CN218867364U - 一种具有高增益低副瓣的阵列mimo天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有高增益低副瓣的阵列MIMO天线，包括由多个梳状天线组成的梳状阵列天线、介质基板、馈电网络、接地板，所述梳状阵列天线和馈电网络均印制在介质基板的正面，接地板印制在介质基板的背面；梳状阵列天线包括两个呈横向排列的阵列天线，馈电网络包括两个分别连接在两个阵列天线底部的一分十六不等功率分配器；接地板上形成有位于两个阵列天线拼接处的中间位置的第一矩形槽、位于阵列天线中相邻的两个梳状天线的中间位置的第二矩形槽。本实用新型采用了泰勒综合法对各天线单元端口幅值进行计算，并根据所得幅值比进行单个梳状阵列天线和馈电网络的设计，具有高增益、低副瓣、高隔离度的优点，可以应用于5G毫米波通信系统中。

Description

一种具有高增益低副瓣的阵列MIMO天线

技术领域

本实用新型属于天线的技术领域，尤其涉及一种具有高增益低副瓣的阵列MIMO天线，适合于5G通信场合。

背景技术

随着无线通信技术的迅速发展，现有的频谱资源已经无法满足日益增长的需求，而毫米波频段(30GHz-300GHz)凭借着丰富的频谱资源和较强的抗干扰能力可以实现更高的数据传输速率和频带宽度，这使得毫米波通信具有较好的通信能力。2016年美国联邦通信委员会(FCC)将毫米波频段中的28GHz、37GHz和39GHz频段资源划归于5G业务。

其中39GHz频段有一个最显著的特点，其衰落特性介于传统毫米波和现有毫米波特性之间，在大气传播中不会有太多的衰减，特别是在恶劣天气的情况下电波传播的覆盖半径在200m以外才会衰落约80％，这使得39GHz毫米波通信具有很高的利用价值，在应用上具有很大的创新。但是毫米波信号在传输过程中的衰减依旧是不可避免的，这给信号的传输带来了巨大的阻碍，将多个天线进行组阵以达到提高天线增益的目的。在传输的过程中杂波的干扰也是不可避免的，降低阵列天线的副瓣电平，以此降低杂波对天线的影响。

目前的无线通信中，有大量的信号，信道容量也是信号传输的一大难题，为了提高电磁波的传输速率和可靠性，增大信道容量，引入高增益低副瓣技术的同时引入多输入多输出(MIMO)技术，需要设计一种具有高增益低副瓣的阵列MIMO天线。

实用新型内容

基于以上现有技术的不足，本实用新型所解决的技术问题在于提供一种具有高增益低副瓣的阵列MIMO天线，可以实现天线具有高增益、低副瓣、强方向性、信道容量大、高隔离度等特点。

为了解决上述技术问题，本实用新型通过以下技术方案来实现：本实用新型提供一种具有高增益低副瓣的阵列MIMO天线，包括由多个梳状天线组成的梳状阵列天线、介质基板、馈电网络、接地板，所述梳状阵列天线和馈电网络均印制在所述介质基板的正面，所述接地板印制在所述介质基板的背面；所述梳状阵列天线包括两个呈横向排列的阵列天线，所述馈电网络包括两个分别连接在两个阵列天线底部的一分十六不等功率分配器；所述接地板上形成有位于两个阵列天线拼接处的中间位置的第一矩形槽、位于阵列天线中相邻的两个梳状天线的中间位置的第二矩形槽。

由上，梳状阵列天线共有32个梳状天线，均印刷在介质基板的正面，起到向空间辐射电磁波的作用。两个馈电网络均由一分十六不等分功率分配器构成，印刷在介质基板的正面，其由一个等分功率分配器及14个不等分功率分配器构成，起到给予给天线单元端口预期幅值的作用。整体天线由梳状阵列天线、馈电网络、接地板构成，采用了泰勒综合法对各天线单元端口幅值进行计算，并根据所得幅值比进行单个梳状阵列天线和馈电网络的设计，给予各端口相对应的幅值，使其副瓣电平降低，波束宽度变窄，方向性更强。

可选的，每个一分十六不等功率分配器由一个电流比为1：1的功率分配器、两个电流比为2.82：5.18的功率分配器、两个电流比为1.15：1.67的功率分配器、两个电流比为2.37：2.8的功率分配器、两个电流比为0.54：0.61的功率分配器、两个电流比为0.75：0.92的功率分配器、两个电流比为1.11：1.27的功率分配器、两个电流比为1.37：1.43的功率分配器构成。

