CN205355249U - 一种毫米波mimo天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种毫米波MIMO天线，包括第一辐射单元、第二辐射单元、激励端口、馈电过孔、阻抗匹配结构、阻抗变化器、第一金属过孔、第二金属过孔；第一、二辐射单元印制在基板正面，激励端口由50欧姆的共面波导直接馈电，蚀刻在基板的背面；馈电过孔用于连接馈电部分和辐射单元部分，阻抗匹配结构的底面圆盘蚀刻在基板的背面，其作用相当于一个电容，抵消馈电过孔引入的电感，实现阻抗匹配；阻抗变化器蚀刻在基板的背面，实现辐射单元与馈电部分间的良好匹配；第一金属过孔在馈电处两端形成有两排过孔；第二金属过孔在两个辐射单元周围构成一个反射腔体。本实用新型天线独立可控、结构紧凑、尺寸小、特性好、隔离度高。

Description

一种毫米波MIMO天线

技术领域

本实用新型涉及MIMO天线的技术领域，尤其是指一种小型宽带高隔离度的毫米波MIMO天线。

背景技术

毫米波指的是频率在30GHz-300GHz范围内的电磁波，其对应的波长范围为1mm-10mm。近年来,由于频谱资源拥挤的现状，以及对高速通信需求持续增长,毫米波领域已经成为国际电磁波频谱资源研究、开发和利用的一个极其活跃的领域。毫米波频段拥有着大量连续的频谱资源，为超高速宽带无线通信的实现提供了可能。

2010年，东南大学毫米波国家重点实验室提出发展我国毫米波近远程通信标准Q-LINKPAN(这里Q表示在40～50GHz的Q-波段，LINKPAN表示既可以支持短距高速覆盖(PAN)，也可支持远距高速传输(LINK))，并于同年开展研究。2012年9月IEEE802.11aj任务组(TG)正式成立。该标准主要由中国的企业和研究机构推动.包括59～64GHz和43.5～47GHz两个频段，其中IEEE802.1laj(45GHz)主要基于近程标准Q—LINKPAN—S。2013年12月，工信部分别发布40～50GHz频段固定业务中点对点无线接入系统和移动业务中宽带无线接入系统频率使用事宜的通知。短距离高速率通信(PAN)分配了5.9GHz(42.3GHz-47GHz，47.2GHz-48.4GHz)，频段中的移动业务规划用于宽带无线接入系统，而远距离高速率通信(LINK)分配了3.6GHz(40.5GHz-42.3GHz，48.4GHz-50.2GHz)，频段中的固定业务规划用于点对点无线接入系统。这些表明了我国的毫米波通信技术将会在Q-波段展开。

Q—LINKPAN或IEEE802.1laj(45GHz)的物理层传输拟采用多输入多输出MIMO技术(即多输入多输出技术)。该技术能在有限的频谱资源条件下，有效地提高无线通信系统的容量和可靠性，也因此被广泛地应用到许多无线通信系统中。毫米波频段在移动通信系统中的使用，将允许基站上装载成百上千的天线，并能同时工作，因此这一关键技术也被称为“MassiveMIMO”。我国毫米波通信技术的发展，既给毫米波天线设计提供机遇，同时也带来挑战。同时，随着移动智能终端的高速发展，应用于手机终端的毫米波天线的设计也将成为未来研究的热点和难点。

毫米波天线以及MIMO天线去耦合的研究和实用新型已经取得了一定的成果。随着毫米波无线通行的快速发展，许多研究的重点放在如何实现毫米波天线的宽带化上。在不少毫米波天线研究和实用新型设计中，SIW(基片集成波导)、多层PCB(印刷电路板)、LTCC(低温炭烧陶瓷)等技术被提及和使用。由于60GHz频段的免费开放，相当一部分实用新型的天线设计主要是应用于该频段，而应用在Q-波段的毫米波天线的实用新型，则相对少很多。在MIMO天线方面，小型化，宽带化天线的研究与设计也已经受到了重视。许多相关实用新型己提出多种用于提高小型MIMO天线单元间的隔离度的方法。而应用在Q-波段的小型MIMO天线设计的实用新型非常少。

