CN211320342U - 高隔离的宽带mimo天线系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了高隔离的宽带MIMO天线系统，包括天线单元，所述天线单元包括：第一辐射单元具有第一辐射带和第二辐射带，所述第一辐射带和第二辐射带分别设于所述小基板的正面和反面并连接，所述第一辐射带与所述系统基板顶面上的金属馈线连接；第二辐射单元具有第三辐射带，所述第三辐射带与所述第二辐射带连接；第三辐射单元具有第四辐射带，所述第四辐射带与系统基板背面的介质地连接；所述第二辐射单元、第三辐射单元和第四辐射单元两两不相交。所述第一辐射单元、第二辐射单元和第三辐射单元构成对偶极子天线，具有制作简便、馈电简单、组阵方便等特点。第四辐射单元可以引入一个与对偶极子天线相近的谐振频率，从而增加天线单元的带宽。

Description

高隔离的宽带MIMO天线系统

技术领域

本实用新型涉及MIMO(多输入多输出：Multi Input Multi Output)天线的技术领域，具体而言，涉及高隔离的宽带MIMO天线系统。

背景技术

当前人们使用的手机大部分为4G手机，为了进一步提高移动通信系统信道容量和信号的传输速率，主要采用两种方式：一是利用MIMO技术来改善频谱效率；二是选择毫米波频段来增加带宽。由于要兼顾4G频段，使用MIMO技术更合适。通过在收、发两端采用多天线单元布局，MIMO技术可以实现多个传输信道，从而有效地提升频谱利用效率，以达到提升连接可靠性和增加信道容量的目的。与4G移动终端的MIMO天线系统相比，5G移动终端的MIMO天线系统至少需要6个天线单元。

由于MIMO天线系统需要将多个天线单元布局在同一终端面板上，因此当工作在同一频段的天线单元数量增多，各天线单元之间的隔离度通常会降低。因而，设计5G移动终端的MIMO天线系统的关键是尽量减小天线单元的尺寸，并增加天线单元间的隔离度。

《基于5G智能终端8单元MIMO天线设计》(杭州电子科技大学学报(自然科学版)，2019年)公开了一种工作在5G频段(3.3-3.6GHz)的8单元MIMO天线系统，天线单元为一种3D立体结构的IFA天线，该阵列天线中任意两个天线单元之间隔离度优于10dB，主要用于智能手机终端。该MIMO天线系统存在以下两方面问题：(1)3D立体结构的IFA天线，加工困难，不利于平面化和小型化；(2)未使用隔离度改善技术，天线隔离度差；(3)系统基板的尺寸为167×70×1mm³，尺寸偏大。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供高隔离的宽带MIMO天线系统，以解决现有技术中的MIMO天线系统存在隔离度差和体积大的技术问题。

为了实现上述目的，本实用新型提供了高隔离的宽带MIMO天线系统。该高隔离的宽带MIMO天线系统包括包括系统基板和小基板，所述小基板设置于系统基板的边沿，在所述小基板上设有天线单元，所述天线单元包括：

第一辐射单元，所述第一辐射单元具有第一辐射带和第二辐射带，所述第一辐射带和第二辐射带分别设于所述小基板的正面和反面并通过金属化短路通孔连接，所述第一辐射带与所述系统基板顶面上的金属馈线连接；

第二辐射单元，所述第二辐射单元具有第三辐射带，所述第三辐射带竖向设于所述小基板的反面并与所述第二辐射带连接；

第三辐射单元，所述第三辐射单元具有第四辐射带，所述第四辐射带竖向设于所述小基板的反面并与系统基板背面的介质地连接；

第四辐射单元，所述第四辐射单元设于所述小基板的反面，所述第二辐射单元、第三辐射单元和第四辐射单元两两不相交。

首先，所述第一辐射单元、第二辐射单元和第三辐射单元以及特定的馈电和接地方式构成对偶极子天线，与倒F天线、环天线和槽天线等天线单元相比，对偶极子天线具有制作简便、馈电简单、组阵方便等特点。与单极子天线相比，对偶极子天线不需要额外的地平面作为镜像。

其次，第四辐射单元对第一辐射单元、第二辐射单元和第三辐射单元进行加载可以引入一个与对偶极子天线相近的谐振频率，从而增加天线单元的带宽，有助于进一步降低天线单元的尺寸。

