CN202127088U - 一种双极化天线及具有该双极化天线的mimo天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种双极化天线，其包括第一馈线、第二馈线、第一金属片、第二金属片；第一馈线和第二馈线均通过耦合方式馈入所述第一金属片，第二金属片与第一金属片相对设置且与第一馈线和第二馈线二者之一电连接或者与第一馈线和第二馈线均电连接；第一金属片上镂空有微槽结构以在所述第一金属片上形成金属走线，所述双极化天线上设置有一个或多个供电子元件嵌入的预留空间。本实用新型双极化天线工作于低频时使得天线体积更小，性能更优良；同时本实用新型还在双极化天线上根据需要嵌入多个电子元件，能方便调节双极化天线的性能和所需响应的频段。另外，本实用新型还公开一种具有该双极化天线的MIMO天线，该MIMO天线具有高隔离度。

Description

一种双极化天线及具有该双极化天线的MIMO天线

技术领域

本实用新型涉及无线通信领域，尤其涉及一种用于无线通信的双极化天线及具有该双极化天线的MIMO天线。 

背景技术

双极化天线是一种新型天线技术，传统的双极化天线是通过组合了+45°和-45°两副极化方向相互正交的天线并同时工作在收发双工模式下，因此其最突出的优点是节省单个定向基站的天线数量；如一般GSM数字移动通信网的定向基站(三扇区)要使用9根天线，每个扇形使用3根天线(空间分集，一发两收)，如果使用双极化天线，每个扇形只需要1根天线；同时由于在双极化天线中，±45°的极化正交性可以保证+45°和-45°两副天线之间的隔离度满足互调对天线间隔离度的要求(≥30dB)，因此双极化天线之间的空间间隔仅需20-30cm；另外，双极化天线具有电调天线的优点，在移动通信网中使用双极化天线同电调天线一样，可以降低呼损，减小干扰，提高全网的服务质量。如果使用双极化天线，由于双极化天线对架设安装要求不高，不需要征地建塔，只需要架一根直径20cm的铁柱，将双极化天线按相应覆盖方向固定在铁柱上即可，从而节省基建投资，同时使基站布局更加合理，基站站址的选定更加容易。 

然而，随着半导体工艺的高度发展，对当今的电子系统集成度提出了越来越高的要求，器件的小型化成为了整个产业非常关注的技术问题。不同于IC芯片遵循“摩尔定律”的发展，作为电子系统的另外重要组成——射频模块，却面临着器件小型化的高难度技术挑战。射频模块主要包括了混频、功放、滤波、射频信号传输、匹配网络与天线等主要器件。其中，天线作为最终射频信号的 辐射单元和接收器件，其工作特性将直接影响整个电子系统的工作性能。然而天线的尺寸、带宽、增益等重要指标却受到了基本物理原理的限制(固定尺寸下的增益极限、带宽极限等)。这些指标极限的基本原理使得天线的小型化技术难度远远超过了其它器件，而由于射频器件的电磁场分析的复杂性，逼近这些极限值都成为了巨大的技术挑战。 

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题在于，针对现有双极化天线的上述不足，提出突破传统天线设计的框架，省去阻抗匹配网络的复杂设计，保证其小型化，适应面广并在低工作频段依然保持良好性能的双极化天线及具有该双极化天线的MIMO天线。 

本实用新型解决其技术问题采用的技术方案是，提出一种双极化天线，其包括第一馈线、第二馈线、第一金属片、第二金属片；所述第一馈线和所述第二馈线均通过耦合方式馈入所述第一金属片，所述第二金属片与所述第一金属片相对设置且与所述第一馈线和所述第二馈线二者之一电连接或者与所述第一馈线和所述第二馈线均电连接；所述第一金属片上镂空有微槽结构以在所述第一金属片上形成金属走线，所述双极化天线上设置有一个或多个供电子元件嵌入的预留空间。 

