CN115296030A - 一种用于5g移动终端的紧凑型mimo天线阵列 - Google Patents

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CN115296030A CN202210243486.6A CN202210243486A CN115296030A CN 115296030 A CN115296030 A CN 115296030A CN 202210243486 A CN202210243486 A CN 202210243486A CN 115296030 A CN115296030 A CN 115296030A
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Abstract

本发明公开一种用于5G移动终端的紧凑型MIMO天线阵列，第一基板垂直设置在主基板的一侧，金属地板设于主基板的底部，第一基板上设有至少一个天线阵列，天线阵列的第一、第二、第三贴片依次间隔排列在第一基板的外侧壁上，且相邻的两贴片间耦合，贴片开设有两个槽，槽之间存在阻隔带，阻隔带通过电容与金属地板连接，两个馈电点设于主基板的上表面，第一微带线的一端与第一馈电点连接，另一端粘贴在第一基板上与第二贴片的一侧对应耦合，第二微带线的一端与第二馈电点连接，另一端粘贴在第一基板上与第三贴片的一侧对应耦合。本发明通过重新对天线阵列进行设计，使其具有良好的隔离度，解决了天线单元间存在互耦合的问题。

Description

一种用于5G移动终端的紧凑型MIMO天线阵列
技术领域
本发明涉及通讯天线技术领域，特别是涉及一种用于5G移动终端的紧凑型MIMO天线阵列。
背景技术
随着5G时代的到来，人们的日常生活及各行业的业务对更高的数据传输速率得以实现。其中，能够有效提高信道容量的MIMO技术被广泛地使用，典型的应用场景之一便是手机移动终端。现如今，世界范围内2G/3G/LTE等多制式移动通信网络同时共存，这些制式所覆盖的频段各不相同，仅仅LTE覆盖的频段就从700MHz一直到2690Mhz，因此需要天线系统也能够实现多频段工作，所以为了满足用户的需要，需要在一个手机终端中放置多个用于不同场景的异频或同频天线单元。然而，由于手机终端中用于天线放置的空间十分有限，因此天线单元之间可能会存在互耦合问题。因此，在紧凑的手机终端空间内设计具有良好隔离度的MIMO天线阵列具有现实应用意义。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种用于5G移动终端的紧凑型MIMO天线阵列，本发明通过重新对天线阵列进行设计，使其具有良好的隔离度，解决了天线单元间存在互耦合的问题。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于5G移动终端的紧凑型MIMO天线阵列，包括主基板、第一基板、金属地板，所述第一基板垂直设置在所述主基板的一侧，所述金属地板设于所述主基板的底部，所述第一基板上设有至少一个天线阵列；
所述天线阵列包括有第一贴片、第二贴片、第三贴片、第一微带线、第二微带线、第一馈电点、第二馈电点和电容；所述第一贴片、第二贴片、第三贴片依次间隔排列在所述第一基板的外侧壁上，且相邻的两个贴片间耦合，每个贴片均开设有两个槽，两个槽之间存在阻隔带，阻隔带的底部通过电容与所述金属地板连接，两个馈电点设于所述主基板的上表面，所述第一微带线的一端与所述第一馈电点连接，另一端粘贴在所述第一基板的内侧壁，且与所述第二贴片邻近所述第一贴片的一侧对应耦合，所述第二微带线的一端与所述第二馈电点连接，另一端粘贴在所述第一基板的内侧壁，且与所述第三贴片邻近所述第二贴片的一侧对应耦合。
在本发明中，第一贴片、第二贴片、第三贴片上的槽是用于天线的谐振，从而辐射能量传输信号，而每个贴片上开设有两个槽，是分别用于产生不同的谐振频率，并且在两个槽中间的阻隔带通过电容与金属地板连接，是通过电容用于阻断两个槽之间的耦合，避免同一贴片上的两个槽发生的谐振相互干扰。对于两个馈电点，分别用于对相邻的两个贴片间发生耦合馈电作用，以使其对应的两个相邻贴片分别产生两个不同的谐振频率。
