WO2012071842A1 - 多输入多输出阵列天线 - Google Patents

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Definitions

  • decoupling can eliminate Y 12 and Y 21 by a specific method.

Abstract

本发明公开一种多输入多输出阵列天线，包括介质材料板、天线单元、地板和去耦网络，所述天线单元位于所述介质材料板的一端，对称分布于介质材料板的中心线两侧，构成天线阵；所述天线单元通过结构件与介质材料板连接，通过弹片或焊点与去耦网络连接；所述去耦网络印制在介质材料板的正面，设置为：消除天线单元间的耦合；所述地板印制在介质材料板的背面。本发明的天线单元及去耦网络尺寸小，利于在小尺寸移动终端中的应用；去耦网络采用微带线结构，实现简单，性能稳定；使用凸字形地板，易于调整天线的阻抗匹配，实现天线宽频段工作。

Description

多输入多输出阵列天线
技术领域
本发明涉及无线通讯天线领域， 尤其涉及一种多输入多输出 （Multiple Input Multiple Output, MIMO ) 阵列天线。
背景技术
频谱资源的不足严重阻碍了无线通信技术的发展， 随着无线通信向大容 量、 高传输率和高可靠性方向的发展， 这种瓶颈作用变得愈加明显。 如何最 大限度的使用有限的频谱资源成为当前研究的热门话题。 在过去的二十多年 中， 提出了许多新技术， 但无论是釆用常规发射分集或者接收分集方法， 还 是智能天线技术， 都不足以满足现今对大信道容量和高质量通信的需求， 而 MIMO技术无疑是众多方法中最具潜力和最具优势的。
MIMO技术是无线移动通信领域的重大突破，是一种多输入多输出技术， 即在无线通信系统的接收端和发射端都配备有多个端口， 创造出多个并行空 间信道， 多个信息流经过多个信道在同一频带同时传输， 可以成倍的增加系 统容量， 提高频谱的利用效率。 MIMO系统的核心思想是空时信号处理， 即 在原来时间维的基础上， 通过使用多副天线来增加空间维， 从而实现多维信 号处理， 获得空间复用增益或空间分集增益。
同时随着长期演进（ Long Term Evolution , LTE )产业的推进， 目前 4G 所必需的 MIMO天线系统对终端天线的设计与评估又提出了新的挑战： 一方 面用户要求小型化高质量的用户体验， 另一方面 MIMO天线系统要求各个天 线具有平衡的射频和电磁性能的同时， 具有高隔离度和低相关性系数。 多方 面的矛盾在 LTE终端天线的设计和系统方案阶段已经凸显。 天线作为接收和 发射装置， 其电气性能和阵列配置是影响系统性能的重要因素。 相距很近的 天线单元间具有很强的耦合， 耦合电流会直接影响天线的辐射特性， 因此天 线阵中天线单元的间距一般大于二分之一波长。而在小尺寸移动通讯系统中， 受限于接收机或发射机的尺寸、 整机的尺寸， 不可能提供二分之一波长的间 距， 因此在有限的空间内放置多个相关性很小的 MIMO天线是有困难的， 这 就使得天线之间的强耦合的去除问题成为迫切需要解决的问题之一 发明内容
本发明要解决的技术问题就是克服尺寸限制， 提供一种用于小尺寸移动 通讯终端的弱耦合 MIMO阵列天线。
为了解决上述问题， 本发明提供一种多输入多输出阵列天线， 包括介质 材料板、 天线单元、 地板和去耦网络， 所述天线单元位于所述介质材料板的 一端， 对称分布于介质材料板的中心线两侧， 构成天线阵； 所述天线单元通 过结构件与介质材料板连接， 通过弹片或焊点与去耦网络连接； 所述去耦网 络印制在介质材料板的正面， 设置为： 消除天线单元间的耦合； 所述地板印 制在介质材料板的背面。
优选地， 上述多输入多输出阵列天线具有以下特点：
所述地板呈凸字形结构， 设置为： 改善天线的阻抗特性。
优选地， 上述多输入多输出阵列天线具有以下特点：
所述去耦网络由三段微带线构成， 其中， 中间的一段微带线为曲折结构。 优选地， 上述多输入多输出阵列天线具有以下特点：
所述天线单元为折叠单极子天线结构。
优选地， 上述多输入多输出阵列天线具有以下特点：
所述介质材料板为介电常数为 4.4的 FR-4介质板。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1. 天线单元及去耦网络尺寸小， 利于在小尺寸移动终端中的应用；
2. 去耦网络釆用微带线结构， 实现简单， 性能稳定；
3. 使用凸字形地板， 易于调整天线的阻抗匹配， 实现天线宽频段工作。 附图概述
2 181102466 图 1是本发明中去耦网络的原理结构图；
图 2是本发明实施例的 MIMO天线系统整体结构图；
图 3是本发明实施例的天线单元结构示意图；
图 4是本发明实施例的去耦网络结构示意图；
图 5是本发明实施例的地板结构图；
