CN208078167U - 一种紧凑型三频带mimo天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种紧凑型三频带MIMO天线，包括矩形介质基板、第一辐射单元、第二辐射单元、第一微带馈线、第二微带馈线、第一中和线、第二中和线及矩形接地面，所述矩形接地面印刷在矩形介质基板的背面，矩形接地面的三侧边缘与矩形介质基板背面的三侧边缘部分重合，余下的一侧边缘位于矩形介质基板背面的中部；所述第一辐射单元、第二辐射单元、第一微带馈线、第二微带馈线、第一中和线、第二中和线均印制在介质基板的正面上，第一辐射单元、第二辐射单元为镜像对称结构。该天线体积小、结构简单、易集成、成本低，能够有效地提高辐射单元在2.3GHz、3.5GHz、5.5GHz三个频段上的隔离度。
Description
技术领域
本实用新型涉及无线通信技术领域，具体是一种紧凑型三频带MIMO天线。
背景技术
随着无线通信技术的高速发展，人们对无线通信服务的质量和业务要求越来越高，这也就要求移动通信能够提供更高速率、更多工作频段，进而要求天线具有高容量、多频工作特性。相比于原有的天线系统中的单输入单输出 Single-Input Single-Output(SISO)技术，多输入多输出Multiple-Input Multiple-Output(MIMO)技术由于其具有提高系统容量及分集增益等众多突出的优点，已成为当今无线通信系统中研究的热点课题之一。其在第四代无线通信的发展中，特别是在长期演进Long Term Evolution(LTE)和全球微波接入互操作性Worldwide Interoperability for Microwave Access(WiMAX)方面一直备受关注。然而，移动终端朝着小型化、多功能方向发展，在空间受限的移动终端中嵌入多根天线会产生强烈耦合，造成天线带宽、辐射方向图等性能恶化，进而影响整个MIMO系统的性能。
为了提高天线阵元各个端口间的隔离度，去耦网络、缺陷地结构、中和线结构及电磁带隙结构等去耦技术逐渐应运而生。去耦网络需要引入两条特征阻抗与MIMO天线单元的输入阻抗相等的传输线及集总元件，但是这种隔离度的提高是以牺牲天线的阻抗匹配为代价换来的，为此需要加入阻抗匹配网络。这不仅会增加天线设计、加工的难度及天线的制作成本，而且还会给天线系统带来额外的损耗，不适合应用到多频或者宽带MIMO天线中；公开号为 CN206850019U的专利公开了一种减小耦合的DGS结构微带天线，该天线采用五个相同的DGS单元级联作为去耦结构，实现了一种单频段小型化的MIMO天线；在论文《Anovel EBG-based MIMO antenna with enhanced isolation for WLAN application》中，提出了一款应用于WLAN的双频段高隔离度的EBG去耦结构， EBG单元由一个E形及内嵌两个矩形结构组合而成，并将其进行2×10的阵列形成去耦结构，在2.4GHz-3GHz及4.6GHz-5.53GHz宽带范围内获得了大于20dB 的隔离度，但是设计相对复杂，占用面积大。目前大多数研究集中在减少单频段天线单元间的相互耦合，对于多个频段的去耦结构设计还很少，如何保证在移动通信设备的小型化基础上，降低多个频段间的耦合度是当前急需解决的问题。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供了一种能够在多个频段内保证低耦合性能的二单元MIMO天线，同时满足了移动设备小型化、多功能的要求，并且天线增益较高。采用多个长度及宽度不同的蜿蜒线作为辐射单元，并将其进行镜像对称放置，去耦结构为两条宽度及长度不同的中和线，能够有效地减少两个端口间的信号干扰。
本实用新型采用如下技术方案：一种紧凑型三频带MIMO天线，其特征在于，包括矩形介质基板(1)、第一辐射单元、第二辐射单元、第一微带馈线(6)、第二微带馈线(7)、第一中和线(8)、第二中和线(9)及矩形接地面(10)，所述矩形接地面(10)印刷在矩形介质基板(1)的背面，矩形接地面(10)的三侧边缘与矩形介质基板(1)背面的三侧边缘部分重合，余下的一侧边缘位于矩形介质基板(1)背面的中部；所述第一辐射单元、第二辐射单元、第一微带馈线(6)、第二微带馈线(7)、第一中和线(8)、第二中和线(9)均印制在介质基板的正面上，第一辐射单元、第二辐射单元为镜像对称结构，分别印制在矩形介质基板(1)正面的左、右两侧。