本发明的天线阵列的工作原理为：
当第一馈电点接收到外部天线传输的频段信号时，第一馈电点通过第一微带线对第二贴片进行耦合馈电，使第二贴片中邻近第一微带线的槽产生谐振频率，同时第二贴片通过耦合至第一贴片，使得第一贴片中邻近第二贴片的槽产生另一个谐振频率，以此达到拓宽频带的效果；
同理，当第二馈电点接收到外部天线传输的频段信号时，第二馈电点通过第二微带线对第三贴片进行耦合馈电，使第三贴片中邻近第二微带线的槽产生谐振频率，同时第三贴片通过耦合至第二贴片，使得第二贴片中邻近第三贴片的槽产生另一个谐振频率，以此也达到拓宽频带的效果。
由上述可知，即第一馈电点所对应的天线单元组成为：第一贴片邻近第一微带线的槽所在的半部分、第二贴片邻近第一微带线的槽所在的半部分，这两个开槽部分分别对应着两个不同的谐振频率点，组成一个拓宽频带后的天线单元。同理，第二馈电点所对应的天线单元组成为：第二贴片邻近第二微带线的槽所在的半部分、第三贴片邻近第二微带线的槽所在的半部分，这两个开槽部分分别对应着两个不同的谐振频率点，组成另一个拓宽频带后的天线单元。上述的两个馈电点可以同时馈电工作，以使得不同天线单元同时相互独立发射信号，实现信道容量的提高。
因此，本发明通过在同一贴片中的两个槽间用电容进行解耦阻隔，可有效阻断两个天线单元之间的电流耦合，以此解决天线单元间存在互耦合的问题，使本发明的MIMO天线阵列具有良好的隔离度。
作为优选的技术方案，所述第一馈电点、第二馈电点的结构相同，是由SMA连接器从主基板底部通过过孔分别连接到第一微带线和第二微带线的点。
馈电点作为天线单元的端口，外部的天线通过SMA连接器与馈电点连通，使频段信号从馈电点连接至微带线进行馈电。
作为优选的技术方案，所述第一贴片、第二贴片、第三贴片的结构相同，为平面结构，且每个贴片上开设的两个槽高度相同、宽度不同。
采用两个宽度不同的槽，以使两个槽分别用于产生不同的谐振频率，以拓宽频段。
作为优选的技术方案，贴片采用传导电磁阻抗小的金属片，避免对贴片间的耦合作用产生较大干扰。
作为优选的技术方案，所述第一微带线、第二微带线的结构相同，为折弯的L型结构。
采用L型结构的微带线，可使微带线的一端贴于主基板上与馈电点连接，另一端折弯后，贴于第一基板上，与贴片的一侧对应，更好地将馈电点的馈电作用传递到贴片中进行耦合。
作为优选的技术方案，所述主基板上设有第二基板，所述第二基板垂直设置在所述主基板的一侧，并与所述第一基板相对设置，所述第一基板与所述第二基板的结构相同。
第二基板起备用作用，可同样在第二基板上设置相同的结构，增加相同的天线阵列，增强设备终端的天线频段扩充，以使5G终端更好地进行多频段工作。
作为优选的技术方案，所述主基板和所述第一基板的材质均为FR-4，厚度均为0.8mm，相对介电常数εr均为4.4，损耗角正切tanδ均为0.02。
作为优选的技术方案，所述第一微带线、第二微带线的阻抗相同，为50Ω。
作为优选的技术方案，所述电容的容值为0.5-1.5pF。
作为优选的技术方案，所述第一贴片、第二贴片、第三贴片在所述第一基板上所占据的宽度相同，为13-15mm。
作为优选的技术方案，所述主基板的尺寸为150mm×75mm，所述第一基板的尺寸为150mm×6.2mm。
作为优选的技术方案，本发明的天线阵列是可扩展的，可通过向阵列的两边增加相同结构的贴片、电容、微带线和馈电点，并将它们按与同样的方式进行连接，以保证两两贴片间的馈电点对应一个天线单元，即一个端口对应一个天线单元，假设排列有N个贴片，即该阵列中可形成N-1个天线单元，即可实现具有更多天线单元的紧凑型MIMO天线阵列，以使应用该天线阵列的5G终端适应更多频段的工作。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