图 6是本发明实施例的 MIMO天线的工作频率 -电压驻波比曲线图； 图 7是本发明实施例的 MIMO天线各工作频率-相关性曲线图； 图 8是本发明实施例的 MIMO天线工作频率列水平面远场方向图。 本发明的较佳实施方式
MIMO天线是无线通讯中的发射器和接收器， 使用多个天线构成阵列。 在小尺寸移动通讯系统中应用 MIMO天线具有一定困难。 本发明提供了一种 用于小尺寸移动通讯终端的弱耦合 MIMO阵列天线， 可以克服尺寸限制。
下面首先介绍本法发明的技术原理
两个天线间的耦合会给彼此带来影响， 反映到丫矩阵就是¥12 = ≠ () , 因此， 去耦合可以釆用特定的办法消除 Y12及 Y21。
图 1给出了本文提到去耦原理的结构图， 由图 1可以看出， 去耦网络分 为两个部分： 一部分是两段角度为^ 特性阻抗为 ζ。的传输线， 一部分是阻 抗为 ze的电路结构。 在去耦网络后面可以选接匹配网络以改善天线的阻抗特 性。
角度为^ 特性阻抗为 Z。的传输线的作用是改变天线 S参数的相位， 使 散射系数 S(12) = S(21) = 纯虚数。 阻抗为 Z的电路结构的作用是通过电路并 联消去 12)及 21), 实现去耦。 阻抗为 Z的电路结构可以通过集总元件实 现， 也可以釆用微带线结构。
增加去耦网络后， 天线的阻抗特性将受到一定影响， 为了消除这种影响， 需要适当增加匹配网络， 本发明中， 为了使天线结构简单易于实现， 阻抗匹 配方法为改变地板几何结构， 通过使用凸字形地板， 调节突出部分的几何尺
181102466 寸以改变天线的阻抗特性。
如图 2所示， 本发明实施例的 MIMO天线包括： 介质材料板 1、 天线单 元 2、 地板 3和去耦网络 4 , 所述天线单元 2位于所述介质材料板 1 的一端， 呈立体结构， 对称分布于介质材料板 1的中心线两侧， 构成天线阵； 所述天 线单元 2通过结构件与介质材料板 1连接， 通过弹片或焊点与去耦网络 4连 接； 所述去耦网络 4印制在介质材料板 1的正面， 用于消除天线单元间的耦 合； 所述地板 3部分腐蚀， 呈凸字形结构， 印制在介质材料板 1的背面， 用 于改善天线的阻抗特性。
上述结构件可以是支架， 框架等用于支撑天线单元 2的构件。
参照图 3 , 本发明实施例的天线单元 2釆用折叠单极子天线结构， 位于 介质材料板 1一端的上方， 对称分布于介质材料板 1的中心线两侧。 通过改 变长度 301、 302可以改变天线单元 2的工作频率。
参照图 4 , 本发明实施例的去耦网络 4印制在介质材料版的正面， 它由 三段微带线（ 401、 402和 403 )构成， 中间的一段微带线 403为曲折结构； 通过调整 401、 402的长度可以改变 S21、 S12的相位， 通过改变 403的位置、 宽度和长度可以改变 S21、 S12值。
参照图 5 , 本发明中实施例的地板釆用凸字形结构， 印制在介质材料的 背面， 通过调节长度 501 , 宽度 502可以改变天线端口的阻抗特性。
根据上述结构， 本发明给出弱耦合 MIMO阵列天线实例如下：
介质材料板 1选择尺寸为 6Qmm x3Qmm x0.5mm , 介电常数为 4.4的 FR-4 介质板。
天^ i L 2几可尺 t力 \ \mm x 5mm x 5mm , H lmm。
去耦网络 4釆用微带线结构， 几何尺寸在计算结果上进行微调得出， 地 板 3凸出部分尺寸为 6mm x 5mm。
本发明的优点可通过以下仿真进一步说明：
1、 仿真内容
利用仿真软件对上述实例 MIMO天线的电压驻波比、远场辐射方向图进 行仿真计算。
4 181102466 2、 仿真结果
图 6为阵列天线的工作频率 -电压驻波比曲线。 通过图 6可发现， 本发 明 MIMO天线在电压驻波比小于 2的条件下的工作频带为 2.3GHz-2.5GHz, 特别是较好地覆盖了 2.4GHz的工作频带。
图 7为本发明天线各工作频率-隔离度曲线。 通过图 7可以看出， 本发明 MIMO天线中天线单元间的耦合在工作频段得到有效抑制。
图 8为本发明 MIMO天线系统远场增益方向图， 由图 8可以看出， 天线 具有很好的全向性。
以上仅为本发明的一个实例， 不构成对本发明的任何限制， 在不同的工 作频带下， 利用本发明中的原理和方法， 可以有效实现小尺寸环境下 MIMO 天线的去耦合和布局。 对于本领域的技术人员来说， 本发明可以有各种更改 和变化。 凡在本发明的精神和原则之内， 所作的任何修改、 等同替换、 改进 等， 均应包含在本发明的保护范围之内。
工业实用性
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1. 天线单元及去耦网络尺寸小， 利于在小尺寸移动终端中的应用；
2. 去耦网络釆用微带线结构， 实现简单， 性能稳定；
3. 使用凸字形地板， 易于调整天线的阻抗匹配， 实现天线宽频段工作。
181102466