进一步地，所述微槽结构包括互补式开口谐振环结构、互补式螺旋线结构、开口螺旋环结构、双开口螺旋环结构、互补式弯折线结构。 

进一步地，所述预留空间设置于所述第一馈线、所述第二馈线和/或所述微槽结构之上，和/或所述预留空间设置于所述第一馈线与相邻所述第一馈线的金属走线之间并连接所述第一馈线与相邻所述第一馈线的金属走线，和/或预留空间设置于所述第二馈线与相邻所述第二馈线的金属走线之间并连接所述第二馈线与相邻所述第二馈线的金属走线，和/或所述预留空间设置于所述微槽结构相邻槽形成的金属走线之上并连接所述相邻槽。 

进一步地，所述电子元件为感性电子元件、容性电子元件或电阻。 

进一步地，所述感性电子元件电感值范围为0至5uH。 

进一步地，所述容性电子元件电容值范围为0至2pF。 

进一步地，所述第一馈线还包括第一馈电点，所述第二馈线还包括第二馈电点，所述第一馈电点的馈电方向与所述第二馈电点的馈电方向相互垂直使得所述第一馈线和所述第二馈线分别对应于所述双极化天线的水平极化工作模式和垂直极化工作模式。 

进一步地，所述天线还包括填充于所述第一金属片与所述第二金属片之间的介质。 

进一步地，所述第二金属片过形成于所述介质上的金属化通孔与所述第一馈线和/或所述第二馈线通电连接。 

本实用新型还提供一种MIMO天线，其包括多个如权利要求1所述的双极化天线，所述多个双极化天线的每个第一馈线和每个第二馈线均各自接入接收/发射机，全部的所述接收/发射机均连接于基带信号处理器。 

本实用新型通过在各馈线相对面增设第二金属片使得馈线的辐射面积增大，当双极化天线工作于低频时使得天线体积更小，性能更优良；同时本实用新型还在双极化天线上根据需要嵌入多个电子元件，能方便调节双极化天线的性能和所需响应的频段。进一步地，本实用新型还公开一种具有该双极化天线的MIMO天线，该MIMO天线具有高隔离度。 

附图说明

图1为本实用新型天线结构示意图； 

图2为本实用新型双极化天线第一较佳实施方式的结构示意图； 

图3为本实用新型双极化天线第二较佳实施方式的结构示意图； 

图4为本实用新型双极化天线第三较佳实施方式的结构示意图； 

图5为本实用新型双极化天线第四较佳实施方式的结构示意图； 

图6为本实用新型双极化天线第五较佳实施方式的结构示意图； 

图7a为互补式开口谐振环结构的示意图； 

图7b所示为互补式螺旋线结构的示意图； 

图7c所示为开口螺旋环结构的示意图； 

图7d所示为双开口螺旋环结构的示意图； 

图7e所示为互补式弯折线结构的示意图； 

图8a为图7a所示的互补式开口谐振环结构其几何形状衍生示意图； 

图8b为图7a所示的互补式开口谐振环结构其扩展衍生示意图； 

图9a为三个图7a所示的互补式开口谐振环结构的复合后的结构示意图； 

图9b为两个图7a所示的互补式开口谐振环结构与图7b所示为互补式螺旋线结构的复合示意图； 

图10为四个图7a所示的互补式开口谐振环结构组阵后的结构示意图。 

具体实施方式

超材料是由具有一定图案形状的人造金属微结构按照特定方式周期排列于基材上而构成。人造金属微结构不同的图案形状和排列方式使得超材料具有不同的介电常数和不同的磁导率从而使得超材料具有不同的电磁响应。其中，当该人造金属微结构处于谐振频段时，该人造金属微结构将表现出高度的色散特性，所谓高度的色散特性是指该人造金属微结构的阻抗、容感性、等效的介电常数和磁导率随着频率会发生剧烈的变化。 

运用上述超材料原理得到现有技术的超材料射频天线参考公开号为CN201490337的中国专利申请。但是上述专利存在两方面的问题：一是当外界条件变化时，不能方便调节天线电磁参数且不支持天线双极化；二是当天线工作在低频时，将仍然导致馈线长度变长，不利于天线整体的小型化。 

