CN202855895U - 双极化mimo天线阵 - Google Patents

Abstract

本实用新型为双极化MIMO天线阵，包括2个相同的双极化天线单元，每个天线单元为相同正方形的第一、二层介质板和接地板重合层叠，上表面为金属辐射贴片，在二介质板之间设置相互垂直的2个微带馈线，分别位于正方形相邻两边的中线上。2个天线单元置于同一水平面上，且其中1个单元的正方形的2条对边分别与另一正方形的对应边处于同一直线上，即2个单元的正方形处于同一个长方形的两端。2个单元正方形相邻的边之间的距离为0.1～100mm。2个单元间用空气或者绝缘塑料泡沫相隔。金属辐射贴片的四个边有凸出矩形。接地板有对称的十字形槽。本实用新型保证天线阵的高性能并实现小型化和高辐射性能，改善阻抗带宽，调整单元间距离，即调节隔离度。

Description

双极化MIMO天线阵

技术领域

本实用新型涉及天线技术领域，具体涉及到一种有两个天线单元的双极化MIMO天线阵。

背景技术

随着无线通信高速向宽带多功能方向发展，频谱资源的不足问题日益突出。如何充分开发利用有限频谱资源和提高频谱利用率，是当前通信界研究的热点课题。为了在有限的频带上提高频谱利用率，实现更高速率的数据传输，出现了MIMO技术，即多输入多输出技术。MIMO技术在发射端和接收端均采用多根天线进行收发，在不增加系统带宽的情况下成倍的提高通信系统的容量和频谱利用率，同时也能提高信道的可靠性，降低其误码率。采用MIMO技术能大大提高通信系统的容量和频谱利用率，同时也能提高信道的可靠性，降低误码率，它是下一代（后3G或4G）移动通信的关键技术，被视为未来的无线通信中最有竞争力的技术之一。随着MIMO技术的迅速发展，现在开始应用到无线局域网（WLAN）以提升性能，研究适用于WLAN的小型MIMO技术同时具有理论意义和实用价值。

MIMO天线设计是MIMO通信技术的三大关键技术之一。

受到接收机或发射机尺寸及结构的限制，需要在有限的空间尽可能多地布置天线单元，对天线单元和天线阵列设计提出更高要求。因为天线单元的设计、阵列单元的数目、阵列结构以及排列方式等因素直接影响MIMO信道的空间相关性。尤其是便携式终端的天线对于天线数目与位置要求更高；如手机对其天线数目与间距要求尤为严格，其一：其天线单元间距较大，必须具有分集功能；其二：各天线单元要尽可能接收来之各方面的散射波，这两点常规分集天线均无法实现。

迫切需要解决的问题是：在有限的空间里使得阵列中各天线单元具有较小的相关性，使得MIMO信道相应矩阵接近满秩，并取得MIMO系统最大容量。另外是在实际工程中天线应用面临的一些问题，比如天线耦合、极化隔离、共形以及机体对天线性能的影响等。

对于基站而言，因为可用空间大，多天线技术的应用容易得到实现，已有多种解决方案。但移动端MIMO天线设计仍然是MIMO技术发展以及应用的瓶颈，甚至可以说天线的发展制约着未来无线通信发展。由于MIMO系统在收发两端采用多天线技术，必然导致在收发两端增加较多的射频处理单元个数，射频模块的造价普遍相对昂贵，这显然不利于MIMO技术的商用化。另外802.11n路由及网卡价格也相对较高，故到目前为止，MIMO技术在商业化的蜂窝移动通信系统中还很少实现，在3G中的应用受到限制，在无线局域网802.11n网络中也未大规模覆盖。

在个人移动通信终端上，尤其是各种小型手持设备上，往往不允许放置太多的天线。要求天线结构更为紧凑、便于与设备集成，同时要求各个天线单元的组合能够充分有效地利用空间多径资源。

目前适用于直接集成于移动终端上的天线，外置式天线有1/4波长单极天线、螺旋天线等；内置式天线有微带贴片天线、微带缝隙天线、平面倒F天线(PIFA)等。带有地板的微带贴片天线具有良好的共形、低剖面、较理想的增益及较小的SAR，一直是MIMO天线单元形式的首选，普遍用于便携无线设备。