第一辐射单元包含第一“己”型分支(2)和第一“弓”型分支(3)，第一“己”型分支(2)的底部右侧与第一“弓”型分支(3)的底部左侧通过一横向单元相连接；第二辐射单元包含第二翻转“己”型分支(4)和第二翻转“弓”型分支(5)，第二翻转“己”型分支(4)的底部左侧与第二翻转“弓”型分支(5)的底部右侧通过一横向单元相连接。
第一“己”型分支(2)、第二翻转“己”型分支(4)的顶部均与矩形介质基板(1)的顶部重合，第一“己”型分支(2)的左侧与矩形介质基板(1)的左边缘重合，第二翻转“己”型分支(4)的右侧与矩形介质基板(1)的右边缘重合；第二中和线(9)的两端分别与第一“弓”型分支(3)的左侧中间段、第二翻转“弓”型分支(5)的右侧中间段连接；第一微带馈线(6)的一端与第一辐射单元的横向单元连接，第二微带馈线(7)的一端与第二辐射单元的横向单元连接，第一微带馈线(6)、第二微带馈线(7)的另一端分别与矩形介质基板(1)的左边缘、右边缘重合，第一中和线(8)的两端分别与第一微带馈线(6)、第二微带馈线(7)的中段相连。
第一辐射单元、第二辐射单元、第一微带馈线(6)、第二微带馈线(7)、第一中和线(8)、第二中和线(9)均以矩形介质基板(1)的纵向中心线为镜像线呈对称放置。
所述第二微带馈线(7)为“L”型，其上端与第二辐射单元的横向单元连接，其右侧与矩形介质基板(1)的右边缘重合；所述第一微带馈线(6)为翻转“L”型，其上端与第一辐射单元的横向单元连接，其左侧与矩形介质基板(1) 的左边缘重合。
所述第一中和线(8)为三段直线组成的近似“U”型的结构，第二中和线 (9)为5段构成的方框型、底部中段开口的结构，其底部中段开口处左、右两侧分别与第一“弓”型分支(3)的中段、第二翻转“弓”型分支(5)的中段连接，其顶部与矩形介质基板(1)的上边缘处重合。
与现有技术相比，本实用新型天线具有的突出优势是：本实用新型通过两个辐射单元的左右两个分支，可以使天线工作在2.3GHz/3.5GHz/5.5GH三个频段，满足移动设备多功能发展趋势的要求；采用微带馈线进行馈电，易于集成，且两天线单元间距仅为4mm，满足移动设备小型化发展趋势的要求；利用天线背对背布局结构，减小了低频段的隔离度。通过引入两个中和线，两个端口间的隔离性能得到了显著改善。通过改变中和线的长度及宽度，可以调节耦合度的大小及去耦频段；本实用新型二单元MIMO天线的辐射增益较高；天线结构简单，体积小，成本低。
附图说明
图1是本实用新型紧凑型三频带MIMO天线一种实施例的正面结构示意图。
图2是本实用新型紧凑型三频带MIMO天线一种实施例的背面结构示意图。
图3是本实用新型实施例1的紧凑型三频带MIMO天线加入去耦结构后S 曲线图。
图4是本实用新型实施例1的紧凑型三频带MIMO天线加入去耦结构前后 S21曲线图
图5是本实用新型实施例1的紧凑型三频带MIMO天线的包络相关系数曲线图。
图6是本实用新型实施例1的紧凑型三频带MIMO天线在2.3GHz的辐射方向图。
图7是本实用新型实施例1的紧凑型三频带MIMO天线在3.5GHz的辐射方向图。
图8是本实用新型实施例1的紧凑型三频带MIMO天线在5.5GHz的辐射方向图。
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的详细说明。
本实用新型提供的一种紧凑型三频带MIMO天线(简称MIMO天线，参见图1-2)，包括矩形介质基板(1)、第一辐射单元、第二辐射单元、第一微带馈线(6)、第二微带馈线(7)、第一中和线(8)、第二中和线(9)及矩形接地面 (10)，所述矩形接地面(10)印刷在矩形介质基板(1)的背面，矩形接地面(10)的三侧边缘与矩形介质基板(1)背面的三侧边缘部分重合，余下的一侧边缘位于矩形介质基板(1)背面的中部。所述第一辐射单元、第二辐射单元、第一微带馈线(6)、第二微带馈线(7)、第一中和线(8)、第二中和线(9)均印制在介质基板的正面上，第一辐射单元、第二辐射单元为镜像对称结构，分别印制在矩形介质基板(1)正面的左、右两侧。