进一步的，每个梳状天线的微带馈线的长度为44.22mm，其宽度为0.217mm；所述梳状天线的左右两侧具有沿其长度方向设置的微带短截线。

可选的，所述微带短截线的长度均为2.666mm，所述微带短截线的宽度自梳状天线的中部对称地向两端逐级递减，其宽度从低端到顶端分别为0.213mm、0.276mm、0.374mm、0.493mm、0.605mm、0.685mm、0.714mm、0.685mm、0.605mm、0.493mm、0.374mm、0.276mm、0.213mm。

进一步的，所述接地板由长为190.46mm、宽为54.78mm的矩形结构构成，所述第一矩形槽的数量为3个，两侧的第一矩形槽的长度均为52.78mm，宽度均为1.25mm；中间的第一矩形槽的长度为49mm，宽度为0.2mm；所述第二矩形槽的长度为48mm，宽度为0.1mm。

由上，接地板由矩形接地板挖去多个矩形槽构成，两个阵列天线的接地板之间挖有3个第一矩形槽，位于阵列天线中相邻的两个梳状天线之间的接地板有一个第二矩形槽，具有多个矩形槽特性的接地板印制在介质基板的背面，起到反射板的作用。

可选的，所述电流比为1：1的功率分配器的阻抗匹配宽度为0.264mm，两个电流比为2.82：5.18的功率分配器的阻抗匹配宽度为0.1mm、0.49mm，两个电流比为1.15：1.67的功率分配器的阻抗匹配宽度为0.15mm、0.55mm，两个电流比为2.37：2.8的功率分配器的阻抗匹配宽度为0.25mm、0.33mm，两个电流比为0.54：0.61的功率分配器的阻抗匹配宽度为0.22mm、0.48mm，两个电流比为0.75：0.92的功率分配器的阻抗匹配宽度为0.354mm、0.41mm，两个电流比为1.11：1.27的功率分配器的阻抗匹配宽度为0.15mm、0.43mm，两个电流比为1.37：1.43的功率分配器的阻抗匹配宽度为0.23mm、0.3mm。

可选的，所述介质基板的厚度为0.254mm，介质基板的长度和宽度分别为190.46mm和54.78mm。

由上，本实用新型的具有高增益低副瓣的阵列MIMO天线通过采用泰勒综合的梳状阵列天线作为辐射贴片，利用梳状阵列天线空间占用小且易调整的特点，根据泰勒综合算法计算的电流幅值对梳状阵列天线的短截线宽度进行调整，实现高增益低副瓣的线阵。同时馈电网络的设计是根据泰勒阵列综合法加权计算后得到的幅值比进行设计的，通过泰勒综合设计出来的不等分功率分配器，可以实现各天线单元端口给予预期幅值，可以压低天线的副瓣电平，同时还可以缩小天线的波束宽度，使天线具有更强的方向性。接地板起到反射板的作用，在接地板上挖去多个矩形槽，降低天线副瓣的同时提高了MIMO天线之间的相关性。本实用新型设计为现有的毫米波阵列MIMO天线提供了一种设计思路。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

图1为本实用新型的具有高增益低副瓣的阵列MIMO天线的正面结构示意图；

图2为本实用新型的具有高增益低副瓣的阵列MIMO天线的背面结构示意图；

图3为本实用新型的具有高增益低副瓣的阵列MIMO天线的天线S₁₁和S₂₂图；

图4为本实用新型的具有高增益低副瓣的阵列MIMO天线的天线S₂₁和S₁₂图；

图5为本实用新型的具有高增益低副瓣的阵列MIMO天线在39GHz频点的辐射方向图；

图6为本实用新型的具有高增益低副瓣的阵列MIMO天线的效率图；

图7为本实用新型的具有高增益低副瓣的阵列MIMO天线的包络相关系数(ECC)图；

图8为本实用新型的具有高增益低副瓣的阵列MIMO天线的分集增益(DG)图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本实用新型的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本实用新型的原理，本实用新型的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。在所参照的附图中，不同的图中相同或相似的部件使用相同的附图标号来表示。

如图1-8所示，本实用新型提供的具有高增益低副瓣的阵列MIMO天线，包括由多个梳状天线组成的梳状阵列天线1、由一分十六不等分功率分配器构成的馈电网络3、介质基板2、接地板3，其中，介质基板2的厚度为0.254mm，介质基板2的长度和宽度分别为190.46mm和54.78mm。如图1所示，梳状阵列天线1、馈电网络3印制在介质基板2的正面。如图2所示，接地板4印制在介质基板2的背面。