所述的“正面”指小基板朝向系统基板中部的侧面。

进一步地是，所述第一辐射带和第二辐射带为方形的金属垫片。由此，结构简单，馈电效果好。

进一步地是，所述第二辐射单元还具有与所述第三辐射带连接的第五辐射带，所述第三辐射单元还具有与所述第四辐射带连接的第六辐射带，所述第五辐射带和第六辐射带均具有弯折结构且对称分布于所述小基板的反面上。由此，弯折结构可以延长电流路径，有助于减小天线单元的谐振频率。由于天线单元的谐振频率大大降低，因此对于设定的天线单元尺寸，本实用新型的工作频率更宽。对称设置的第五辐射带和第六辐射带可以使电流分布地更加均匀，有助于减小天线单元的尺寸。

进一步地是，所述弯折结构包括弯折带和水平设置的第一支带，所述第三辐射带与第五辐射带的第一支带连接，所述第四辐射带与第六辐射带的第一支带连接。

进一步地是，所述弯折带呈U型或W型。由此，兼具体积小和电流路径长的优点。

进一步地是，所述第四辐射单元具有第七辐射带，所述第七辐射带呈倒U型，所述第二辐射带、第二辐射单元和第三辐射单元位于所述第七辐射带内部的小基板上。由此，第七辐射带的结构简单，对对偶极子天线的上方和两侧同时进行加载可以取得较优的加载效果。

进一步地是，所述第七辐射带具有水平设置的第二支带以及分别与所述第二支带两端连接并竖向设置的第一手臂和第二手臂，所述第一手臂的长度大于第二手臂的长度。经验证，当第一手臂的长度大于第二手臂的长度时，天线单元的综合性能更好。

进一步地是，所述第四辐射单元还具有第八辐射带，所述第八辐射带水平设置于所述第二辐射单元和第三辐射单元与第二支带之间。由此，提升加载效果。

进一步地是，所述MIMO天线系统还包括对同一个小基板上的任意相邻两个天线单元进行隔离的隔离结构，所述隔离结构为设于系统基板背面的介质地上的隔离槽。由此，在同一个小基板上的任意两个相邻的天线单元之间设置隔离结构可以提升隔离结构两侧的天线单元之间的隔离度。当然，可以每两个天线单元之间均设置隔离结构，也可以仅仅在隔离度稍差的两个天线单元之间设置隔离结构。

进一步地是，所述隔离槽为U型且开口朝向被隔离的天线单元所在的小基板。由此，结构简单，便于加工，隔离效果好。

进一步地是，每个小基板上的天线单元前后对称分布；天线单元对称分布于两个小基板上。由此，便于调节参数来优化天线单元之间的隔离度。

进一步地是，在系统基板的轴向两侧设有与小基板长度和宽度匹配的缺口，所述小基板插入该缺口后与介质地连接。由此，MIMO天线系统的结构更加紧凑。

进一步地是，所述天线单元个数≥6个，所述MIMO天线系统设于5G移动通信终端；优选地，所述天线个数为8个，所述系统基板的尺寸为150mm×75mm×0.8mm，所述小基板的尺寸为134mm×6.8mm×0.8mm。该尺寸为市场上通用的6英寸手机终端尺寸，当然，本发明/实用新型MIMO天线系统也用于其它移动终端系统。

可见，本实用新型的MIMO天线系统可以实现高隔离和高带宽，具体表现为：(1)高隔离：MIMO天线系统的隔离度可以提高到15dB以上；(2)高带宽：能覆盖5G频段中的3.5GHz(3.4-3.6GHz)频段。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步的说明。本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

构成本实用新型的一部分的附图用来辅助对本实用新型的理解，附图中所提供的内容及其在本实用新型中有关的说明可用于解释本实用新型，但不构成对本实用新型的不当限定。

在附图中：

图1为实施例1的高隔离的宽带MIMO天线系统的俯视图。

图2为图1的A-A向剖视图。

图3为实施例1的高隔离的宽带MIMO天线系统的小基板的正面的正视图。

图4为实施例1的高隔离的宽带MIMO天线系统的小基板的反面的正视图。

图5为实施例1的高隔离的宽带MIMO天线系统的天线单元的反面的正视图。

图6为图3中第一个天线单元和第二个天线单元的S参数仿真曲线。

图7为图3中第一个天线单元和第二个天线单元的包络相关系数(ECC)仿真曲线。

图8为图3中第一个天线单元在3.5GHz时仿真的远场增益方向图。

图9为图3中第二个天线单元在3.5GHz时仿真的远场增益方向图。

图10为实施例2的高隔离的宽带MIMO天线系统的仰视图。

上述附图中的有关标记为：

100-介质地，110-隔离槽，200-系统基板，210-缺口，220-金属馈线，230-内芯，240-同轴馈线，300-小基板，400-天线单元，510-第一辐射带，520-第二辐射带，530-第三辐射带，540-第四辐射带，550-第五辐射带，560-第六辐射带，571-第二支带，572-第一手臂，573-第二手臂，580-第八辐射带，600-弯折带，610-第一支带。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行清楚、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本实用新型。在结合附图对本实用新型进行说明前，需要特别指出的是：