手持设备需将多个天线集成在小空间中，会引起很大的互耦，天线的分集性能就随之下降。如何减小天线单元间的耦合是MIMO天线设计的难点，目前一般方法是在地板上切割出细缝、采用EBG地板结构、加入反射单元和增加地板分支等。但是在有限的空间中集成的天线数目越多，要得到阻抗带宽就会越难。为了提高MIMO天线的性能增加天线单元数目，得到的MIMO天线虽然某一性能很优，但是占用空间大，天线阵的隔离度低，带宽都比较窄。无法满足小型化多功能的移动端设备。现有的地板多单元MIMO天线结构，尽管单个天线单元阻抗带宽很宽，但是把所有单元集成到多天线单元的MIMO天线阵后，由于各个天线单元之间的互耦影响，天线单元阻抗变差。

总之目前还没有适用于无线通信移动端的高性能MIMO天线。

实用新型内容

本实用新型的目的是设计一种双极化MIMO天线阵，包括2个相同的双极化天线单元，体积小，高增益，成本低，易集成，适合于无线通信的移动端使用。

本实用新型设计的双极化MIMO天线阵包括2个相同的双极化天线单元，每个双极化天线单元为层叠的正方形，包括金属辐射贴片、微带馈线、第一层介质板、第二层介质板和导电的接地板，第一层介质板、第二层介质板和接地板为相同的正方形，第一层介质板在最上层、其下为第二层介质板，接地板在底层，三层板四边重合层叠，各层相互贴合、固定连接。第一层介质板上表面为金属辐射贴片，构成辐射单元。金属辐射贴片也为正方形，且边长小于第一层介质板的边长，位于第一层介质板的中心位置。在第一层介质板和第二层介质板之间设置相互垂直的2个微带馈线，2个微带馈线分别位于正方形相邻两边的中线上；2个双极化天线单元置于同一水平面上，且其中1个双极化天线单元的正方形的2条对边分别与另一正方形的对应边处于同一直线上，即2个双极化天线单元的正方形处于同一个长方形的两端，该长方形短边边长等于双极化天线单元正方形边长。2个双极化天线单元放置方向不限，每个双极化天线单元的微带馈线可处于该双极化天线单元的正方形相邻的任意2边。

所述双极化天线单元的第一层介质板的正方形边长为S，S为42mm～60mm。

2个双极化天线单元正方形相邻的边之间的距离L为0.1mm～100mm。调节L即可调节本天线阵的隔离度。

2个双极化天线单元之间用空气或者绝缘塑料泡沫相隔。有利于减小因为空间波引起的互耦，有利于减少或避免2个双极化天线单元相互之间的耦合影响。

所述金属辐射贴片的边长W为S的3/10至3/5。

所述2个微带馈线在第二层介质板的边缘处各连接馈电端口，微带馈线的长度N为S的1/4至4/9，宽度n为S的1/10至1/5。调整微带馈线长度，可以调整本天线的谐振深度。馈线长度与谐振深度成正比。

所述金属辐射贴片的四个边有相同的凸出矩形，凸出矩形以所在边的中线为对称，即四边均为相同的如“凸”字上半部的折线，金属辐射贴片的特殊形状拓展了频带带宽,而且使得天线明显小型化。所述的金属辐射贴片的对称结构保证天线较高的端口隔离度和较低的交叉极化电平，而且也在一定程度上改善了天线带宽。

所述金属辐射贴片的四边凸出矩形的长度M为金属辐射贴片的边长W的2/5至4/5，宽度m为（1/2）*（S-W）的1/10至1/5。

所述的接地板以中心为坐标原点，在四个象限区域内各有一个通透接地板的十字形槽，十字形槽的纵横向槽与接地板的边平行或垂直，且纵向槽与横向槽的长、宽相等，4个十字形槽以接地板中心为对称中心。

所述十字形槽的纵向或横向的长度D为S的1/5至2/5，槽的外端距离接地板边缘的距离d为D的1/10至1/5，槽的宽度s为D的1/10至1/5。

所述双极化天线单元的第一层介质板为介电常数ε_r为4.1～4.7的单面覆铜板，金属辐射贴片为第一层介质板刻蚀后剩余的覆铜层；第二层介质板为介电常数ε_r为4.1～4.7的双面覆铜板，微带馈线为第二层介质板表面刻蚀后剩余的覆铜层，接地板为第二层介质板的底面覆铜层。