如图1所示，本实用新型天线包括第一馈线11、第二馈线12、第一金属片4、第二金属片5，第一金属片4上形成有微槽结构100。微槽结构100可以是 图7a所示的互补式开口谐振环结构、图7b所示的互补式螺旋线结构、图7c所示的开口螺旋环结构、图7d所示的双开口螺旋环结构、图7e所示的互补式弯折线结构中的一种或者是通过前面几种结构衍生、复合或组阵得到的微槽结构。衍生分为两种，一种是几何形状衍生，另一种是扩展衍生，此处的几何形状衍生是指功能类似、形状不同的结构衍生，例如由方框类结构衍生到曲线类结构、三角形类结构及其它不同的多边形类结构；此处的扩展衍生即在图7a至图7e的基础上开设新的槽以形成新的微槽结构；以图7a所示的互补式开口谐振环结构为例，图8a为其几何形状衍生示意图，图8b为其几何形状衍生示意图。此处的复合是指，图7a至图7e的微槽结构多个叠加形成一个新的微槽结构，如图9a所示，为三个图7a所示的互补式开口谐振环结构复合后的结构示意图；如图9b所示，为两个图7a所示的互补式开口谐振环结构与图7b所示为互补式螺旋线结构共同复合后的结构示意图。此处的组阵是指由多个图7a至图7e所示的微槽结构在同一金属片上阵列形成一个整体的微槽结构，如图10所示，为多个如图7a所示的互补式开口谐振环结构组阵后的结构示意图。以下均以图7c所示的开口螺旋环结构为例阐述本实用新型。微槽结构100同样使得第一金属片4上形成多条金属走线。 

第一馈线11与第二馈线12部分围绕微槽结构100设置并对微槽结构100耦合馈电，第一馈线11与第二馈线12对微槽结构100耦合馈电的方式可以是通过可短接点连接各馈线与微槽结构100的感性耦合馈电方式，也可以是各馈线与微槽结构100不连接而是相对形成耦合电容的容性耦合馈电方式。第一馈线11与第二馈线12还分别包括第一馈电点111与第二馈电点121，第一馈电点111馈电方向与第二馈电点121馈电方向相互垂直使得第一馈线11与第二馈线12分别对应于双极化天线的水平极化工作模式和垂直极化工作模式。 

在第一金属片4上形成微槽结构100的方式可为蚀刻、钻刻、光刻、电子刻、离子刻等工艺，其中蚀刻为优选工艺，其主要步骤是在设计好合适的微槽结构后，然后通过蚀刻设备，利用溶剂与金属的化学反应去除掉预设微槽结构 的箔片部分即可得到形成有上述微槽结构100的第一金属片4。上述金属箔片的材质可以是铜、银等金属。 

第一金属片4与第二金属片5之间存在介质，介质可为高分子聚合物、陶瓷材料等，也可为空气。当介质为空气时，第一馈线11和/或第二馈线12与第二金属片5通过导线电连接，当介质为高分子聚合物或陶瓷材料时，第一馈线11和/或第二馈线12与第二金属片5通过在介质上形成金属化通孔而相互电连接。本实用新型中，介质采用聚四氟乙烯(FR4)并通过金属化通孔6电连接第二金属片5和第一馈线11、第二馈线12。 

第二金属片5的设置可有效解决现有专利天线在工作在低频时，低频段的电磁波对应的波长较长，根据天线设计原理，天线馈线的电辐射长度将要增大使得馈线长度变长，不利于天线整体的小型化并且较长的馈线使得馈线损耗增大从而使得天线性能下降的问题。其问题解决的原理是：第二金属片5与第一金属片4容性耦合，对第一金属片4上形成的微槽结构100耦合馈电。第二金属片5对第一金属片4上形成的微槽结构100耦合馈电有效的减少了第一馈线11和第二馈线12对第一金属片4上形成的微槽结构100耦合馈电的需求。因此当天线工作在低频段时无需增加第一馈线11和第二馈线12的长度，且第二金属片5耦合馈电的面积易于调节，针对不同的工作频段只需简单的调整第二金属片5耦合馈电面积即可。 

在第一馈线11、第二馈线12、微槽结构100、多条金属走线上均可预设有供电子元件嵌入的预留空间。上述电子元件通常为感性电子元件、容性电子元件或电阻，当然也可以是其组合。本实用新型中，预留空间采用焊盘的形式，在预留空间未被利用的情况下通过导线将预留空间电连接，在预留空间被利用的情况下，由于实施方式多种多样，不同的实施方式将对应不同的改变效果，但整体均是通过嵌入不同的电子元件改变天线整体的电磁参数使之具有更好的性能和匹配不同的频段，调节方便。下面详细论述五个在天线不同部位镶嵌不同电子元件的较佳实施方式。 