本发明设计了一种贴片结构形成的天线阵列，通过在相邻的两个贴片间设置一个由馈电点和微带线组成的馈电结构，以使两个贴片间进行耦合馈电形成一个天线单元，当馈电结构对两个贴片产生耦合馈电时，两个贴片会产生谐振，通过两个贴片相邻的两个槽产生两个不同的谐振频率，以此达到拓宽天线单元的频带效果。并且本发明通过在同一贴片中的两个槽间用电容进行解耦阻隔，可有效阻断两个天线单元之间的电流耦合，以此解决天线单元间存在互耦合的问题，使本发明的MIMO天线阵列具有良好的隔离度。
附图说明
图1是本发明的紧凑型MIMO天线阵列的透视图。
图2是第一基板的内侧透视结构图。
图3是第一基板的外侧结构图。
图4是天线阵列的S参数图。
图5为天线阵列的效率图。
图中：主基板1、第一基板2、金属地板3、第一贴片4、第二贴片5、第三贴片6、第一微带线7、第二微带线8、第一馈电点9、第二馈电点10、电容11、槽12、阻隔带13、第二基板14。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
实施例1：
如图1-图3所示，一种用于5G移动终端的紧凑型MIMO天线阵列，包括主基板1、第一基板2、金属地板3，第一基板2垂直设置在主基板1的一侧，金属地板3设于主基板1的底部，第一基板2上设有一个天线阵列；
天线阵列包括有第一贴片4、第二贴片5、第三贴片6、第一微带线7、第二微带线8、第一馈电点9、第二馈电点10和电容11；第一贴片4、第二贴片5、第三贴片6依次均匀间隔地排列在第一基板2的外侧壁上，且相邻的两个贴片间耦合，每个贴片均开设有两个不同的槽12，两个槽12之间存在阻隔带13，阻隔带13的底部通过电容11与金属地板3连接，两个馈电点设于主基板1的上表面，第一微带线7的一端与第一馈电点9连接，另一端粘贴在第一基板2的内侧壁，且与第二贴片5邻近第一贴片4的一侧对应耦合，第二微带线8的一端与第二馈电点10连接，另一端粘贴在第一基板2的内侧壁，且与第三贴片6邻近第二贴片5的一侧对应耦合。
在本发明中，第一贴片4、第二贴片5、第三贴片6上的槽12是用于天线的谐振，从而辐射能量传输信号，而每个贴片上开设有两个不同的槽12，是分别用于产生不同的谐振频率，并且在两个槽12中间的阻隔带13通过电容11与金属地板3连接，是通过电容11用于阻断两个槽12之间的耦合，避免同一贴片上的两个槽12发生的谐振相互干扰。对于两个馈电点，分别用于对相邻的两个贴片间发生耦合馈电作用，以使其对应的两个相邻贴片分别产生两个不同的谐振频率。
本发明的天线阵列的工作原理为：
当第一馈电点9接收到外部天线传输的频段信号时，第一馈电点9通过第一微带线7对第二贴片5进行耦合馈电，使第二贴片5中邻近第一微带线7的槽12产生谐振频率，同时第二贴片5通过耦合至第一贴片4，使得第一贴片4中邻近第二贴片5的槽12产生另一个谐振频率，以此达到拓宽频带的效果；
同理，当第二馈电点10接收到外部天线传输的频段信号时，第二馈电点10通过第二微带线8对第三贴片6进行耦合馈电，使第三贴片6中邻近第二微带线8的槽12产生谐振频率，同时第三贴片6通过耦合至第二贴片5，使得第二贴片5中邻近第三贴片6的槽12产生另一个谐振频率，以此也达到拓宽频带的效果。
由上述可知，即第一馈电点9所对应的天线单元(图1中圆形虚线部分)组成为：第一贴片4邻近第一微带线7的槽12所在的半部分、第二贴片5邻近第一微带线7的槽12所在的半部分，这两个开槽部分分别对应着两个不同的谐振频率点，组成一个拓宽频带后的天线单元。同理，第二馈电点10所对应的天线单元组成为：第二贴片5邻近第二微带线8的槽12所在的半部分、第三贴片6邻近第二微带线8的槽12所在的半部分，这两个开槽部分分别对应着两个不同的谐振频率点，组成另一个拓宽频带后的天线单元。上述的两个馈电点可以同时馈电工作，以使得不同天线单元同时相互独立发射信号，实现信道容量的提高
因此，本发明通过在同一贴片中的两个槽12间用电容11进行解耦阻隔，可有效阻断两个天线单元之间的电流耦合，以此解决天线单元间存在互耦合的问题，使本发明的MIMO天线阵列具有良好的隔离度。