2012年，KeGong等人在IEEETransactionsonAntennasandPropagation发表题为“SubstrateIntegratedWaveguideCavity-BackedWideSlotAntennafor60-GHzBands”的文章，通过在IW(基片集成波导)上加载宽缝隙从而实现天线的宽带化，可用单层PCB板加工而成。

AmerHagras等人于2012年在IEEEAntennasandPropagationSocietyInternationalSymposium发表题为“Low-mutualcouplingantennaarrayformillimeter-waveMIMOapplications”的文章，该天线工作在60GHz频段，采用介质谐振天线作为单元天线，蚀刻在地板上的槽缝用于“截断”表面电流，而两天线之间的金属带在天线工作时相当于一个谐振元件，这两个措施可以减小天线单元之间的互耦。

2013年，T.Zhang等人在2013ProceedingsoftheInternationalSymposiumonAntennas&Propagation发表题为“AQ-Banddual-modecavity-backedwidebandpatchantennawithindependentlycontrollableresonances”的文章，除了贴片天线本身的谐振频率外，馈电过孔和圆盘放置在贴片天线与馈电结构之间，使得在高频处达到良好的阻抗匹配，出现了双谐振的特性。当两个谐振频率点靠近时，阻抗带宽将增加。

在现有的毫米波天线设计中，主要考虑如何增大阻抗带宽问题，以及考虑性能独立可控问题，少有考虑对天线进行MIMO的设计并研究如何减小天线单元间的互耦问题，而本实用新型采用一种的隔离结构来减小不同天线辐射单元间的互耦，还能同时增加天线的峰值增益。在阻抗匹配方面，还引入特殊的天线结构引入多个谐振模式，进而改善阻抗匹配，来达到宽阻抗带宽的目的。实现了二单元及四单元MIMO天线阵的宽带宽、隔离度高、尺寸小、可进行独立可控等特性。

发明内容

本实用新型的目的在于现有技术的不足与缺点，提出一种小型宽带高隔离度的毫米波MIMO天线，该天线独立可控、结构紧凑、尺寸小、特性好，同时实现了低互耦、宽带宽、小尺寸等问题，具有可控性能的移动终端MIMO天线系统的设计要求，更适合集成到移动终端设备系统上。

为实现上述目的，本实用新型所提供的技术方案为：一种毫米波MIMO天线，包括有两个不同的辐射单元，分别为第一辐射单元和第二辐射单元，以及激励端口、馈电过孔、底面圆盘的阻抗匹配结构、阻抗变化器、第一金属过孔、第二金属过孔；所述第一辐射单元和第二辐射单元印制在基板的正面，该第一辐射单元为矩形贴片单元，该第二辐射单元为U形贴片单元，该矩形贴片单元置于U形贴片单元的U形口中；所述激励端口由50欧姆的共面波导直接馈电，蚀刻在基板的背面；所述馈电过孔用于连接馈电部分和辐射单元部分，位于U形贴片单元中；所述阻抗匹配结构的底面圆盘蚀刻在基板的背面，其作用相当于一个电容，能够抵消馈电过孔引入的电感，实现阻抗匹配；所述阻抗变化器蚀刻在基板的背面，使得特性阻抗由75欧姆变为50欧姆，以实现辐射单元与馈电部分间的阻抗匹配；所述第一金属过孔在馈电处两端形成有两排过孔，用于抑制馈电处表面波的产生；所述第二金属过孔在两个辐射单元周围构成一个反射腔体，用于提高天线的峰值增益。

