CN115395231B - 一种基于多缺陷地的二端口mimo天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于多缺陷地的二端口MIMO天线，包括：由下而上依次设置的第一金属层、介质层和第二金属层，其中，所述介质层采用方形的介质材料保证结构的对称性；所述第一金属层和所述第二金属层由包括金、银、铜的导电材料制备而成，通过印制电路板制造工艺在所述介质层的金属层上直接蚀刻形成。本发明结构简单，尺寸紧凑，具有易于加工和成本低廉的特点。

Description

一种基于多缺陷地的二端口MIMO天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种基于多缺陷地的二端口MIMO天线。
背景技术
天线作为无线通信过程中的重要器件，其作用是承担信号的发射和接收。天线的收发特性将会直接对信号的传输效果造成影响，进而影响整个无线通信系统的性能。随着网络通信技术更新换代和用户的需求升级，无线通信系统对天线性能的要求也越来越高。
例如现代无线通信出现了很多新的应用场景——智能家居、无人驾驶、机器通信、在线问诊、超高速率多媒体传输等。这些应用都需要通信设备在多个通信频段同时工作，如GPS、WLAN、WiMAX、CDMA、GSM、LTE和5G等。如果所有设备都使用单频带工作天线，则通信系统的复杂性、工作成本、体积和重量将显著增加，不仅众多天线之间的各种相互干扰因素难以控制，而且会妨碍设备的小型化和性能集成化。如果使用超宽带天线，会引入不相关频带的干扰，减小系统的稳定性。多频带天线由于规避了单频天线和超宽带天线的缺点，已经被广泛研究并应用于各个领域。多频带天线应用于现代无线通信系统，可以实现单一天线工作在诸多通信标准下的诸多通信频段，带来的益处有减小通信设备尺寸、提高设备集成化、减小费用成本、提高数据的传输速率以及便于进一步增加信道容量。因此，多频带天线已经成为当前无线通信领域的研究热点之一。
在此基础上，为了进一步增加天线的信道容量，同时不影响信道带宽和发射功率，提出了MIMO天线技术，其充分利用多径效应通过在通信设备的发射端和接收端装载多个单元天线，并结合空时处理技术以获得分集增益或复用增益，从而在不增加天线的信道宽度和发射功率的前提下，极大地提高了通信设备的信道容量。因此能实现多频带功用的MIMO天线成为通信技术发展过程中的重要环节，而现有的MIMO天线普遍存在频带偏少，尺寸偏大，隔离度低的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种基于多缺陷地的二端口MIMO天线，该天线上层有两个相同的多枝节单极子天线单元相互垂直放置，用以引发四个对应的谐振频带，通过引入多缺陷地和两个特殊形状的非馈电贴片来增加天线单元间的隔离度，最终此二端口MIMO天线实现了四频带通信，分别位于5G N78/N79和WLAN 5.8GHz/6E频段；本发明结构简单，尺寸紧凑，具有易于加工和成本低廉的特点。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于多缺陷地的二端口MIMO天线，包括：由下而上依次设置的第一金属层10、介质层20和第二金属层30，其中，所述介质层20采用方形的介质材料保证结构的对称性；所述第一金属层10和所述第二金属层30由包括金、银、铜的导电材料制备而成，通过印制电路板制造工艺在所述介质层20的金属层上直接蚀刻形成。
优选的，所述第一金属层10包括扇形缺陷11、矩形突起12、第一矩形缺陷13、第二矩形缺陷14、第三矩形缺陷15、第四矩形缺陷16。
优选的，所述扇形缺陷11位于所述介质层20下表面的中间位置，其对称轴与所述介质层20的下层对角线相重合；所述矩形突起12与所述扇形缺陷11夹角处相连，其长边所在方向的对称轴与所述扇形缺陷11重合；
所述第一矩形缺陷13、所述第二矩形缺陷14、所述第三矩形缺陷15依次与所述扇形缺陷11的直线边缘相连接；所述第四矩形缺陷16与所述扇形缺陷11的曲线边缘相连接；所述第一矩形缺陷13、所述第二矩形缺陷14、所述第三矩形缺陷15、所述第四矩形缺陷16都关于所述介质层20的下层对角线对称。