在本实施例中，在第一基板2上设有的天线阵列并不局限于一个，可根据实际情况，在第一基板2上设有多个这种结构的天线阵列，以增加多个相互独立的天线数量，从而提高信道容量。
在本实施例中，第一馈电点9、第二馈电点10的结构相同，是由SMA连接器从主基板1底部通过过孔分别连接到第一微带线7和第二微带线8的点。馈电点作为天线单元的端口，外部的天线通过SMA连接器与馈电点连通，使频段信号从馈电点连接至微带线进行馈电。
在本实施例中，第一贴片4、第二贴片5、第三贴片6的结构相同，为平面结构，且每个贴片上开设的两个槽12高度相同、宽度不同。采用两个宽度不同的槽12，以使两个槽12分别用于产生不同的谐振频率，以拓宽频段。
贴片可采用传导电磁阻抗小的金属片，避免对贴片间的耦合作用产生较大干扰。
在本实施例中，第一微带线7、第二微带线8的结构相同，为折弯的L型结构。采用L型结构的微带线，可使微带线的一端贴于主基板1上与馈电点连接，另一端折弯后，贴于第一基板2上，与贴片的一侧对应，更好地将馈电点的馈电作用传递到贴片中进行耦合。
在本实施例中，主基板1上设有第二基板14，第二基板14垂直设置在主基板1的一侧，并与第一基板2相对设置，第一基板2与第二基板14的结构相同。第二基板14起备用作用，可同样在第二基板14上设置相同的结构，增加相同的天线阵列，增强设备终端的天线频段扩充，以使5G终端更好地进行多频段工作。
本发明设计了一种贴片结构形成的天线阵列，通过在相邻的两个贴片间设置一个由馈电点和微带线组成的馈电结构，以使两个贴片间进行耦合馈电形成一个天线单元，当馈电结构对两个贴片产生耦合馈电时，两个贴片会产生谐振，通过两个贴片相邻的两个槽12产生两个不同的谐振频率，以此达到拓宽天线单元的频带效果。并且本发明通过在同一贴片中的两个槽12间用电容11进行解耦阻隔，可有效阻断两个天线单元之间的电流耦合，以此解决天线单元间存在互耦合的问题，使本发明的MIMO天线阵列具有良好的隔离度。
实施例2：
本实施例与实施例1相似，所不同之处在于，主基板1和第一基板2的材质均为FR-4，厚度均为0.8mm，相对介电常数εr均为4.4，损耗角正切tanδ均为0.02。主基板1的尺寸为150mm×75mm，第一基板2的尺寸为150mm×6.2mm。并且，第一微带线7、第二微带线8的阻抗相同，为50Ω，电容11的容值为0.5-1.5pF。第一贴片4、第二贴片5、第三贴片6在第一基板2上所占据的宽度相同，为13-15mm。
在本实施例中，第一贴片4、第二贴片5、第三贴片的尺寸，第一微带线7、第二微带线8的尺寸以及电容11的容值，是根据天线的性能和阻抗匹配要求确定，使得本天线工作在相应频段。
在本实施例中，制作天线采用印刷电路板(PCB)技术，成本低，装配难度低。
本实施例较佳的实景操作具体如下：
两个外部天线(图中未示出)装配在介电常数为4.4，损耗角正切为0.02，厚度为0.8mm的FR-4介质板上，并通过SMA连接器(图中未示出)分别与两个馈电点连通；主基板1大小为150mm×75mm，第一基板2大小为150×6.2mm，金属地板3的大小与主基板1相同，第一贴片4、第二贴片5、第三贴片6在第一基板2外侧所占的宽为14.4mm，高为4.2mm，贴片上所开的两个槽12的高度都为3.2mm，宽分别为3.8mm、2.5mm，电容11的容值为0.95pF。
进行仿真实验，假设本实施例的天线阵列开始接收天线的信号在工作频段3.3-3.8GHz内，即检测得到的天线阵列的S参数图如图4所示，S11和S22分别表示第一、第二馈电点对应的天线单元的反射系数，两个天线单元的反射系数S11和S22都小于-6dB，而两个天线单元之间的传输系数S12都低于-10dB，满足基本隔离度的要求；得到的效率图如图5所示，图中的Antenna1和Antenna2表示第一、第二馈电点对应的天线单元的效率曲线，可以看到，第一馈电点9对应的天线单元的效率比第二馈电点10对应的天线单元的效率好。