所述反射腔体为介质集成波导方形腔，两个辐射单元置于该介质集成波导方形腔的中间位置。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、与已有的MIMO天线阵比较，本实用新型引入两片不同的微带贴片辐射单元，有效地增加了阻抗带宽，并实现了谐振点的独立可控。适当地调整贴片单元的尺寸以及馈电过孔和圆盘结构的尺寸，就可以得到很好的阻抗带宽，而隔离度受到的影响很小。也就是说，本设计可以独立地调整阻抗带宽。

2、与已有的MIMO天线阵比较，本实用新型引入了介质集成波导(SIW)腔结构，这种结构在天线之间构成一个反射腔体，可提高天线的峰值增益。除此之外，由于形成了一个较为封闭的结构，还可以减小两个天线单元结构之间的互耦，使得在MIMO天线阵中单元天线的阻抗带宽维持原有天线的特性，同时减小单元之间的耦合度。该结构使得天线单元之间无需在而外加入其他去耦的结构，便可以达到很高的隔离度。

3、与已有的毫米波MIMO天线阵比较，本实用新型具有更宽的阻抗带宽，更好的隔离度，更小的尺寸，适用于各种多功能小型手持设备系统中。

附图说明

图1为应用于Q-波段的毫米波MIMO天线的正面示意图。

图2为应用于Q-波段的毫米波MIMO天线的反面示意图。

图3为应用于Q-波段的毫米波MIMO天线的S11仿真结果图。

图4为二单元毫米波MIMO天线阵的正面示意图。

图5为二单元毫米波MIMO天线阵的S参数仿真结果图。

图6为线性四单元毫米波MIMO天线阵的正面示意图。

图7为线性四单元毫米波MIMO天线阵的S参数仿真结果图。

图8为二维四单元毫米波MIMO天线阵的正面示意图。

图9为二维四单元毫米波MIMO天线阵的S参数仿真结果图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1和图2所示，本实施例所述的毫米波MIMO天线，使用的介质基板材料为Rogers5880，厚度为0.508mm，包括有两个不同的辐射单元，分别为第一辐射单元1和第二辐射单元2，以及激励端口9、馈电过孔3、底面圆盘的阻抗匹配结构6、阻抗变化器8、第一金属过孔4、第二金属过孔10；所述第一辐射单元1和第二辐射单元2印制在基板的正面，该第一辐射单元1为矩形贴片单元，该第二辐射单元2为U形贴片单元，该矩形贴片单元置于U形贴片单元的U形口中；所述激励端口9由50欧姆的共面波导直接馈电，蚀刻在基板的背面；所述馈电过孔3用于连接馈电部分和辐射单元部分，位于U形贴片单元中；所述阻抗匹配结构6的底面圆盘5蚀刻在基板的背面，其作用相当于一个电容，可抵消馈电过孔3引入的电感，实现阻抗匹配；所述阻抗变化器8蚀刻在基板的背面，可使得特性阻抗由75欧姆(图中的结构7)变为50欧姆(图中的结构9)，以实现辐射单元与馈电部分间的良好匹配；所述第一金属过孔4在馈电处两端形成有两排过孔，用于抑制馈电处表面波的产生；所述第二金属过孔10在两个辐射单元周围构成一个反射腔体，可提高天线的峰值增益，该反射腔体为介质集成波导(SIW)方形腔，两个辐射单元置于该介质集成波导方形腔的中间位置，通过贴片发挥的作用，可以使得天线的阻抗带宽非常宽，相对带宽达到24.4％，能有效覆盖了40.5GHz到50.2GHz整个Q-波段。

如图3所示，图中的第一个谐振点31主要由第一辐射单元1控制，调节第一辐射单元1的尺寸，就可以移动谐振点31；第二个谐振点32由底面圆盘的阻抗匹配结构6和馈电过孔3产生，其中调节馈电过孔3以及圆盘5的尺寸，就可以移动谐振点32；第三个谐振点33主要由第二辐射单元2控制，调节第二辐射单元2的尺寸，可以移动谐振点33。