第一辐射单元包含第一“己”型分支(2)和第一“弓”型分支(3)，第一“己”型分支(2)的底部右侧与第一“弓”型分支(3)的底部左侧通过一横向单元相连接。第二辐射单元包含第二翻转“己”型分支(4)和第二翻转“弓”型分支(5)，第二翻转“己”型分支(4)的底部左侧与第二翻转“弓”型分支 (5)的底部右侧通过一横向单元相连接。
第一“己”型分支(2)、第二翻转“己”型分支(4)的顶部均与矩形介质基板(1)的顶部重合，第一“己”型分支(2)的左侧与矩形介质基板(1)的左边缘重合，第二翻转“己”型分支(4)的右侧与矩形介质基板(1)的右边缘重合。第二中和线(9)的两端分别与第一“弓”型分支(3)的左侧中间段、第二翻转“弓”型分支(5)的右侧中间段连接。第一微带馈线(6)的一端与第一辐射单元的横向单元连接，第二微带馈线(7)的一端与第二辐射单元的横向单元连接，第一微带馈线(6)、第二微带馈线(7)的另一端分别与矩形介质基板(1)的左边缘、右边缘重合，第一中和线(8)的两端分别与第一微带馈线(6)、第二微带馈线(7)的中段相连。
第一辐射单元、第二辐射单元、第一微带馈线(6)、第二微带馈线(7)、第一中和线(8)、第二中和线(9)均以矩形介质基板(1)的纵向中心线为镜像线呈对称放置。
所述第二微带馈线(7)为“L”型，其上端与第二辐射单元的横向单元连接，其右侧与矩形介质基板(1)的右边缘重合；所述第一微带馈线(6)为翻转“L”型，其上端与第一辐射单元的横向单元连接，其左侧与矩形介质基板(1) 的左边缘重合。
所述第一中和线(8)为三段直线组成的近似“U”型的结构，第二中和线 (9)为5段构成的方框型、底部中段开口的结构，其底部中段开口处左、右两侧分别与第一“弓”型分支(3)的中段、第二翻转“弓”型分支(5)的中段连接，其顶部与矩形介质基板(1)的上边缘处重合。
上述紧凑型三频带MIMO天线，所述第一中和线(8)的纵向两段直线的宽度及长度均相等，横向直线与纵向直线的长度不等、宽度相等，第二中和线(9) 的底部的横向细线宽度和长度均相等，中部的两个纵向细线宽度和长度均相等，顶部的横向细线的宽度短于中部及底部细线的宽度。
上述紧凑型三频带一微带馈线(6)与第二微带馈线(7)形状完全相同，以矩形介质板(1)的纵向中心线为镜像对称放置。“L”型微带馈线的横臂长度大于竖臂长度，两者宽度相等，位于辐射单元的下方。
实施例1
本实施例紧凑型三频带MIMO天线包括矩形介质基板(1)、第一辐射单元、第二辐射单元、第一微带馈线(6)、第二微带馈线(7)、第一中和线(8)、第二中和线(9)及矩形接地面(10)，所述矩形接地面(10)印刷在矩形介质基板(1)的背面，矩形接地面(10)的三侧边缘与矩形介质基板(1)背面的三侧边缘部分重合，余下的一侧边缘位于矩形介质基板(1)背面的中部。所述第一辐射单元、第二辐射单元、第一微带馈线(6)、第二微带馈线(7)、第一中和线(8)、第二中和线(9)均印制在介质基板的正面上，第一辐射单元、第二辐射单元为镜像对称结构，分别印制在矩形介质基板(1)正面的左、右两侧。
本实施例中矩形介质基板(1)选用的介质材料为介电常数是4.4的聚四氟乙烯(FR4)，矩形介质基板(1)的宽度为W，长度为L，厚度为0.8mm，即为 49.6mm×48mm×0.8mm。
所述第一微带馈线(6)和第二微带馈线(7)结构完全相同，以矩形介质基板(1)的纵向中心线为镜像线呈对称放置，分别由翻转的“L”型和“L”型组成，横臂长度为Lf1，竖臂长度为Lf2，调节微带馈线的长度可以改变天线的匹配程度，具体尺寸为12.7mm×1.5mm和7.6mm×1.5mm，本实例将输入阻抗设为50欧。
