CN205211947U - 一种小型三频四单元mimo天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种小型三频四单元MIMO天线，包括介质基板，所述介质基板正面分别印制四个结构相同的天线辐射单元及四块结构相同的地板，所述四块地板分别与四个天线辐射单元连接，且一一对应，所述四个天线辐射单元之间相互正交，所述天线辐射单元包括第一、第二倒L形枝节、与馈电点连接的馈线、寄生地板延伸枝节和S形短路接地枝节，所述第一倒L形枝节的长边分别与馈线及S形短路接地枝节连接，所述第二倒L形枝节的短边与S形短路接地枝节连接，所述寄生地板延伸枝节及S形短路接地枝节分别与地板连接。本实用新型具有多通带、高隔离度、结构简单、体积小、质量轻、易于制作及便于集成和调节等优点。

Description

一种小型三频四单元MIMO天线

技术领域

本实用新型涉及移动通信技术领域，具体涉及一种小型三频四单元MIMO天线。

背景技术

随着现代无线通信技术的迅速发展，移动通信系统对天线的要求越来越高，设计一种小型三频四单元MIMO天线是近年来研究的热点。多入多出Multiple-input-multiple-output(MIMO)技术，因为能够大幅度地增加信道容量，同时不需要额外的增加频谱范围和输入功率，日益成为天线设计新的重要研究方向。随着移动通信设备小型化的发展，要求天线的体积越来越小，但MIMO天线的体积减小会导致隔离度变差，不同天线端口间的相互干扰增大。为了解决这一矛盾，近些年来，小型化同时具备高隔离度的的MIMO天线逐渐受到重视。考虑到工作在不同通信系统间的工作频段可能互不相同，比如无线局域网系统wirelesslocalareanetwork(WLAN)的2.4GHz-2.484GHz,5.15GHz-5.35GHz,5.725GHz-5.825GHz，全球微波互联接入系统WiMAX(WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess)的3.4GHz-3.69GHz,5.25GHz-5.85GHz，这两大通信系统的工作频段就不完全相同，进而要求天线能够工作在多个不同的频段，即要求天线往多通带方向发展。最常见、最广泛的实行形式是多通带的二单元MIMO。三单元MIMO天线要求两两间隔120°，四单元MIMO天线为保证高隔离度一般是两两正交组阵(工程中广泛应用的正交45°双极化基站天线正是基于此大大缩减了天线体积和架设成本)，但这方面的研究都较少。也就是说，设计小型化多通带的四单元MIMO天线，是天线领域当前重要的研究方向。

多通带MIMO天线的实现方法主要是通过多个不同长度和形状的蜿蜒结构的枝节线来实现。传统的四单元MIMO天线，由于尺寸的限制,往往只能取得一个窄频带的解耦效果。不能在多频甚至宽频的情况下也实现较好的隔离性能。

实用新型内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本实用新型提供一种小型三频四单元MIMO天线。

本实用新型采用传统的微带线馈电方法，首先采用了正交极化解耦结构，其次采用了地板上切角和刻槽的技术来解耦，来实现天线在阻抗匹配所覆盖的多个频带范围内，满足高隔离度的要求。

同时，天线结构紧凑，总面积仅为60×60mm²。并通过合理地设计其中3个长度不同的特殊弯折的枝节来覆盖3个不同的工作频带，其中1个枝节从地板上延伸出来，通过耦合进行馈电，另外2个枝节，直接馈电，并通过另外一个新的枝节接地。天线整体尺寸紧凑，结构简单，加工制造成本低，工程实用性高。

本实用新型采用如下技术方案：

一种小型三频四单元MIMO天线，包括介质基板，所述介质基板正面分别印制四个结构相同的天线辐射单元及四块结构相同的地板，所述四块地板分别与四个天线辐射单元连接，且一一对应，所述四个天线辐射单元之间相互正交，所述天线辐射单元包括第一、第二倒L形枝节、与馈电点连接的馈线、寄生地板延伸枝节和S形短路接地枝节，所述第一倒L形枝节的长边分别与馈线及S形短路接地枝节连接，所述第二倒L形枝节的短边与S形短路接地枝节连接，所述寄生地板延伸枝节及S形短路接地枝节分别与地板连接。

