皮焊接在第一矩形焊盘3h-1上，第一矩形焊盘3h-1通过金属化第一过孔3k-1充分与金属地板1相接，保证充分接地。
其中，同轴线的内芯分别与第一馈电点3g-1和第二馈电点3g-2焊接在一起，同轴线的外皮焊接在第二矩形焊盘3h-2和第三矩形焊盘3h-3上，第二矩形焊盘3h-2和第三矩形焊盘3h-3分别通过金属化第二过孔3k-2和金属化第三过孔3k-3充分与金属地板1相接，保证充分接地。
所述第二端口馈电结构3b-2和第三端口结构3b-3关于中心缝隙3s对称分布，通过对称的第二过孔3f-2和第三过孔3f-3分别与第一交指结构3a-1-1和第二交指结构3a-2-1相连，实现电流上下流通；
所述MIMO天线上还设有第二矩形焊盘3h-2和第三矩形焊盘3h-3、第一馈电点3g-1和第二馈电点3g-2，同轴线的内芯分别与第一馈电点3g-1和第二馈电点3g-2焊接在一起，同轴线的外皮焊接在第二矩形焊盘3h-2和第三矩形焊盘3h-3上，第二矩形焊盘3h-2和第三矩形焊盘3h-3分别通过金属化第二过孔3k-2和金属化第三过孔3k-3充分与金属地板1相接，保证充分接地。
所述的多端口紧布置MIMO天线模块3中，并联的第一电感3d-1和第二电感3d-2通过第一方形焊盘3m-1、第二方形焊盘3m-2和第一金属化过孔3o-1、第二金属化过孔3o-2与金属地板1相接，串联的第一电容3c-1、第二电容3c-2分别焊接在第二端口馈电结构3b-2和第三端口结构3b-3上，由此构成阻抗匹配网络。
介质基板2的厚度为1mm，介质基板2下表面设有第一辐射单元3a-1和第二辐射单元3a-2，介质基板2上表面设有第一端口馈电结构3b-1、第二端口馈电结构3b-2和第三端口馈电结构3b-3。
多端口紧布置MIMO天线模块3尺寸为11.9*8mm2，离地间隙为0.1mm。
其中单个辐射单元长为5.45mm，高为7.9mm。中心缝隙3s宽为1mm，相邻两个交指结构之间距离约为0.5mm，第一电容3c-1、第二电容3c-2电容值为0.1pF，第一电感3d-1、第二电感3d-2电感值为3.3nH。
其中第一馈电微带线3b-1-1宽为1mm，第二端口馈电结构3b-2、第三端口馈电结构3b-3的宽为1.3mm，且第二端口馈电结构3b-2和第三端口馈电结构3b-3采用了弯折技术，避免焊接短路。第一矩形焊盘3h-1、第二矩形焊盘3h-2和第三矩形焊盘3h-3分别通过金属化第一过孔3k-1、第二过孔3k-2和金属化第三过孔3k-3充分与金属地板1相接，保证充分接地。
本发明6个交指结构和一个离地缝隙形成分布式电容，增大了整个天线单元的等效电容，有效减小了天线模块的尺寸，从而达到小型化的目的。
下面通过一个覆盖5G Sub-6GHz应用中3.5GHz频段的MIMO天线具体实施例予以详细说明：
本发明MIMO天线的三维结构图如1所示，包括介质基板2以及印刷在介质基板2下表面的金属地板1，以及在介质基板2下表面印刷有两个结构和尺寸相同且镜像对称的第一辐射单元3a-1和第二辐射单元3a-2，在介质基板2上表面印刷有第一端口馈电结构3b-1、第二端口馈电结构3b-2和第三端口馈电结构3b-3。
介质基板2上表面和下表面通过第一过孔3f-1、第二过孔3f-2和第三过孔3f-3实现上下连通。
所述介质基板2为FR4介质基板，εr＝4.4，tanδ＝0.02，体积为70×70×1mm3。
FR4介质基板下表面是金属地板1，尺寸为60×70mm2。