如图2所示，图2为本实用新型第一较佳实施方式的正视图，图2中，在第一馈线11及第二馈线12上分别预设有嵌入感性电子元件和/或电阻的预留空间31、预留空间32，预设的嵌入电子元件空间的位置可以是第一馈线11及第二馈线12上的任意位置，并且可以有多个。在预留空间31及预留空间32中嵌入的感性电子元件可以改变第一馈线11及第二馈线12上的电感值。运用公式： 

可知电感值的大小和工作频率的平方成反比，所以当需要的工作频率为较低工作频率时，可通过改变嵌入的电感或感性电子元件的电感值实现。本实施例中，嵌入的感性电子元件的电感值范围在0至5uH之间，若嵌入的感性电子元件的电感值太大，交变信号将会被感性元件消耗从而影响到天线的辐射效率。此种天线具有多个频段的良好辐射特性，五个主要辐射频率从900MHz一直分布到5.5GHz，几乎涵盖了GSM、CDMA、蓝牙、W-Lan(IEEE802.11协议)、GPS、TD-LTE等各个主要的通信频率，具有非常高的集成度且可通过对馈线上的电感值进行调节达到改变天线工作频率的目的。当然，也可以在预留空间31与预留空间32中嵌入两个电阻，以改善天线的辐射电阻。可以想象地，预留空间31及预留空间32也可以是分别嵌入一个电阻以及一个感性电子元件，既实现了工作频率的调节，又能改善天线的辐射电阻。同时，预留空间31与预留空间32中也可以只在其中之一加入电子元件，另一个空间通过导线短接。 

如图3所示，图3为本实用新型第二较佳实施方式的正视图，图3中，在第一馈线11与相邻第一馈线11的金属走线401之间、第二馈线12与相邻第二馈线12的金属走线402之间预设有嵌入容性电子元件的预留空间41、预留空间42，预设的嵌入电子元件空间的位置可以是第一馈线11与相邻第一馈线11的金属走线401之间、第二馈线12与相邻第二馈线12的金属走线402之间的任意位置。图4中预留空间41和预留空间42为本实施例中嵌入容性电子元件的空间，第一馈线11、第二馈线12与第一金属片4之间本身形成有一定的耦合电容，这里通过嵌入容性电子元件调节第一馈线11、第二馈线12与金属片4之间 的信号耦合，运用公式： 可知电容值的大小和工作频率的平方成反比，所以当需要的工作频率为较低工作频率时，可通过改变嵌入的电容或感性电子元件的电容值实现。本实施例中，加入的容性电子元件的电容值范围通常在0至2pF之间，不过随着天线工作频率的变化嵌入的电容值也可能超出0至2pF的范围。 

如图4所示，图4为本实用新型第三较佳实施方式的正视图，图5中，在微槽结构100上预留有嵌入感性电子元件和/或电阻的预留空间51、52，嵌入电子元件的空间不仅仅局限于图中给出的预留空间51和预留空间52，其他位置只要满足条件均可。此处嵌入感性电子元件的目的是增加微槽结构内部谐振结构的电感值，从而对天线的谐振频率及工作带宽起到调节的作用；与第一较佳实施方式相同，此处嵌入电阻的目的是改善天线的辐射电阻。至于是嵌入感性电子元件还是电阻，则根据需要而定。另外在未嵌入电子元件的空间中，采用导线短接。 

如图5所示，图5为本实用新型第四较佳实施方式的正视图，图5中，在微槽结构100相邻槽形成的金属走线403和404上预设有嵌入容性电子元件的预留空间61、62嵌入电子元件的空间不仅仅局限与图5中给出的预留空间61、62，其他位置只要满足条件均可。嵌入的容性电子元件可以改变微槽结构的谐振性能，最终改善天线的Q值及谐振工作点。作为公知常识，我们知道，通频带BW与谐振频率w0和品质因数Q的关系为：BW＝wo/Q，从该关系式可知，Q大则通频带窄，Q小则通频带宽。而Q＝wL/R＝1/wRC其中：Q是品质因素；w是电路谐振时的电源频率；L为电路电感值；R为电路电阻值；C为电路电容值，由Q＝wL/R＝1/wRC公式可知，Q和C呈反比，因此，可以通过加入容性电子元件来减小Q值，使通频带变宽。 