所述地板为带一个圆角的矩形，所述四个地板位于介质基板的四个角，地板的圆角靠近介质基板的中心点。

所述地板内还设有平直矩形地板刻槽及倾斜矩形地板刻槽，所述倾斜矩形地板刻槽位于圆角的中点，所述平直矩形地板刻槽设置在地板边缘与介质基板边缘重合处，所述平直矩形地板刻槽垂直水平面或平行水平面。

所述S形短路接地枝节、第一倒L形枝节以及与馈电点连接的馈线构成倒F形单极子天线的结构。

所述馈电线的末端开口与地板之间留有一矩形空间，馈电线由同轴电缆的内芯馈电，同轴电缆外导体接地。

第一倒L形枝节和S形短路接地枝节构成的枝节长度为2.43GHz频率的四分之一波长。

所述寄生地板延伸枝节由地板延伸出来，与馈线电磁耦合馈电。

所述圆角半径为10毫米。

所述寄生地板延伸枝节为L形，L形的长边与地板连接。

本实用新型的有益效果：

(1)用单一平面的结构完全覆盖了多个通信频段：无线局域网系统wirelesslocalareanetwork(WLAN)的2.4GHz-2.484GHz,5.15GHz-5.35GHz,5.725GHz-5.825GHz，全球微波互联接入系统WiMAX(WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess)的3.4GHz-3.69GHz,5.25GHz-5.85GHz。

(2)整个天线的平面尺寸，包含地板为60mm×60mm，占用的尺寸极其小，而且可用平面印刷工艺和低成本的FR4板材，降低了制造成本。

(3)天线的结构简单，调试方便，工作模式清晰，而且，由于同时采用了多种提高隔离度的技术，比如正交极化去耦，地板切角和地板刻槽去耦，使得这几个通带的隔离度都得到了提高。保证了MIMO天线的端口间能够不互相干扰。

附图说明

图1为本实用新型的平面示意图。

图2为图1的俯视图，单位为毫米(mm)。

图3为图1的仰视图，单位为毫米(mm)。

图4为图1的侧视图，单位为毫米(mm)。

图5为本实施例仿真的回波损耗与频率关系图。

图6为本实施例仿真的端口间隔离度与频率关系图。

图7为本实施例仿真的增益图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

如图1-图4所示，一种小型三频四单元MIMO天线，包括介质基板，所述介质基板正面印制四个结构相同的天线辐射单元，四个天线辐射单元相互正交，所述每个天线辐射单元包括第一、第二倒L形枝节1、2、与馈电点连接的馈线3、寄生地板延伸枝节4和S形短路接地枝节5，所述第一倒L形枝节的长边分别与馈线及S形短路接地枝节连接，所述第二倒L形枝节的短边与S形短路接地枝节连接，所述寄生地板延伸枝节及S形短路接地枝节分别与地板连接。

还包括印制在介质基板正面的四块地板，介质基板为矩形，所述地板位于介质基板的四个角，与天线辐射单元连接，且一一对应。

所述第一、第二倒L形枝节分别与馈线及S形短路接地枝节连接，构成长度较大的枝节线，用于激励多个谐振模式，基本覆盖低频段2.4GHz和高频段5.2/5.5/5.8GHz的频段。

第一倒L形枝节与S形短路接地枝节所构成的枝节总长度约为2.43GHz频率的四分之一波长，用来覆盖WLAN2.4GHz频带；

第二倒L形枝节到S形短路接地枝节的接地位置，所构成的枝节总长度约为3.71GHz频率的二分之一波长，用来覆盖WIMAX3.5GHz频带。

所述与馈电点直接相连的馈线，所述馈线为矩形，其末端开口与地板之间留有一个很小的矩形空间，用来模拟信号输入端的馈电点和接地点，该馈线的末端由同轴电缆直接进行馈电，同轴电缆的外导体接地。

所述寄生地板延伸枝节4为L形，从地板平面垂直延伸出来，并与地板连接，由馈线进行电磁耦合馈电，提供高频5.5GHz的谐振。

所述S形短路接地枝节5分别连接第一、第二倒L形枝节，以及与馈电点直接相连的馈线3，整体构成倒F形单极子天线的结构，具备了结构简单、易匹配且集成性高等优点，这在手机天线的设计中也是广泛采用的。