所述第一辐射单元与第二辐射单元结构完全相同，呈背对背方式放置，通过合理的天线布局结构设计，减小了低频段的耦合效应，且均为蜿蜒平面微带金属贴片，减小了辐射单元的整体占有面积，使得结构更紧凑。第一辐射单元包含第一“己”型分支(2)和第一“弓”型分支(3)，第一“己”型分支(2) 的底部右侧与第一“弓”型分支(3)的底部左侧通过一横向单元相连接。第二辐射单元包含第二翻转“己”型分支(4)和第二翻转“弓”型分支(5)，第二翻转“己”型分支(4)的底部左侧与第二翻转“弓”型分支(5)的底部右侧通过一横向单元相连接。具体尺寸如图1所示，其中L1＝7.6mm，L2＝5.3mm， L3＝7.2mm，L4＝5.4mm，L5＝4.8mm，W1＝12.7mm，W2＝7.8mm，W3＝2，W4＝1.3mm， W5＝1.7mm,W6＝1.3mm；第一辐射单元“己”型分支(2)的长度大于“弓”型分支(3)的长度，“己”型分支(2)决定低频谐振频率2.3GHz，“弓”型分支 (3)中的L4和横向单元W2共同决定中频谐振频率3.5GHz，“弓”型分支(3) 决定高频谐振频率5.5GHz。天线单元间的距离S较近仅为4mm，相当于0.03λ0 (中心频率点为2.3GHz)，有利于天线的小型化。
所述第一辐射单元、第二辐射单元、第一微带馈线(6)、第二微带馈线(7)、第一中和线(8)、第二中和线(9)均印制在介质基板的正表面。
所述矩形接地面(10)印刷在矩形介质基板(1)的背面，矩形接地面(10) 的三侧边缘与矩形介质基板(1)背面的三侧边缘部分重合，余下的一侧边缘位于矩形介质基板(1)背面的中部。矩形接地面(10)的长度是W，宽度是Lg，没有对接地板进行任何修改，在实际应用中可以将其用作无线横向通信的电路接地板，有利于天线的小型化。
所述中和线结构以矩形介质基板(1)的纵向中心线为镜像线呈对称放置，去耦结构第一中和线(8)为三段直线宽度均是0.15mm组成的近似“U”型的结构，第一中和线(8)的两端分别与第一微带馈线(6)、第二微带馈线(7) 的中段相连，如图1所示，其中Ln1＝17.3mm，Ln2＝24mm，总长度约为5.5GHz 所对应的波长，相当于一个波长谐振器，将耦合至第二辐射单元的高频频段电流通过第一中和线(8)与第一辐射单元中的电流进行抵消。去耦结构第二中和线(9)为5段宽度不同的底部中段呈开口状的方框型构成，其中底部及中部的细线宽度为0.8mm，顶部的细线宽度为0.3mm；第二中和线(9)其底部中段开口处左、右两侧分别与第一“弓”型分支3的中段、第二翻转“弓”型分支5 的中段连接，其顶部与矩形介质基板(1)的上边缘处重合，如图1所示，其中Ln3＝8.1mm，Ln4＝20.2mm，Ln5＝3mm，总长度约为3.5GHz所对应的波长的二分之一，中和由于近场耦合到达第二辐射单元的电流。相比于传统的直线型中和线结构，“U”型和方框型中和线占据的面积要小很多，并且两个中和线分别控制两个频率的隔离，增加了天线设计的自由度，使得设计更简便快捷，并且在两个频段中均达到了去耦低于-15dB的隔离效果。
图3为本实施例天线加入去耦结构前后隔离度参数S21的仿真曲线图，从图 3中可以清晰的看出未加入中和线结构时，天线在2.24-2.45GHz，3.3-4GHz以及5.6-5.75GHz频段内的S21在-10dB以上，加入去耦结构后天线的隔离度参数 S21在上述频带内出现谐振频率且均小于-15dB，这使得二元阵天线能够有效地减小中心频率为2.3GHz、3.5GHz以及5.5GHz频段两个端口信号的相互干扰，并且限定在允许范围内，满足实际应用的要求。
图4为本实施例天线加入去耦结构后的S仿真曲线图，从图中可以看出在上述隔离度S21均小于-15dB频段范围内，天线的回波损耗参数S11均小于-10dB，使得二阵列天线能够工作在中心频率为2.3GHz、3.5GHz以及5.5GHz频段，满足工程要求。
图5是本实用新型实施例1的紧凑型三频带MIMO天线的包络相关系数仿真曲线图，从图中可以看出ECC在整个工作频带内都小于0.01，这说明该去耦结构极大的减少了模式的相关性。该天线具有良好的分集性能。
图6、图7和图8分别是本实施例天线在频率2.3GHz、3.5GHz和5.5GHz 时对应的增益方向图，图中E代表天线的电场辐射方向，H代表天线的磁场辐射方向。从图中可以看出本实施例的辐射方向图类似于单极子的辐射机理，具有良好的辐射特性，在上述三个频率时，该天线均表现出较好的全向性，并且在三个频点的增益较高，具有优良的辐射特性。