所述双极化天线单元各微带馈线的馈电端口焊接微波高频连接器，即SMA（Small A Type）接头。

与现有技术相比，本实用新型双极化MIMO天线阵有以下优点以及有益效果：1、选择两个天线单元，在保证MIMO天线阵具有高性能的前提下，实现了天线阵的小型化和高辐射性能等特性；2、保持天线单元带宽不变小，改善了MIMO天线阵的阻抗带宽，适当地调整天线单元间距离，即可满足多功能终端设备阻抗带宽要求和良好的隔离度；3、结构更简单，且采用平面排列，很容易地集成到电路板上，比三维结构的MIMO天线阵更适合集成到移动端设备中；更具小型化优势，生产成本也大大降低；4、两个天线单元构成两天线布局分集形式的终端MIMO天线结构；两块正方形天线单元各有较宽的辐射方向图，利于改善MIMO天线的空间分集，采用长方形分布排列则改善了天线的极化分集效果，2个天线单元底部的覆铜接地板相隔一定距离、被分成独立的两部分，隔离度提高和天线单元之间的互耦减小；保证各个馈电端口之间具有较高的隔离度，能够极大改善系统的接收性能；5、双极化天线单元平行放置的结构，馈电端口具有良好地阻抗匹配，在对2天线单元间的隔离度影响很小的情况下，大幅度的改善天线阵的阻抗匹配，天线单元最大程度地保留原有的阻抗带宽，MIMO天线阵能在小尺寸的情况下，得到理想的阻抗带宽；7、实验结果表明天线谐振在期望的频率处，并且有理想的互耦，实验中实测值和理论值之间的误差在可允许范围内。

附图说明

图1为本双极化MIMO天线阵实施例1正面结构示意图；

图2为本双极化MIMO天线阵实施例1反面结构示意图；

图3为本双极化MIMO天线阵实施例1侧面结构示意图；

图4为本双极化MIMO天线阵实施例1其中一个微带馈线的馈电端口的回波损耗曲线图；

图5为本双极化MIMO天线阵实施例1其中一个微带馈线的馈电端口的驻波比曲线图；

图6为本双极化MIMO天线阵实施例1在方位角theta=0～360deg的增益曲线图；

图7为本双极化MIMO天线阵实施例2正面结构示意图；

图8为本双极化MIMO天线阵实施例3正面结构示意图；

图9为本双极化MIMO天线阵实施例4正面结构示意图；

图10为本双极化MIMO天线阵实施例5正面结构示意图；

图11为本双极化MIMO天线阵实施例6正面结构示意图。

图内标号为：A、一个双极化天线单元，B、另一个双极化天线单元；

1、第一层介质板，2、金属辐射贴片，21、凸出矩形，3、微带馈线，31、馈电端口，4、接地板，41、十字形槽，5、第二层介质板。

具体实施方式

实施例1

本双极化MIMO天线阵实施例如图1至3所示，包括2个相同的双极化天线单元A和B（图中用虚线框起表示一个天线单元），每个双极化天线单元A或B为层叠的正方形，2个双极化天线单元A和B置于同一水平面上，且其中1个双极化天线单元A的正方形的2条对边分别与另一双极化天线单元B正方形的对应边处于同一直线上，即2个双极化天线单元A的正方形处于同一个长方形的两端，该长方形短边边长等于双极化天线单元正方形边长。本例2个双极化天线单元正方形相邻的边之间的距离L为5mm。本例两个双极化天线单元A和B放置方向相同，即如图1所示，B和A的微带馈线3均为一个在其正方形左边、另一个在其正方形下边。

本例2个双极化天线单元A和B之间用绝缘塑料泡沫相隔。

所述双极化天线单元A和B结构相同，均包括第一层介质板1、第二层介质板5和接地板4。本例第一层介质板1、第二层介质板5和接地板4为相同的边长为S=51毫米的正方形，第一层介质板1在最上层、其下为第二层介质板5，接地板4在底层，三层板四边重合层叠，各层相互贴合。