Claims

权 利 要 求 书
1、 一种多输入多输出阵列天线， 所述天线包括介质材料板 (1)、 天线单元 (2)、地板 (3)和去耦网络 (4),所述天线单元 (2)位于所述介质材料板 (1)的一端， 对称分布于介质材料板 (1)的中心线两侧， 构成天线阵； 所述天线单元 (2)通过 结构件与介质材料板 (1)连接， 通过弹片或焊点与去耦网络 (4)连接； 所述去耦 网络 (4)印制在介质材料板 (1)的正面， 设置为： 消除天线单元间的耦合； 所述 地板 (3)印制在介质材料板 (1)的背面。
2、如权利要求 1所述的多输入多输出阵列天线， 其中， 所述地板 (3)呈凸 字形结构， 设置为： 改善天线的阻抗特性。
3、如权利要求 1所述的多输入多输出阵列天线， 其中， 所述去耦网络 (4) 由三段微带线构成， 其中， 中间的一段微带线为曲折结构。
4、 如权利要求 1 ~ 3中任意一项所述的多输入多输出阵列天线， 其中， 所述天线单元 (2)为折叠单极子天线结构。
5、 如权利要求 1 ~ 3中任意一项所述的多输入多输出阵列天线， 其中， 所述介质材料板 (1)为介电常数为 4.4的 FR-4介质板。
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