第一端口馈电结构3b-1采用馈线直接馈电，第二端口馈电结构3b-2附加了第一电容3c-1与第一电感3d-1组成的馈电网络，第三端口馈电结构3b-3附加了第二电容3c-2与第二电感3d-2组成的馈电网络，以此调节阻抗匹配；上表面三个端口馈电结构和下表面两个辐射单元间通过第一过孔3f-1、第二过孔3f-2和第三过孔3f-3相连。且三个馈电端口之间没有采用额外的解耦结构，隔离度也能达到10dB以上。
第一辐射单元3a-1和第二辐射单元3a-2分别通过第一交指结构3a-1-1、第二交指结构3a-1-2、第三交指结构3a-1-3，第四交指结构3a-2-1、第五交指结构3a-2-2、第六交指结构3a-2-3和离地缝隙3e形成分布式电容，增大了整个天线单元的等效电容，有效减小了天线模块的尺寸，实现了小型化特性。
本实施例的中心工作频率选定为3.5GHz，工作带宽为3400-3600MHz，该频段为5G移动通信在6GHz以下的新增频段。
图2为本实施例MIMO天线中的天线模块俯视图。
图3为本实施例MIMO天线的S参数曲线。第一辐射单元3a-1和第二辐射单元3a-2均谐振在3.5GHz附近。S11是第一馈电端口3p-1的反射系数，其-6dB带宽约为3％，S22、S33是第二端口馈电结构3b-2和第三端口馈电结构3b-3的反射系数，其-6dB带宽约为2％。由于对称性原理，第三端口馈电结构3b-3反射系数与第三端口馈电结构3b-3一致。第二端口馈电结构3b-2和第三端口馈电结构3b-3这两个端口重合的带宽覆盖了3480-3540MHz频带。在该频带内，第一端口馈电结构3b-1、第二端口馈电结构3b-2和第三端口馈电结构3b-3这三个端口的隔离度由S21、S31和S23表示，3.5GHz频率处隔离度达到10.5dB。
图4为本实施例MIMO天线的辐射效率。在3480-3540MHz的频段范围内，第一馈电端口3p-1激励时的辐射效率达到50％，由于对称性原理，第二端口馈电结构3b-2和第三端口馈电结构3b-3激励时的辐射效率一样，都优于30％。
本发明使用了集成化设计的天线模块，结构非常紧凑，且具有小型化，便于加工，制作成本低廉等优点，因此在5G移动终端中具有良好的应用前景。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于交指结构的小型化多端口紧布置MIMO天线，其特征在于，包括金属地板(1)、介质基板(2)和多端口紧布置MIMO天线模块(3)；
所述多端口紧布置MIMO天线模块(3)关于介质基板(2)的x轴负向中轴线对称分布；
所述多端口紧布置MIMO天线模块(3)包含镜像对称的第一辐射单元(3a-1)和第二辐射单元(3a-2)，以及第一端口馈电结构(3b-1)、第二端口馈电结构(3b-2)和第三端口馈电结构(3b-3)；
其中，第一端口馈电结构(3b-1)采用馈线直接馈电，第二端口馈电结构(3b-2)附加第一电容(3c-1)与第二电感(3d-1)组成的馈电网络，第三端口馈电结构(3b-3)附加第二电容(3c-2)与第二电感(3d-2)组成的馈电网络，以此调节阻抗匹配；
第一辐射单元(3a-1)和第二辐射单元(3a-2)印刷在介质基板(2)下表面，第一端口馈电结构(3b-1)、第二端口馈电结构(3b-2)和第三端口馈电结构(3b-3)印刷在介质基板(2)的上表面；
上表面第一端口馈电结构(3b-1)、第二端口馈电结构(3b-2)和第三端口馈电结构(3b-3)和下表面的第一辐射单元(3a-1)和第二辐射单元(3a-2)间通过第一过孔(3f-1)、第二过孔(3f-2)和第三过孔(3f-3)相连。