本例的第一层介质板1为介电常数ε_r为4.4、正切损耗角tanσ为0.02，厚度为2毫米的单面覆铜板，金属辐射贴片2为第一层介质板1刻蚀后剩余的覆铜层，第二层介质板5为介电常数ε_r为4.4、正切损耗角tanσ为0.02，厚度为2毫米的双面覆铜板，微带馈线3为第二层介质板5上表面刻蚀后剩余的覆铜层，接地板4为第二层介质板5的底面覆铜层。本例第一层介质板1和第二层介质板5粘合连接。也可以用塑料螺钉连接2层介质板。

如图1所示，本例所述金属辐射贴片2为边长W=23.6毫米的正方形，位于第一层介质板1的中心位置。正方形四个边有相同的凸出矩形21，凸出矩形21以所在边的中线为对称，本例凸出矩形21的长度M=14.0毫米，宽度m=2.0毫米。

相互垂直的2个微带馈线3分别位于第二层介质板5上表面正方形相邻两边的中线上，长度N=17.3毫米，宽度n=3.2毫米。2个微带馈线3在第二层介质板5的边缘处的外端各连接50欧姆的SMA接头作为馈电端口31。调整微带馈线3的宽度使馈电端口与50欧姆的SMA接头相匹配。

如图2所示，所述接地板4以中心为坐标原点，在四个象限区域内各有一个通透接地板4的十字形槽41，十字形槽41的纵横向槽与接地板4的边平行或垂直，且纵向槽与横向槽的长、宽相等，4个十字形槽41以接地板4中心为对称。十字形槽41的纵向或横向的长度D=15.6毫米，宽度s=2.6毫米，槽的外端距离接地板4边缘的距离d=2.2毫米。

本例MIMO天线阵采用50欧姆微带线馈电，从实测值看各端口之间隔离值都大于25dB，说明本例MIMO天线阵两个天线单元的端口之间具有高的隔离度。使用网络矢量分析仪等专业仪器对其回波损耗、驻波比、增益、方向图等辐射特性进行了测量。实测结果如如图4～6所示。图4是其中一个馈电端口信号输入的回波损耗值，图示的横坐标是频率F，纵坐标是回波损耗S11值，从图可知本例MIMO天线阵谐振在2.43GHz处，此时S11约为-27dB，在2.3GHz～2.52GHz之间回波损耗S11≤-10dB，天线阵通带宽高达220MHz，相对带宽达到9%之多，而单个双极化天线单元原带宽为230MHz，相比组阵之前天线带宽变化不大。图5所示为天线阵中一个馈电端口的驻波比曲线，横坐标是频率F，纵坐标是天线阵的电压驻波比VSWR，从图5中可以看出：在2.3GHz～2.52GHz之间本例天线阵的电压驻波比VSWR≤2，；在2.36GHz～2.49GHz之间VSWR≤1.5,完全覆盖了WLAN2.4GHz频段（2.4～2.48GHz），说明本例天线阵具有宽的通频带，而传统天线阵带宽仅100MHz左右。图6所示为本实施例在方位角theta=0～360deg的增益曲线，其横坐标为方位角，纵坐标为增益值，从图6可知本例天线阵增益峰值高达6.5dBi，具有高增益性能。从以上实侧结果分析说明本例MIMO天线阵的布局较理想，性能优异。

实施例2

本双极化MIMO天线阵实施结构与实施例1基本相同，本例两个双极化天线单元A、B放置方向如图7所示，A的微带馈线3一个在其正方形左边、另一个在其正方形下边，B的微带馈线3一个在其正方形右边、另一个在其正方形下边。

实施例3

本双极化MIMO天线阵实施例结构与实施例1基本相同，本例两个双极化天线单元A、B放置方向如图8所示，A的微带馈线3一个在其正方形左边、另一个在其正方形下边，B的微带馈线3一个在其正方形右边、另一个在其正方形上边。

实施例4

本双极化MIMO天线阵实施例结构与实施例1基本相同，本例两个双极化天线单元A、B放置方向如图9所示，A的微带馈线3一个在其正方形左边、另一个在其正方形下边，B的微带馈线3一个在其正方形左边、另一个在其正方形上边。