优选的，所述第二金属层30包括第一天线辐射单元31、第二天线辐射单元32、类工字形非馈电枝节33、十字形非馈电枝节34。
优选的，所述第一天线辐射单元31和所述第二天线辐射单元32结构和尺寸完全相同，印刷于所述介质层20上边缘两个相邻的边沿处，关于所述介质层20上层对角线对称；
所述类工字形非馈电枝节33和所述十字形非馈电枝节34依次位于所述介质层20上表面的对角线位置，其有效改善了所述第一天线辐射单元31和所述第二天线辐射单元32的耦合程度，提高了相互间的隔离度。
优选的，所述第一天线辐射单元31和所述第二天线辐射单元32由矩形微带线和四个短截线组成，所述四个短截线的形状由所述介质层20上层中心到侧边的顺序依次为矩形、矩形、类L形、矩形，并对应激发第四谐振频带、第三谐振频带、第一谐振频带、第二谐振频带。
优选的，所述第一天线辐射单元31和第二天线辐射单元32的外缘分别与所述介质层20的两端齐平，以便顺利接入SMA馈电接头。
优选的，所述天线实现了四频带通信，分别位于5G N78/N79和WLAN 5.8GHz/6E频段；且在尺寸仅为29mm×29mm×1.6mm的情况下保持整体隔离度大于20dB。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
1、本发明通过在介质基板的金属层直接蚀刻结构形成微带天线，加工精度高，简单易行，有利于集成，并且介质基板选择性多，有利于降低成本，而且通过矩形短截线和类L形短截线相结合构成天线辐射单元，与常规设计相比较，缩短了天线单元在长度方向的大小，使整体结构尺寸得到有效减小，可以应用到无线通信射频前端和各种通信系统中，可广泛用于微波中继通讯、卫星通讯、雷达技术、电子对抗及微波测量仪等设备中。
2、本发明通过在第二金属层上蚀刻扇形缺陷和四对矩形缺陷和天线单元位置的合理设计，使得四个工作频段获得良好的阻抗匹配；并添加类工字形非馈电枝节和十字形非馈电枝节减小天线单元间的相互耦合，同时保证了MIMO天线的在四个工作频段的高隔离度和整体尺寸的紧凑性，提高了天线的整体性能。
综上，本发明涉及的天线整体结构简单，尺寸小，加工成本低，具有四通带通信且隔离度高的特性，可以应用于广泛的5G通信场景。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明一种基于多缺陷地的二端口MIMO天线的三维结构示意图；
图2为本发明一种基于多缺陷地的二端口MIMO天线的整体尺寸示意图；
图3为本发明一种基于多缺陷地的二端口MIMO天线的天线辐射单元尺寸示意图；
图4为本发明一种基于多缺陷地的二端口MIMO天线的实施例一中S参数仿真图；
图5为本发明一种基于多缺陷地的二端口MIMO天线的实施例一中相关包络系数仿真图；
图6为本发明一种基于多缺陷地的二端口MIMO天线的实施例一中在3.5GHz H面的天线辐射方向图；
图7为本发明一种基于多缺陷地的二端口MIMO天线的实施例一中在3.5GHz的E面的天线辐射方向图；
图8为本发明一种基于多缺陷地的二端口MIMO天线的实施例一中在4.7GHz时的H面的天线辐射方向图；
图9为本发明一种基于多缺陷地的二端口MIMO天线的实施例一中在4.7GHz时的E面的天线辐射方向图；
图10为本发明一种基于多缺陷地的二端口MIMO天线的实施例一中在5.8GHz时的H面的天线辐射方向图；
图11为本发明一种基于多缺陷地的二端口MIMO天线的实施例一中在5.8GHz时的E面的天线辐射方向图；
图12为本发明一种基于多缺陷地的二端口MIMO天线的实施例一中在6.7GHz时的H面的天线辐射方向图；
图13为本发明一种基于多缺陷地的二端口MIMO天线的实施例一中在6.7GHz时的E面的天线辐射方向图；
图14为本发明一种基于多缺陷地的二端口MIMO天线的实施例一实物图；
附图说明：10.第一金属层，11.扇形缺陷，12.矩形突起，13.第一矩形缺陷，14.第二矩形缺陷，15.第三矩形缺陷，16.第四矩形缺陷，20.介质层，30.第二金属层，31.第一天线辐射单元，32.第二天线辐射单元，33.类工字形非馈电枝节，34.十字形非馈电枝节。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