本实用新型中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案和技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案和技术特征可以相互组合。

此外，下述说明中涉及到的本实用新型的实施例通常仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

关于本实用新型中术语和单位。本实用新型的说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“包括”、“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

实施例1

图1为本实施例的高隔离的宽带MIMO天线系统的俯视图(小基板300未示出)。图2为图1的A-A向剖视图。如图1-2所示，该MIMO天线系统包括系统基板200和小基板300，所述小基板300为两个且分别设置于系统基板200的一组相对的边沿上；系统基板200的顶面设有金属馈线220，该金属馈线220通过金属化短路通孔与同轴馈线240的内芯230相连；系统基板200的背面为介质地100；在系统基板200的边沿上设有与小基板300长度和宽度匹配的缺口210，所述小基板300插入该缺口210后与介质地100连接。

所述系统基板200和小基板300均采用两层FR4介质基板，介电常数为4.4，总厚度为0.8mm。其中，所述系统基板200的长度为150mm，宽度为75mm；所述小基板300的长度为134mm，高度为6.8mm；可见，所述MIMO天线系统非常适合应用于5G移动通信终端。

图3为本实施例的高隔离的宽带MIMO天线系统的小基板300的正面的正视图。图4为本实施例的高隔离的宽带MIMO天线系统的小基板300的反面的正视图。如图3-4所示，在两个小基板300上分别设有四个呈等间距分布的天线单元400，每个小基板300上的天线单元400前后对称分布，八个天线单元400对称分布于两个小基板300上。

图5为本实施例的高隔离的宽带MIMO天线系统的天线单元400的反面的正视图。如图3-5所示，所述天线单元400包括第一辐射单元、第二辐射单元、第三辐射单元和第四辐射单元。

所述第一辐射单元具有第一辐射带510和第二辐射带520，所述第一辐射带510和第二辐射带520分别设于所述小基板300的正面和反面并通过金属化短路通孔连接，所述第一辐射带510与所述金属馈线220连接，所述金属馈线220通过金属化短路通孔与同轴馈线的内芯230相连；

所述第一辐射带510和第二辐射带520为方形的金属垫片，边长为1.5mm。所述第一辐射带510下端与小基板300下端之间的宽度为0.8mm，这与系统基板200的厚度匹配，便于小基板300插入缺口210后使所述第一辐射带510与金属馈线220连接。

所述第二辐射单元具有依次连接的第三辐射带530和第五辐射带550，所述第三辐射带530竖向设于所述小基板300的反面并与所述第二辐射带520连接；

所述第三辐射单元具有依次连接的第四辐射带540和第六辐射带560，所述第四辐射带540竖向设于所述小基板300的反面并与所述介质地100连接；

所述第五辐射带550和第六辐射带560均具有弯折结构且对称分布于所述小基板300的反面上。所述弯折结构包括弯折带600和水平设置的第一支带610，所述第三辐射带530与第五辐射带550的第一支带610连接，所述第四辐射带540与第六辐射带560的第一支带610连接；所述弯折带600呈W型。

所述第四辐射单元设于所述小基板300的反面，所述第二辐射单元、第三辐射单元和第四辐射单元两两不相交。所述第四辐射单元具有第七辐射带和第八辐射带580；所述第七辐射带呈倒U型，所述第二辐射带、第二辐射单元和第三辐射单元位于所述第七辐射带内部的小基板300上。所述第七辐射带具有水平设置的第二支带571以及分别与所述第二支带571两端连接并竖向设置的第一手臂572和第二手臂573，所述第一手臂572的长度大于第二手臂573的长度。所述第八辐射带580水平设置于所述第二辐射单元和第三辐射单元与第二支带571之间。

图6为图3中第一个天线单元400和第二个天线单元400的S参数仿真曲线，从图6可以看出：从第一个天线单元400的反射系数S₁₁和第二个天线单元400的反射系数S₂₂可以看出，第一个天线单元400和第二个天线单元400均具有两个明显的谐振频率，它们的-6dB带宽完全能够覆盖3.5GHz(3.4GHz-3.6GHz)频段，隔离度优于15dB。

图7为图3中第一个天线单元400和第二个天线单元400的包络相关系数仿真曲线，从图7可以看出：在工作频段3.4GHz-3.6GHz内，第一个天线单元400和第二个天线单元400的的最大ECC值低于0.01，远远小于MIMO系统正常工作要求的阈值0.5，表明天线单元400之间具有很低的相关性。