其中，梳状阵列天线1在馈电后起向空间辐射电磁波作用。梳状阵列天线1是根据泰勒综合计算后的比值设计，使单元梳状阵列天线可以获得高增益、低副瓣的特性。馈电网络3是根据泰勒阵列综合计算后的比值设计，通过馈电网络馈电后，可以使各天线端口获得经过泰勒综合计算的幅值比，使天线可以获得高增益、低副瓣的特性。

梳状阵列天线1包括两个呈横向排列的阵列天线22，馈电网络3包括两个分别连接在两个阵列天线22底部的一分十六不等功率分配器。每个一分十六不等功率分配器由一个电流比为1：1的功率分配器7、两个电流比为2.82：5.18的功率分配器8，9、两个电流比为1.15：1.67的功率分配器10，13、两个电流比为2.37：2.8的功率分配器11，12、两个电流比为0.54：0.61的功率分配器14，21、两个电流比为0.75：0.92的功率分配器15，20、两个电流比为1.11：1.27的功率分配器16，19、两个电流比为1.37：1.43的功率分配器17，18构成。其中，电流比为1：1的功率分配器7的阻抗匹配宽度为0.264mm，两个电流比为2.82：5.18的功率分配器8，9的阻抗匹配宽度为0.1mm、0.49mm，两个电流比为1.15：1.67的功率分配器10，13的阻抗匹配宽度为0.15mm、0.55mm，两个电流比为2.37：2.8的功率分配器11，12的阻抗匹配宽度为0.25mm、0.33mm，两个电流比为0.54：0.61的功率分配器14，21的阻抗匹配宽度为0.22mm、0.48mm，两个电流比为0.75：0.92的功率分配器15，20的阻抗匹配宽度为0.354mm、0.41mm，两个电流比为1.11：1.27的功率分配器16，19的阻抗匹配宽度为0.15mm、0.43mm，两个电流比为1.37：1.43的功率分配器17，18的阻抗匹配宽度为0.23mm、0.3mm。

另外，接地板4上形成有位于两个阵列天线22拼接处的中间位置的第一矩形槽5、位于阵列天线22中相邻的两个梳状天线的中间位置的第二矩形槽6。接地板4由长为190.46mm、宽为54.78mm的矩形结构构成，第一矩形槽5的数量为3个，两侧的第一矩形槽5的长度均为52.78mm，宽度均为1.25mm；中间的第一矩形槽5的长度为49mm，宽度为0.2mm；第二矩形槽6的长度为48mm，宽度为0.1mm。

每个梳状天线的微带馈线的长度为44.22mm，其宽度为0.217mm，梳状天线的左右两侧具有沿其长度方向设置的微带短截线。微带短截线的长度均为2.666mm，微带短截线的宽度自梳状天线的中部对称地向两端逐级递减，其宽度从低端到顶端分别为0.213mm、0.276mm、0.374mm、0.493mm、0.605mm、0.685mm、0.714mm、0.685mm、0.605mm、0.493mm、0.374mm、0.276mm、0.213mm。

本发明的具有高增益低副瓣的阵列MIMO天线的S₁₁和S₂₂如图3所示，此时天线的谐振频率为39GHz，工作带宽为38～39.8GHz。具有高增益低副瓣的阵列MIMO天线的S₁₂和S₂₁如图4所示，从图可以看出天线在工作带宽38～39.8GHz上的隔离度很高，在工作带宽内S₁₂和S₂₁均小于-56.6dB。

本发明的具有高增益低副瓣的阵列MIMO天线在39GHz的辐射方向图如图5所示，从图可以看出天线E面的增益为25.2dBi，副瓣电平为-21.3dB，天线H面的增益为26.4dBi，副瓣电平为-17.8dB，可以实现高增益，低副瓣的阵列天线的设计。

本发明的具有高增益低副瓣的阵列MIMO天线的效率如图6所示，从图可以看出天线效率达到90％左右。具有高增益低副瓣的阵列MIMO天线的ECC和DG分别如图7和图8所示，从图可以看出天线的包络相关系数(ECC)和分集增益(DG)均符合MIMO天线的要求，天线整体可以实现高增益、低副瓣、高隔离度的性能。

本实用新型的具有高增益低副瓣的阵列MIMO天线，通过将十六个梳状天线组阵，实现了高增益的特点，又根据泰勒综合，设计出一分十六不等分功率分配器，来给予各端口不同的激励，来实现低副瓣的特性，最终设计的毫米波阵列天线尺寸为190.46×54.78×0.254mm³，工作频段为38～39.8GHz，在39GHz处，天线E面的增益为25.2dBi，副瓣电平为-21.3dB，天线H面的增益为26.4dBi，副瓣电平为-17.8dB。