本发明具体的实施方案为：如图1所示，一种基于多缺陷地的二端口MIMO天线，包括由下而上依次设置的第一金属层10、介质层20和第二金属层30，其中，所述介质层采用方形的介质材料保证结构的对称性；第一金属层10和第二金属层30厚度为0mm-0.05mm,由包括金、银、铜的导电材料制备而成，也可以是具有与金、银、铜相当导电率的导电材料。通过印制电路板制造工艺在介质层20的金属层上直接蚀刻形成，加工精度高，简单易行，有利于集成，并且介质基板选择性多，有利于降低成本。
第一金属层10包括扇形缺陷11、矩形突起12、第一矩形缺陷13、第二矩形缺陷14、第三矩形缺陷15、第四矩形缺陷16；第二金属层30包括第一天线辐射单元31、第二天线辐射单元32、类工字形非馈电枝节33、十字形非馈电枝节34。
具体地，扇形缺陷11位于介质层20下表面的中间位置，其对称轴与介质层20的下层对角线相重合；矩形突起12与扇形缺陷11夹角处相连，其长边所在方向的对称轴与扇形缺陷11重合。
具体地，第一矩形缺陷13、第二矩形缺陷14、第三矩形缺陷15依次与扇形缺陷11的直线边缘相连接；第四矩形缺陷16与扇形缺陷11的曲线边缘相连接；第一矩形缺陷13、第二矩形缺陷14、第三矩形缺陷15、第四矩形缺陷16都关于介质层20的下层对角线对称，用以提高四个通信频带的阻抗匹配性能。
具体地，第一天线辐射单元31和第二天线辐射单元32结构和尺寸完全相同，印刷于介质层20上边缘两个相邻的边沿处，关于介质层20上层对角线对称；
具体地，第一天线辐射单元31和第二天线辐射单元32由矩形微带线和四个短截线组成，四个短截线的形状由介质层上层中心到侧边的顺序依次为矩形、矩形、类L形、矩形，且中部类L形的枝节最长，用以激发最低频的谐振点。并对应激发第四谐振频带、第三谐振频带、第一谐振频带、第二谐振频带。
具体地，类工字形非馈电枝节33和十字形非馈电枝节34依次位于介质层20上表面的对角线位置，其有效改善了第一天线辐射单元31和第二天线辐射单元32的耦合程度，提高了相互间的隔离度。
另外，第一天线辐射单元31和第二天线辐射单元32的外缘分别与介质层20的两端齐平，产生的效果是顺利接入SMA馈电接头。
此实施例以一个工作在5G N78/N79和WLAN 5.8GHz/6E的四频带MIMO天线结构为例，其中的介质层的介电常数为4.4，厚度为1.6mm。如图2和图3所示，该天线中的各结构的尺寸参数如下：W＝29mm，W11＝12.5mm，W12＝14.2mm，W13＝18.2mm，W14＝1mm，W15＝1mm，W16＝1mm，W17＝1mm,W18＝0.8mm,W21＝4,W22＝4mm,W23＝3.2mm,W3＝0.4mm,W4＝12mm,W41＝0.6mm,W42＝0.25mm,W43＝2mm,W44＝0.3mm,W45＝0.6mm,L11＝4.7mm,L12＝5mm,L13＝5.5mm,L14＝6.5mm,L15＝15.8mm,L16＝2mm,L21＝8.8mm,L22＝1.7mm,L3＝10mm,L4＝6.4mm,L41＝9.3mm,L42＝10.6mm,L43＝8mm,L44＝7.6mm,L45＝6mm。该MIMO天线的尺寸为29mm×29mm，该滤MIMO天线具有更好的小型化优点。
如图4所示，MIMO天线S11在-10dB以下的四个工作频带为3.29-3.60GHz、4.52-4.87GHz、5.78-5.91GHz、6.59-6.78GHz，分别位于5G N78/N79和WLAN 5.8GHz/6E频段；MIMO天线的两个端口相互之间的传输系数S21即耦合系数在四个功用频段均低于-20dB,其中在第一通频带低于-20.5dB,第二通频带低于-20.3B,第三通频带低于-20dB,第四通频带低于-20dB,实现了天线单元间的高度解耦，
如图5所示，MIMO天线的两个相互之间的相关包络系数在四个功用频段均低于远低于0.1，实现了天线单元间良好的隔离度。
如图6所示，在3.5GHz频率点，H面方向图呈现类圆形，辐射方向具有一定的全向性。
如图7所示，在3.5GHz频率点，天线E面方向图呈现类8字形。