图8和图9分别为图3中第一个天线单元400和第二个天线单元400在3.5GHz时仿真的远场增益方向图，从图8和图9可以看出：第一个天线单元400和第二个天线单元400的最大增益点位于不同的方向，不同的辐射方向表明天线单元400间具有较好的隔离性。其中，phi为在XY平面上与X轴的夹角，theta表示在XZ平面上与Z轴的夹角。

由于天线单元400对称分布，因此对摆放形式相同且相邻的两个天线单元400进行测试，即可代表其它天线单元400的性质。

实施例2

与实施例1相比，本实施例的高隔离的宽带MIMO天线系统具有的区别是：如图10所示，MIMO天线系统还包括对同一个小基板300上的任意相邻两个天线单元400进行隔离的隔离结构。所述隔离结构为设于所述介质地100上的隔离槽110，所述隔离槽110为两个且分别设置于每个小基板300中部的两个天线单元400之间；所述隔离槽110为U型且开口朝向被隔离的天线单元400所在的小基板300。

以上对本实用新型的有关内容进行了说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本实用新型。基于本实用新型的上述内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

Claims (10)

1.高隔离的宽带MIMO天线系统，包括系统基板(200)和小基板(300)，所述小基板(300)设置于系统基板(200)的边沿，在所述小基板(300)上设有天线单元(400)，其特征在于：所述天线单元(400)包括：

第一辐射单元，所述第一辐射单元具有第一辐射带(510)和第二辐射带(520)，所述第一辐射带(510)和第二辐射带(520)分别设于所述小基板(300)的正面和反面并通过金属化短路通孔连接，所述第一辐射带(510)与所述系统基板(200)顶面上的金属馈线(220)连接；

第二辐射单元，所述第二辐射单元具有第三辐射带(530)，所述第三辐射带(530)竖向设于所述小基板(300)的反面并与所述第二辐射带(520)连接；

第三辐射单元，所述第三辐射单元具有第四辐射带(540)，所述第四辐射带(540)竖向设于所述小基板(300)的反面并与系统基板(200)背面的介质地(100)连接；

第四辐射单元，所述第四辐射单元设于所述小基板(300)的反面，所述第二辐射单元、第三辐射单元和第四辐射单元两两不相交。

2.如权利要求1所述的高隔离的宽带MIMO天线系统，其特征在于：所述第一辐射带(510)和第二辐射带(520)为方形的金属垫片。

3.如权利要求1所述的高隔离的宽带MIMO天线系统，其特征在于：所述第二辐射单元还具有与所述第三辐射带(530)连接的第五辐射带(550)，所述第三辐射单元还具有与所述第四辐射带(540)连接的第六辐射带(560)，所述第五辐射带(550)和第六辐射带(560)均具有弯折结构且对称分布于所述小基板(300)的反面上。

4.如权利要求3所述的高隔离的宽带MIMO天线系统，其特征在于：所述弯折结构包括弯折带(600)和水平设置的第一支带(610)，所述第三辐射带(530)与第五辐射带(550)的第一支带(610)连接，所述第四辐射带(540)与第六辐射带(560)的第一支带(610)连接。

5.如权利要求4所述的高隔离的宽带MIMO天线系统，其特征在于：所述弯折带(600)呈U型或W型。

6.如权利要求1所述的高隔离的宽带MIMO天线系统，其特征在于：所述第四辐射单元具有第七辐射带，所述第七辐射带呈倒U型，所述第二辐射带、第二辐射单元和第三辐射单元位于所述第七辐射带内部的小基板(300)上。

7.如权利要求6所述的高隔离的宽带MIMO天线系统，其特征在于：所述第七辐射带具有水平设置的第二支带(571)以及分别与所述第二支带(571)两端连接并竖向设置的第一手臂(572)和第二手臂(573)，所述第一手臂(572)的长度大于第二手臂(573)的长度。

8.如权利要求7所述的高隔离的宽带MIMO天线系统，其特征在于：所述第四辐射单元还具有第八辐射带(580)，所述第八辐射带(580)水平设置于所述第二辐射单元和第三辐射单元与第二支带(571)之间。

9.如权利要求1所述的高隔离的宽带MIMO天线系统，其特征在于：所述MIMO天线系统还具有对同一个小基板(300)上的任意相邻两个天线单元(400)进行隔离的隔离结构，所述隔离结构为设于介质地(100)上的隔离槽(110)。

10.如权利要求9所述的高隔离的宽带MIMO天线系统，其特征在于：所述隔离槽(110)为U型且开口朝向被隔离的天线单元(400)所在的小基板(300)。

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