如图6所示，图6为本实用新型第五较佳实施方式的正视图，图6中，本实用新型双极化天线在第一馈线11、第二馈线12、微槽结构100、第一馈线11与相邻第一馈线11的金属走线401之间、第二馈线12与相邻第二馈线12 的金属走线402之间、微槽结构100相邻槽形成的金属走线403这六个位置上都设置供电子元件嵌入的预留空间，即第一馈线11上的预留空间31，第二馈线12上的预留空间32，微槽结构100上的预留空间51，第一馈线11与相邻第一馈线11的金属走线401之间的预留空间41，第二馈线12与相邻第二馈线12的金属走线402之间的预留空间42，微槽结构100相邻槽形成的金属走线403、404上的预留空间61、62。当然在实施例中给出的位置并不是唯一性的，本实施例中，在上述的空间中加入电子元件以调节天线的性能，其原理与第一至第四较佳实施方式的原理类似。 

本实用新型还提供一种包括多个上述双极化天线的多输入多输出(MIMO)天线。MIMO天线中每一天线的第一馈线11和第二馈线12分别接入一发射/接收机，所有的发射/接收机接入基带信号处理器。 

上面结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。 

Claims (10)

1.一种双极化天线，其特征在于：所述天线包括第一馈线、第二馈线、第一金属片、第二金属片；所述第一馈线和所述第二馈线均通过耦合方式馈入所述第一金属片，所述第二金属片与所述第一金属片相对设置且与所述第一馈线和所述第二馈线二者之一电连接或者与所述第一馈线和所述第二馈线均电连接；所述第一金属片上镂空有微槽结构以在所述第一金属片上形成金属走线，所述双极化天线上设置有一个或多个供电子元件嵌入的预留空间。

2.如权利要求1所述的双极化天线，其特征在于：所述微槽结构包括互补式开口谐振环结构、互补式螺旋线结构、开口螺旋环结构、双开口螺旋环结构、互补式弯折线结构。

3.如权利要求1所述的双极化天线，其特征在于：所述预留空间设置于所述第一馈线、所述第二馈线和/或所述微槽结构之上，和/或所述预留空间设置于所述第一馈线与相邻所述第一馈线的金属走线之间并连接所述第一馈线与相邻所述第一馈线的金属走线，和/或预留空间设置于所述第二馈线与相邻所述第二馈线的金属走线之间并连接所述第二馈线与相邻所述第二馈线的金属走线，和/或所述预留空间设置于所述微槽结构相邻槽形成的金属走线之上并连接所述相邻槽。

4.如权利要求1所述的双极化天线，其特征在于：所述电子元件为感性电子元件、容性电子元件或电阻。

5.如权利要求4所述的双极化天线，其特征在于：所述感性电子元件电感值范围为0至5uH。

6.如权利要求4所述的双极化天线，其特征在于：所述容性电子元件电容值范围为0至2pF。

7.如权利要求1所述的双极化天线，其特征在于：所述第一馈线还包括第一馈电点，所述第二馈线还包括第二馈电点，所述第一馈电点的馈电方向与所 述第二馈电点的馈电方向相互垂直使得所述第一馈线和所述第二馈线分别对应于所述双极化天线的水平极化工作模式和垂直极化工作模式。

8.如权利要求1所述的双极化天线，其特征在于：所述天线还包括填充于所述第一金属片与所述第二金属片之间的介质。

9.如权利要求8所述的双极化天线，其特征在于：所述第二金属片通过形成于所述介质上的金属化通孔与所述第一馈线和/或所述第二馈线电连接。

10.一种MIMO天线，其特征在于：包括多个如权利要求1所述的双极化天线，所述多个双极化天线的每个第一馈线和每个第二馈线均各自接入接收/发射机，全部的所述接收/发射机均连接于基带信号处理器。 

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