本实用新型的具有高增益低副瓣的阵列MIMO天线包括由32个梳状天线组成的梳状阵列天线1，其中每16个梳状天线组成的阵列天线22与一个一分十六不等功率分配器相连，形成两个面阵构成阵列MIMO天线，32个梳状天线和馈电网络3均印制在介质基板2的正面，两个阵列天线22之间的接地板上挖有3个第一矩形槽5，位于阵列天线22中相邻的两个梳状天线之间的接地板有一个第二矩形槽6，具有多个矩形槽特性的接地板4印制在介质基板2的背面。本实用新型采用了泰勒综合法对各天线单元端口幅值进行计算，并根据所得幅值比进行单个梳状阵列天线和馈电网络的设计。本实用新型具有高增益、低副瓣、高隔离度的优点，具有较高的实用价值，可以应用于5G毫米波通信系统中。

以上所述是本实用新型的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种具有高增益低副瓣的阵列MIMO天线，其特征在于：包括由多个梳状天线组成的梳状阵列天线(1)、介质基板(2)、馈电网络(3)、接地板(4)，所述梳状阵列天线(1)和馈电网络(3)均印制在所述介质基板(2)的正面，所述接地板(4)印制在所述介质基板(2)的背面；

所述梳状阵列天线(1)包括两个呈横向排列的阵列天线(22)，所述馈电网络(3)包括两个分别连接在两个阵列天线(22)底部的一分十六不等功率分配器；

所述接地板(4)上形成有位于两个阵列天线(22)拼接处的中间位置的第一矩形槽(5)、位于阵列天线(22)中相邻的两个梳状天线的中间位置的第二矩形槽(6)。

2.如权利要求1所述的具有高增益低副瓣的阵列MIMO天线，其特征在于，每个一分十六不等功率分配器由一个电流比为1：1的功率分配器(7)、两个电流比为2.82：5.18的功率分配器(8，9)、两个电流比为1.15：1.67的功率分配器(10，13)、两个电流比为2.37：2.8的功率分配器(11，12)、两个电流比为0.54：0.61的功率分配器(14，21)、两个电流比为0.75：0.92的功率分配器(15，20)、两个电流比为1.11：1.27的功率分配器(16，19)、两个电流比为1.37：1.43的功率分配器(17，18)构成。

3.如权利要求1所述的具有高增益低副瓣的阵列MIMO天线，其特征在于，每个梳状天线的微带馈线的长度为44.22mm，其宽度为0.217mm；所述梳状天线的左右两侧具有沿其长度方向设置的微带短截线。

4.如权利要求3所述的具有高增益低副瓣的阵列MIMO天线，其特征在于，所述微带短截线的长度均为2.666mm，所述微带短截线的宽度自梳状天线的中部对称地向两端逐级递减，其宽度从低端到顶端分别为0.213mm、0.276mm、0.374mm、0.493mm、0.605mm、0.685mm、0.714mm、0.685mm、0.605mm、0.493mm、0.374mm、0.276mm、0.213mm。

5.如权利要求1所述的具有高增益低副瓣的阵列MIMO天线，其特征在于，所述接地板(4)由长为190.46mm、宽为54.78mm的矩形结构构成，所述第一矩形槽(5)的数量为3个，两侧的第一矩形槽(5)的长度均为52.78mm，宽度均为1.25mm；中间的第一矩形槽(5)的长度为49mm，宽度为0.2mm；所述第二矩形槽(6)的长度为48mm，宽度为0.1mm。

6.如权利要求2所述的具有高增益低副瓣的阵列MIMO天线，其特征在于，所述电流比为1：1的功率分配器(7)的阻抗匹配宽度为0.264mm，两个电流比为2.82：5.18的功率分配器(8，9)的阻抗匹配宽度为0.1mm、0.49mm，两个电流比为1.15：1.67的功率分配器(10，13)的阻抗匹配宽度为0.15mm、0.55mm，两个电流比为2.37：2.8的功率分配器(11，12)的阻抗匹配宽度为0.25mm、0.33mm，两个电流比为0.54：0.61的功率分配器(14，21)的阻抗匹配宽度为0.22mm、0.48mm，两个电流比为0.75：0.92的功率分配器(15，20)的阻抗匹配宽度为0.354mm、0.41mm，两个电流比为1.11：1.27的功率分配器(16，19)的阻抗匹配宽度为0.15mm、0.43mm，两个电流比为1.37：1.43的功率分配器(17，18)的阻抗匹配宽度为0.23mm、0.3mm。

7.如权利要求1至6中任一项所述的具有高增益低副瓣的阵列MIMO天线，其特征在于：所述介质基板(2)的厚度为0.254mm，介质基板(2)的长度和宽度分别为190.46mm和54.78mm。

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