CN102104185A - 多输入多输出阵列天线 - Google Patents
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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,用于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
技术领域
本发明涉及无线通讯天线领域,尤其涉及一种MIMO(Multiple InputMultiple Output,多输入多输出)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,但无论是采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***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***容量,提高频谱的利用效率。MIMO***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LTE(Long Term Evolution,长期演进)产业的推进,目前4G所必需的MIMO天线***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***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***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***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***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,用于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,用于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.去耦网络采用微带线结构,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。
附图说明
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***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。
具体实施方式
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***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Y矩阵就是Y12=Y21≠0,因此,去耦合可以采用特定的办法消除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θ,特性阻抗为Z0的传输线,一部分是阻抗为Zc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θ,特性阻抗为Z0的传输线的作用是改变天线S参数的相位,使S(12)=S(21)=纯虚数。阻抗为Zc的电路结构的作用是通过电路并联消去S(12)及S(21),实现去耦。阻抗为Zc的电路结构可以通过集总元件实现,也可以采用微带线结构。
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采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采用凸字形结构,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60mm×30mm×0.5mm,介电常数为4.4的FR-4介质板。
天线单元2几何尺寸为11mm×5mm×5mm,线宽为1mm。
去耦网络4采用微带线结构,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×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。
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***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。
Claims (5)
1.一种多输入多输出阵列天线,其特征在于,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,用于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,其特征在于,所述地板(3)呈凸字形结构,用于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,其特征在于,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,其特征在于,
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,其特征在于,
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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