所述地板为带一个圆角的矩形，所述四个地板位于介质基板的四个角，地板的圆角靠近介质基板的中心点。

所述地板8内还设有平直矩形地板刻槽6及倾斜矩形地板刻槽7，所述倾斜矩形地板刻槽位于圆角的中点，所述平直矩形地板设置在地板边缘与介质基板边缘重合处，所述平直矩形地板垂直水平面或平行水平面。

所述平直矩形地板刻槽6和倾斜矩形地板刻槽7，利用了刻槽技术来改变地板形状，从而延长电流的有效路径，优化隔离度。因为倒F天线的地板同样也参与辐射，因此天线的性能对地板的形状和尺寸比较敏感，地板刻槽才可以用于调节天线的隔离度性能。

所述带一个圆角的地板，利用了切角技术来改变地板形状，从而延长电流的有效路径，优化隔离度。

为了验证本实用新型方案的有效性，下面给出具体实例进行说明。

图2至图4给出了实施实例在俯视、仰视和侧视等不同角度下的尺寸图，各图中所有尺寸的单位均为毫米(mm)。在本实施实例中，选用相对介电常数为4.4、损耗角正切为0.02、厚度为0.8mm的FR4介质基板，基板的平面尺寸为60mm×60mm。单个天线的辐射单元为平面矩形结构，位于相应地板的一侧，占用的平面尺寸为25mm×8mm。信号输入端位于馈线3靠近地板的位置，用50欧姆的同轴线直接馈电。同轴线的内导体与馈线3靠近地板的位置相连，外导体与主地板相连。

本实施例以端口Port1所在的天线单元为例进行介绍，Port2至Port4为其他三个天线辐射单元的端口，介质基板的厚度H＝0.8,介质基板的横向宽度W＝60,第一倒L形枝节的短边宽度Wa1＝1,第一倒L形枝节的长边宽度Wa2＝1.6,馈线末端部分的横向宽度Wa3＝1.6,S形短路接地枝节的宽度Wa4＝1,第二倒L形枝节的短边宽度Wa5＝1,S形短路接地枝节的接地部分的宽度Wa6＝1,寄生地板延伸枝节的短边宽度Wb1＝1,寄生地板延伸枝节的长边宽度Wb2＝1,介质基板的纵向长度L＝60,第一倒L形枝节短边长度La1＝5.1,第一倒L形枝节和馈线总体的横向长度La2＝20,馈线3的末端部分的纵向长度La3＝6.4,第二倒L形枝节的长边的横向长度La4＝8.2,寄生地板延伸枝节的短边长度Lb1＝3，平直矩形地板刻槽的横向长度LC1＝14,第一倒L形枝节与S形短路接地枝节的纵向间距g1＝2,馈线3与S形短路接地枝节5的横向间距g2＝1.6,馈线与寄生地板延伸枝节4的横向间距g3＝2,第二倒L形枝节与S形短路接地枝节的纵向间距g4＝1.2,第二倒L形枝节的起始部分的纵向长度g5＝2.2,S形短路接地枝节的较长部分与地板的间距g6＝3.4,S形短路接地枝节5的右侧边缘与介质板的右侧边缘的横向距离g7＝1.8,平直矩形地板刻槽到地板上边缘的纵向距离g8＝7.5,第二倒L形枝节的起始部分与S形短路接地枝节5的接地部分的横向距离g9＝6.2,寄生地板延伸枝节的末端部分与地板的间距g10＝7,地板上倾斜矩形刻槽的起始位置与地板上边缘的纵向距离g11＝12.25,倾斜矩形地板刻槽的起始位置与地板右侧边缘的横向距离g12＝15.25(倾斜矩形地板刻槽为-135°方向规则的矩形刻槽，关于四分之一圆角的-135°半径所在的直线对称).