除此之外，由于上述的介质集成波导方形腔形成了一个较为封闭的结构，过孔的大小以及过孔之间的距离，能抑制腔内能量的泄露，从而使得两个天线单元之间相互独立，因此还可以减小两个天线单元结构之间的互耦，使得MIMO天线阵中天线单元的阻抗带宽(S11)与图3的接近，同时减小天线单元之间的耦合度(S21，S31，S41)。因此，该介质集成波导方形腔使得天线单元之间无需在而外加入其他去耦的结构，但达到很高的隔离度。

在有限的空间中集成的天线数目越多，要得到高的隔离度就会越困难。而在已有的MIMO天线阵设计，主要致力于如何减小天线单元间的互耦问题，所以会在天线之间加入去耦的结构、但这样也无形中使得天线阵的尺寸增大了。同时，Q-波段从40.5GHz到50.2GHz,跨度为9.7GHz，还需考虑到如何增大或者保留天线阵元原有的阻抗带宽，使其能覆盖整个Q-波段。

通过以上分析可以知道，本实用新型既包含了增加带宽，改善阻抗匹配，提高隔离度的结构，还具有独立可调的性能。下面我们将图1和图2所示的毫米波MIMO天线应用于二单元及四单元的MIMO天线阵中进行具体说明。

图4为二单元毫米波MIMO天线阵的正面图，图6为线性四单元毫米波MIMO天线阵的正面图，图8为二维四单元毫米波MIMO天线阵的正面图。从图1和图2提供的毫米波MIMO天线可知，图4提供的二单元毫米波MIMO天线阵包含了两个天线单元以及两个激励端口9，激励端口9在介质基板的两端，两个SIW腔之间紧挨着，没有外加更多的去耦结构，此时S₂₁在整个工作频段内都小于-15dB，如图5所示。图6提供的线性四单元毫米波MIMO天线阵包含了四个天线单元以及四个激励端口9，类比于二单元的MIMO天线阵，相邻的激励端口9在介质基板的两端，相邻SIW腔之间共用腔体的一面，没有外加更多的去耦结构，此时S₂₁，S₃₁，S₄₁在整个工作频段内都小于-15dB，如图7所示。图8提供的二维四单元毫米波MIMO天线阵包含了四个天线单元以及四个激励端口9，激励端口9在介质基板的各个边上，相邻SIW腔之间共用腔体的一面，没有外加更多的去耦结构，此时S₂₁，S₃₁，S₄₁在整个工作频段内也都小于-15dB，如图9所示。

以上所述之实施例子只为本实用新型之较佳实施例，并非以此限制本实用新型的实施范围，故凡依本实用新型之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本实用新型的保护范围内。

Claims (2)

1.一种毫米波MIMO天线，其特征在于：包括有两个不同的辐射单元，分别为第一辐射单元和第二辐射单元，以及激励端口、馈电过孔、底面圆盘的阻抗匹配结构、阻抗变化器、第一金属过孔、第二金属过孔；所述第一辐射单元和第二辐射单元印制在基板的正面，该第一辐射单元为矩形贴片单元，该第二辐射单元为U形贴片单元，该矩形贴片单元置于U形贴片单元的U形口中；所述激励端口由50欧姆的共面波导直接馈电，蚀刻在基板的背面；所述馈电过孔用于连接馈电部分和辐射单元部分，位于U形贴片单元中；所述阻抗匹配结构的底面圆盘蚀刻在基板的背面，其作用相当于一个电容，能够抵消馈电过孔引入的电感，实现阻抗匹配；所述阻抗变化器蚀刻在基板的背面，使得特性阻抗由75欧姆变为50欧姆，以实现辐射单元与馈电部分间的阻抗匹配；所述第一金属过孔在馈电处两端形成有两排过孔，用于抑制馈电处表面波的产生；所述第二金属过孔在两个辐射单元周围构成一个反射腔体，用于提高天线的峰值增益。

2.根据权利要求1所述的一种毫米波MIMO天线，其特征在于：所述反射腔体为介质集成波导方形腔，两个辐射单元置于该介质集成波导方形腔的中间位置。