实施例3：
本实施例与实施例1相似，所不同之处在于，对本发明的天线阵列进行扩展的，可通过向阵列的两边增加相同结构的贴片、电容11、微带线和馈电点，并将它们按与实施例1中的同样的方式进行连接，以保证两两贴片间的馈电点对应一个天线单元，即一个端口(馈电点)对应一个天线单元，假设排列有N个贴片，即该阵列中可形成N-1个天线单元。例如有10个贴片，排列的方式可以第一贴片4为首，从左往右在第一基板2上进行排列，即从第2个贴片开始，每个贴片的左侧均对应一个微带线、及与微带线连接的馈电点，以在两个相邻的贴片间形成9个天线单元。以此类推，可根据实际需求，设置多个并排的贴片形成具有多个天线单元的天线阵列，以使应用该天线阵列的5G终端适应更多频段的工作。
显然，本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于5G移动终端的紧凑型MIMO天线阵列，其特征在于，包括主基板(1)、第一基板(2)、金属地板(3)，所述第一基板(2)垂直设置在所述主基板(1)的一侧，所述金属地板(3)设于所述主基板(1)的底部，所述第一基板(2)上设有至少一个天线阵列；
所述天线阵列包括有第一贴片(4)、第二贴片(5)、第三贴片(6)、第一微带线(7)、第二微带线(8)、第一馈电点(9)、第二馈电点(10)和电容(11)；所述第一贴片(4)、第二贴片(5)、第三贴片(6)依次间隔排列在所述第一基板(2)的外侧壁上，且相邻的两个贴片间耦合，每个贴片均开设有两个槽(12)，两个槽(12)之间存在阻隔带(13)，阻隔带(13)的底部通过电容(11)与所述金属地板(3)连接，两个馈电点设于所述主基板(1)的上表面，所述第一微带线(7)的一端与所述第一馈电点(9)连接，另一端粘贴在所述第一基板(2)的内侧壁，且与所述第二贴片(5)邻近所述第一贴片(4)的一侧对应耦合，所述第二微带线(8)的一端与所述第二馈电点(10)连接，另一端粘贴在所述第一基板(2)的内侧壁，且与所述第三贴片(6)邻近所述第二贴片(5)的一侧对应耦合。
2.根据权利要求1所述的紧凑型MIMO天线阵列，其特征在于，所述第一馈电点(9)、第二馈电点(10)的结构相同，是由SMA连接器从主基板(1)底部通过过孔分别连接到第一微带线(7)和第二微带线(8)的点。
3.根据权利要求1所述的紧凑型MIMO天线阵列，其特征在于，所述第一贴片(4)、第二贴片(5)、第三贴片(6)的结构相同，为平面结构，且每个贴片上开设的两个槽(12)高度相同、宽度不同。
4.根据权利要求1所述的紧凑型MIMO天线阵列，其特征在于，所述第一微带线(7)、第二微带线(8)的结构相同，为折弯的L型结构。
5.根据权利要求1所述的紧凑型MIMO天线阵列，其特征在于，所述主基板(1)上设有第二基板(14)，所述第二基板(14)垂直设置在所述主基板(1)的一侧，并与所述第一基板(2)相对设置，所述第一基板(2)与所述第二基板(14)的结构相同。
6.根据权利要求1所述的紧凑型MIMO天线阵列，其特征在于，所述主基板(1)和所述第一基板(2)的材质均为FR-4，厚度均为0.8mm，相对介电常数εr均为4.4，损耗角正切tanδ均为0.02。
7.根据权利要求1所述的紧凑型MIMO天线阵列，其特征在于，所述第一微带线(7)、第二微带线(8)的阻抗相同，为50Ω。
8.根据权利要求1所述的紧凑型MIMO天线阵列，其特征在于，所述电容(11)的容值为0.5-1.5pF。
9.根据权利要求1所述的紧凑型MIMO天线阵列，其特征在于，所述第一贴片(4)、第二贴片(5)、第三贴片(6)在所述第一基板(2)上所占据的宽度相同，为13-15mm。
10.根据权利要求1所述的紧凑型MIMO天线阵列，其特征在于，所述主基板(1)的尺寸为150mm×75mm，所述第一基板(2)的尺寸为150mm×6.2mm。
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