实施例5

本双极化MIMO天线阵实施例结构与实施例1基本相同，本例两个双极化天线单元A、B放置方向如图10所示，A的微带馈线3一个在其正方形右边、另一个在其正方形下边，B的微带馈线3一个在其正方形左边、另一个在其正方形下边。

实施例6

本双极化MIMO天线阵实施例结构与实施例1基本相同，本例两个双极化天线单元A、B放置方向如图11所示，A的微带馈线3一个在其正方形右边、另一个在其正方形下边，B的微带馈线3一个在其正方形左边、另一个在其正方形上边。

上述实施例，仅为对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本实用新型并非限定于此。凡在本实用新型的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.双极化MIMO天线阵，其特征在于：

包括2个相同的双极化天线单元，每个双极化天线单元为层叠的正方形，包括金属辐射贴片（2）、微带馈线（3）、第一层介质板（1）、第二层介质板（5）和导电的接地板（4），第一层介质板（1）、第二层介质板（5）和接地板（4）为相同的正方形，第一层介质板（1）在最上层、其下为第二层介质板（5），接地板（4）在底层，三层板四边重合层叠，各层相互贴合、固定连接；第一层介质板（1）上表面为金属辐射贴片（2），构成辐射单元；金属辐射贴片（2）也为正方形，且边长小于第一层介质板（1）的边长，位于第一层介质板（1）的中心位置；在第一层介质板（1）和第二层介质板（5）之间设置相互垂直的2个微带馈线（3），2个微带馈线（3）分别位于正方形相邻两边的中线上；2个双极化天线单元置于同一水平面上，且其中1个双极化天线单元的正方形的2条对边分别与另一正方形的对应边处于同一直线上，即2个双极化天线单元的正方形处于同一个长方形的两端，该长方形短边边长等于双极化天线单元正方形边长。

2.根据权利要求1所述的双极化MIMO天线阵，其特征在于：

所述双极化天线单元的第一层介质板（1）的正方形边长为S，S为42mm～60mm。

3.根据权利要求2所述的双极化MIMO天线阵，其特征在于：

所述2个双极化天线单元正方形相邻的边之间的距离L为0.1mm～100mm，2个双极化天线单元之间用空气或者绝缘塑料泡沫相隔。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的双极化MIMO天线阵，其特征在于：

所述金属辐射贴片（2）的边长W为S的3/10至3/5。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的双极化MIMO天线阵，其特征在于：

所述2个微带馈线（3）在第二层介质板的边缘处各连接馈电端口，微带馈线（3）的长度N为S的1/4至4/9，宽度n为S的1/10至1/5。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的双极化MIMO天线阵，其特征在于：

所述金属辐射贴片（2）的四个边有相同的凸出矩形（21），凸出矩形（21）以所在边的中线为对称。

7.根据权利要求6所述的双极化MIMO天线阵，其特征在于：

所述金属辐射贴片（2）的四边凸出矩形（21）的长度M为金属辐射贴片（2）的边长W的2/5至4/5，宽度m为（1/2）*（S-W）的1/10至1/5。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的双极化MIMO天线阵，其特征在于：

所述的接地板（4）以中心为坐标原点，在四个象限区域内各有一个通透接地板的十字形槽（41），十字形槽（41）的纵横向槽与接地板（4）的边平行或垂直，且纵向槽与横向槽的长、宽相等，4个十字形槽（41）以接地板（4）中心为对称中心。

9.根据权利要求8所述的双极化MIMO天线阵，其特征在于：

所述十字形槽（41）的纵向或横向的长度D为S的1/5至2/5，槽的外端距离接地板（4）边缘的距离d为D的1/10至1/5，槽的宽度s为D的1/10至1/5。

10.根据权利要求1至3中任一项所述的双极化MIMO天线阵，其特征在于：

所述双极化天线单元的第一层介质板（1）为介电常数ε_r为4.1～4.7的单面覆铜板，金属辐射贴片（2）为第一层介质板（1）刻蚀后剩余的覆铜层；第二层介质板（5）为介电常数ε_r为4.1～4.7的双面覆铜板，微带馈线（3）为第二层介质板（5）表面刻蚀后剩余的覆铜层，接地板（4）为第二层介质板（5）底面的覆铜层。

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