第一辐射单元(3a-1)和第二辐射单元(3a-2)分别通过第一交指结构(3a-1-1)、第二交指结构(3a-1-2)、第三交指结构(3a-1-3)，第四交指结构(3a-2-1)、第五交指结构(3a-2-2)、第六交指结构(3a-2-3)和离地缝隙(3e)形成分布式电容；
所述金属地板(1)印刷在介质基板(2)下表面，用于实现MIMO天线接地。
2.根据权利要求1所述的一种基于交指结构的小型化多端口紧布置MIMO天线，其特征在于，所述多端口紧布置MIMO天线模块(3)底部由第一辐射单元(3a-1)和第二辐射单元(3a-2)组成，其中第一辐射单元(3a-1)由第一交指结构(3a-1-1)、第二交指结构(3a-1-2)、第三交指结构(3a-1-3)组成，第二辐射单元(3a-2)由第四交指结构(3a-2-1)、第五交指结构(3a-2-2)、第六交指结构(3a-2-3)组成；
第一辐射单元(3a1)和第二辐射单元(3a-2)的开口相背，且关于中心缝隙(3s)对称分布。
3.根据权利要求2所述的一种基于交指结构的小型化多端口紧布置MIMO天线，其特征在于，所述第一端口馈电结构(3b-1)位于中心缝隙(3s)正上方，通过第一过孔(3f-1)与第一辐射单元(3a1)和第二辐射单元(3a-2)相接，实现电流上下流通；
第一端口馈电结构(3b-1)由印刷于介质基板(2)上表面的50Ω的馈电微带线(3b-1-1)直接馈电；
所述MIMO天线上还设有第一矩形焊盘(3h-1)，其通过金属化第一过孔(3k-1)与金属地板(1)相接。
4.根据权利要求2所述的一种基于交指结构的小型化多端口紧布置MIMO天线，其特征在于，所述第二端口馈电结构(3b-2)和第三端口结构(3b-3)关于中心缝隙(3s)对称分布，通过对称的第二过孔(3f-2)和第三过孔(3f-3)分别与第一交指结构(3a-1-1)和第二交指结构(3a-2-1)相连，实现电流上下流通；
所述MIMO天线上还设有第二矩形焊盘(3h-2)和第三矩形焊盘(3h-3)，其分别通过金属化第二过孔(3k-2)和金属化第三过孔(3k-3)与金属地板(1)相接。
5.根据权利要求1所述的一种基于交指结构的小型化多端口紧布置MIMO天线，其特征在于，所述的多端口紧布置MIMO天线模块(3)中，并联的第一电感(3d-1)和第二电感(3d-2)通过第一方形焊盘(3m-1)、第二方形焊盘(3m-2)和第一金属化过孔(3o-1)、第二金属化过孔(3o-2)与金属地板(1)相接，串联的第一电容(3c-1)、第二电容(3c-2)分别焊接在第二端口馈电结构(3b-2)和第三端口结构(3b-3)上，由此构成阻抗匹配网络。
6.根据权利要求1所述的一种基于交指结构的小型化多端口紧布置MIMO天线，其特征在于，所述多端口紧布置MIMO天线模块(3)尺寸为11.9*8mm2，离地间隙为0.1mm，每相邻两个端口之间的间距为5.6mm。
7.根据权利要求6所述的一种基于交指结构的小型化多端口紧布置MIMO天线，其特征在于，所述介质基板(2)为FR4介质基板，介电常数εr＝4.4，耗散因子tanδ＝0.02，体积为70×70×1mm3；
FR4介质基板下表面是金属地板(1)，尺寸为60×70mm2。
8.根据权利要求7所述的一种基于交指结构的小型化多端口紧布置MIMO天线，其特征在于，单个辐射单元长为5.45mm，高为7.9mm；
中心缝隙(3s)宽为1mm；
相邻两个交指结构之间距离为0.5mm；
第一电容(3c-1)、第二电容(3c-2)电容值为0.1pF；
第一电感(3d-1)、第二电感(3d-2)电感值为3.3nH。
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