本实用新型天线具有体积小，结构简单，没有对接地面做任何修改，使其可以充当移动终端的电路板使用，有利于小型化设计；其可以同时工作在三个频带(在2.24-2.45GHz，3.3-4GHz以及5.6-5.75GHz频段)内，适应移动设备多功能的发展趋势，并且两个端口的信号干扰处于限定范围内，分集性能较好，具有优良的全向辐射特性。
上述实例为本实用新型较佳的实施方式，另外在本实施例的基础上，改变中和线、辐射单元、微带馈线的大小及位置，都应包含在本申请的保护范围内。
本实用新型未述及之处适用于现有技术。
Claims (4)
1.一种紧凑型三频带MIMO天线，其特征在于，包括矩形介质基板(1)、第一辐射单元、第二辐射单元、第一微带馈线(6)、第二微带馈线(7)、第一中和线(8)、第二中和线(9)及矩形接地面(10)，所述矩形接地面(10)印刷在矩形介质基板(1)的背面，矩形接地面(10)的三侧边缘与矩形介质基板(1)背面的三侧边缘部分重合，余下的一侧边缘位于矩形介质基板(1)背面的中部；所述第一辐射单元、第二辐射单元、第一微带馈线(6)、第二微带馈线(7)、第一中和线(8)、第二中和线(9)均印制在介质基板的正面上，第一辐射单元、第二辐射单元为镜像对称结构，分别印制在矩形介质基板(1)正面的左、右两侧；
第一辐射单元包含第一“己”型分支(2)和第一“弓”型分支(3)，第一“己”型分支(2)的底部右侧与第一“弓”型分支(3)的底部左侧通过一横向单元相连接；第二辐射单元包含第二翻转“己”型分支(4)和第二翻转“弓”型分支(5)，第二翻转“己”型分支(4)的底部左侧与第二翻转“弓”型分支(5)的底部右侧通过一横向单元相连接；
第一“己”型分支(2)、第二翻转“己”型分支(4)的顶部均与矩形介质基板(1)的顶部重合，第一“己”型分支(2)的左侧与矩形介质基板(1)的左边缘重合，第二翻转“己”型分支(4)的右侧与矩形介质基板(1)的右边缘重合；第二中和线(9)的两端分别与第一“弓”型分支(3)的左侧中间段、第二翻转“弓”型分支(5)的右侧中间段连接；第一微带馈线(6)的一端与第一辐射单元的横向单元连接，第二微带馈线(7)的一端与第二辐射单元的横向单元连接，第一微带馈线(6)、第二微带馈线(7)的另一端分别与矩形介质基板(1)的左边缘、右边缘重合，第一中和线(8)的两端分别与第一微带馈线(6)、第二微带馈线(7)的中段相连；
第一辐射单元、第二辐射单元、第一微带馈线(6)、第二微带馈线(7)、第一中和线(8)、第二中和线(9)均以矩形介质基板(1)的纵向中心线为镜像线呈对称放置；
所述第二微带馈线(7)为“L”型，其上端与第二辐射单元的横向单元连接，其右侧与矩形介质基板(1)的右边缘重合；所述第一微带馈线(6)为翻转“L”型，其上端与第一辐射单元的横向单元连接，其左侧与矩形介质基板(1)的左边缘重合；
所述第一中和线(8)为三段直线组成的近似“U”型的结构，第二中和线(9)为5段构成的方框型、底部中段开口的结构，其底部中段开口处左、右两侧分别与第一“弓”型分支(3)的中段、第二翻转“弓”型分支(5)的中段连接，其顶部与矩形介质基板(1)的上边缘处重合。
2.根据权利要求1所述的一种紧凑型三频带MIMO天线，其特征在于，第一中和线(8)的近似“U”型的结构的纵向两段直线的宽度及长度均相等，横向直线与纵向直线的长度不等、宽度相等。
3.根据权利要求1所述的一种紧凑型三频带MIMO天线，其特征在于，第二中和线(9)的底部的横向细线宽度和长度均相等，中部的两个纵向细线宽度和长度均相等，顶部的横向细线的宽度短于中部及底部细线的宽度。
4.根据权利要求1所述的一种紧凑型三频带MIMO天线，其特征在于，矩形介质基板(1)，介质材料为介电常数是4.4的聚四氟乙烯。
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| CN201820165287.7U CN208078167U (zh) | 2018-01-31 | 2018-01-31 | 一种紧凑型三频带mimo天线 |
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