本实用新型实现高的端口间隔离度。首先是通过4个天线单元间进行空间布局上形成相互正交的结构，采用了正交极化解耦的方式，同时几乎不会对MIMO天线的回波损耗造成影响。其次是通过在地板上做出一个圆角，一个平直矩形地板刻槽6和一个倾斜矩形地板刻槽7，分别利用了切角和刻槽技术来改变地板形状，从而延长电流的有效路径，优化隔离度。因为倒F天线的地板同样也参与辐射，因此天线的性能对地板的形状和尺寸比较敏感。适当改变地板的形状和尺寸，可以优化端口间隔离度。通过这两项技术可以获得较好的解耦性能，进而使得两个端口间的隔离度降低至-15dB以下，有效的实现了不同端口间的相互干扰最小化。

以上述图2、图3和图4所示尺寸制作的天线仿真的反射系数的结果如图5所示。由图可知，该平面印刷天线在工作频段有2.38GHz-2.60GHz，3.40GHz-3.71GHz和5.09GHz-6.27GHz。完全覆盖了WLAN2.4/5.2/5.8GHz和WiMAX3.5/5.5GHz频率范围内的所有可用频段。

以上述3个图形所示尺寸制作的天线仿真的端口间隔离度的结果如图6所示。在整个WLAN2.4/5.2/5.8GHz和WiMAX3.5/5.5GHz频率范围内频率范围内，端口间的隔离度都低于-15dB，完全满足实际需要。这得益于正交极化解耦的方式和地板切角和刻槽技术的采用所带来的优良解耦性能。

以上述3个图形所示尺寸制作的天线仿真的增益如图7所示。天线增益在在1.46-2.75dBi之间，满足实际需求。

从上述技术方案可见，本实用新型所述的天线在60mm×60mm的平面空间内实现了WLAN2.4/5.2/5.8GHz和WiMAX3.5/5.5GHz的覆盖，而且端口间有高隔离度，满足移动通信系统对用于移动终端天线的设计需求。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种小型三频四单元MIMO天线，其特征在于，包括介质基板，所述介质基板正面分别印制四个结构相同的天线辐射单元及四块结构相同的地板，所述四块地板分别与四个天线辐射单元连接，且一一对应，所述四个天线辐射单元之间相互正交，所述天线辐射单元包括第一、第二倒L形枝节、与馈电点连接的馈线、寄生地板延伸枝节和S形短路接地枝节，所述第一倒L形枝节的长边分别与馈线及S形短路接地枝节连接，所述第二倒L形枝节的短边与S形短路接地枝节连接，所述寄生地板延伸枝节及S形短路接地枝节分别与地板连接。

2.根据权利要求1所述的一种小型三频四单元MIMO天线，其特征在于，所述地板为带一个圆角的矩形，所述四个地板位于介质基板的四个角，地板的圆角靠近介质基板的中心点。

3.根据权利要求1所述的一种小型三频四单元MIMO天线，其特征在于，所述地板内还设有平直矩形地板刻槽及倾斜矩形地板刻槽，所述倾斜矩形地板刻槽位于圆角的中点，所述平直矩形地板刻槽设置在地板边缘与介质基板边缘重合处，所述平直矩形地板刻槽垂直水平面或平行水平面。

4.根据权利要求1所述的一种小型三频四单元MIMO天线，其特征在于，所述S形短路接地枝节、第一倒L形枝节以及与馈电点连接的馈线构成倒F形单极子天线的结构。

5.根据权利要求1所述的一种小型三频四单元MIMO天线，其特征在于，所述馈电线的末端开口与地板之间留有一矩形空间，馈电线由同轴电缆的内芯馈电，同轴电缆外导体接地。

6.根据权利要求1所述的一种小型三频四单元MIMO天线，其特征在于，第一倒L形枝节和S形短路接地枝节构成的枝节长度为2.43GHz频率的四分之一波长。

7.根据权利要求1所述的一种小型三频四单元MIMO天线，其特征在于，所述寄生地板延伸枝节由地板延伸出来，与馈线电磁耦合馈电。

8.根据权利要求2所述的一种小型三频四单元MIMO天线，其特征在于，所述圆角半径为10毫米。

9.根据权利要求1所述的一种小型三频四单元MIMO天线，其特征在于，所述寄生地板延伸枝节为L形，L形的长边与地板连接。