如图8所示，在4.7GHz频率点，H面方向呈现类圆形，辐射方向具有一定的全向性。
如图9所示，在4.7GHz频率点，天线E面方向图呈类8字形。
如图10所示，在5.8GHz频率点，H面方向图呈类圆形，辐射方向具有一定的全向性。
如图11所示，在5.8GHz频率点，天线E面方向图呈类8字形辐射。
如图12所示，在6.7GHz频率点，H面方向图呈现出类方形，辐射方向具有一定的角度限制。
如图13所示，在6.7GHz频率点，天线E面方向图呈一定畸变的类8字形辐射。
如图14所示，本发明一种基于多缺陷地的二端口MIMO天线的实施例一的实物图。
综上，本发明设计了一款基于多缺陷地的二端口MIMO天线。该天线上层有两个相同的多枝节单极子天线单元相互垂直放置，用以引发四个对应的谐振频带；通过引入多缺陷地和两个特殊形状的非馈电贴片来增加天线单元间的隔离度。最终此二端口MIMO天线实现了四频带通信，分别位于5G N78/N79和WLAN 5.8GHz/6E频段。且在尺寸仅为29mm×29mm×1.6mm的情况下保持整体隔离度大于20dB，实现了良好的性能指标。
以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于多缺陷地的二端口MIMO天线，其特征在于，包括：
由下而上依次设置的第一金属层(10)、介质层(20)和第二金属层(30)，其中，所述介质层(20)采用方形的介质材料保证结构的对称性；所述第一金属层(10)和所述第二金属层(30)由包括金、银、铜的导电材料制备而成，通过印制电路板制造工艺在所述介质层(20)的金属层上直接蚀刻形成；
所述第一金属层(10)包括扇形缺陷(11)、矩形突起(12)、第一矩形缺陷(13)、第二矩形缺陷(14)、第三矩形缺陷(15)、第四矩形缺陷(16)；
所述扇形缺陷(11)位于所述介质层(20)下表面的中间位置，其对称轴与所述介质层(20)的下层对角线相重合；所述矩形突起(12)与所述扇形缺陷(11)夹角处相连，其长边所在方向的对称轴与所述扇形缺陷(11)重合；
所述第一矩形缺陷(13)、所述第二矩形缺陷(14)、所述第三矩形缺陷(15)依次与所述扇形缺陷(11)的直线边缘相连接；所述第四矩形缺陷(16)与所述扇形缺陷(11)的曲线边缘相连接；所述第一矩形缺陷(13)、所述第二矩形缺陷(14)、所述第三矩形缺陷(15)、所述第四矩形缺陷(16)都关于所述介质层(20)的下层对角线对称。
2.根据权利要求1所述的基于多缺陷地的二端口MIMO天线，其特征在于，
所述第二金属层(30)包括第一天线辐射单元(31)、第二天线辐射单元(32)、类工字形非馈电枝节(33)、十字形非馈电枝节(34)。
3.根据权利要求2所述的基于多缺陷地的二端口MIMO天线，其特征在于，
所述第一天线辐射单元(31)和所述第二天线辐射单元(32)结构和尺寸完全相同，印刷于所述介质层(20)上边缘两个相邻的边沿处，关于所述介质层(20)上层对角线对称；
所述类工字形非馈电枝节(33)和所述十字形非馈电枝节(34)依次位于所述介质层(20)上表面的对角线位置，其有效改善了所述第一天线辐射单元(31)和所述第二天线辐射单元(32)的耦合程度，提高了相互间的隔离度。
4.根据权利要求3所述的基于多缺陷地的二端口MIMO天线，其特征在于，
所述第一天线辐射单元(31)和所述第二天线辐射单元(32)由矩形微带线和四个短截线组成，所述四个短截线的形状由所述介质层(20)上层中心到侧边的顺序依次为矩形、矩形、类L形、矩形，并对应激发第四谐振频带、第三谐振频带、第一谐振频带、第二谐振频带。
5.根据权利要求4所述的基于多缺陷地的二端口MIMO天线，其特征在于，
所述第一天线辐射单元(31)和第二天线辐射单元(32)的外缘分别与所述介质层(20)的两端齐平，以便顺利接入SMA馈电接头。
6.根据权利要求1所述的基于多缺陷地的二端口MIMO天线，其特征在于，
所述天线实现了四频带通信，分别位于5G N78/N79和WLAN 5.8GHz/6E频段；且在尺寸仅为29mm×29mm×1.6mm的情况下保持整体隔离度大于20dB。
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