CN104157987A - 一种小型化mimo超宽带天线 - Google Patents
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Abstract
该发明公开了一种小型化MIMO超宽带天线，天线包括两个镜像对称的超宽带单元天线，两个单元天线正交摆放使得天线单元间的独立工作性增强，且地板上连接两个单元天线的折叠微带线的不同长度可以得到不同的端口隔离度。该发明的MIMO超宽带天线阵列，以较小的尺寸面积，获得的频率覆盖了超宽带通信所需的3.1-10.6GHz频段，并且该发明同时具有了低互耦、宽带宽、结构紧凑、低成本等优点。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种由超宽带单元天线组成的MIMO天线阵列。
背景技术
移动通信技术是当今通信领域发展最快、市场潜力最大的研究热点，目前第三代移动通信***已经在世界各国开始使用，但是对于高速的移动数据传输能力还有很多不足。为了满足未来移动通信高速的传输速率和宽覆盖范围的需求，MIMO技术已经被视为其关键技术之一。MIMO即多输入多输出，是一种描述多天线无线通信***的抽象数学模型，能利用发射端的多个天线各自独立发送信号，同时在接收端用多个天线接收并恢复原信号。该技术最早由马可尼于1908年提出，他利用多天线来抑制信道衰落。MIMO技术是在发射和接收端分别采用多个发射天线和接收天线，信号通过发射端和接收端的多个天线发送和接收，经采用分集技术，可以改善接收端的信噪比，从而提高频谱的使用效率。相比传统的无线通信***，仅采用一个发射天线和一个接收天线，即SISO***，SISO***在信道容量上受到了Shannon定理的限制。而采用MIMO技术在不需要增加频谱带宽或总发射功率情况下，采用多天线分集技术，大幅度增加***的数据吞吐量和传输距离。MIMO技术的核心概念为利用多根发射天线与多根接收天线所提供之空间自由度来有效提升无线通信***之频谱效率，以提升数据传输速率并改善通信质量。
MIMO天线技术是MIMO无线通信技术的核心技术之一。如何实现在有限空间里集成多个天线并获得较低的互耦系数是MIMO天线设计的难点。目前减少耦合的方法有很多，例如采用左手材料，在地板上设计隔离结构。对于目前已有报道的二单元MIMO天线，大部分设计的带宽都很窄，隔离度低，尺寸也比较大，对于小型化移动设备来说无法满足其需求。在现有的MIMO天线阵列设计中，主要考虑如何在有限的空间里使得各天线单元之间具有较小的相关系数，在实际工程中，还要考虑天线之间的互耦、极化特性，如何增大天线的阻抗带宽等问题。
2013年高鹏等人提出了“超宽带分集天线”(专利申请号201310330231.4；申请公布日：2013.07.31；发明人：高鹏，贺爽，袁斌，陈华，王宁)，该超宽带分集天线如图1所示，包括基板，所述基板上设置有第一金属辐射体、第二金属辐射体、接地板，所述接地板上设置 有第一馈电端口、第二馈电端口，所述第一金属辐射体连接在第一馈电端口上，第二金属辐射体连接在第二馈电端口上。该天线结构简单，易于加工，分集特性优良，但是该天线使用的空间面积较大，天线单元之间的独立工作性不强，并且不具有控制端口隔离度的能力。
发明内容
本发明提出了一种小型化MIMO超宽带天线，该天线包括两个镜像对称的超宽带单元天线，两个单元天线正交摆放使得天线单元间的独立工作性增强，且地板上连接两个单元天线的折叠微带线的不同长度可以得到不同的端口隔离度，实现隔离度高、尺寸小等优点。
本发明通过下述技术方案实现：
一种小型化MIMO超宽带天线，包括介质基板，设于介质基板下层的第一接地板、第二接地板、第一微带枝节、第二微带枝节及折叠微带线，设于介质基板上层的第一馈电端口、第二馈电端口、第一馈线、第二馈线、第一辐射体及第二辐射体，其特征在于天线分为两个区域，每个区域均包含接地板、微带枝节、馈电端口、馈线及辐射体，形成一相对独立的单元天线；所述单元天线镜像对称且正交设置。
所述单元天线的接地板通过一折叠微带线相连接，形成共地结构，折叠微带线的长度控制单元天线间的隔离度，使得两个单元天线保持良好的隔离度。
所述馈线为一长条形金属贴片，其一端为馈电端口、位于介质基板的边，另一端连接一辐射体。
所述辐射体为两个正交设置且有部分重叠的矩形金属贴片构成，其中与馈线相接的矩形金属贴片的短边与馈线的边位于一条直线上，另一矩形金属贴片位于馈线所在直角的对角。
所述接地板为一带有矩形缺口的矩形金属地板，其一直角与介质基板的直角重合，其一短边与馈线的边重合，所述矩形缺口位于馈线的正下方，所述矩形缺口能有效改善馈电端口的阻抗匹配。
所述单元天线的接地板连接一微带枝节，所述微带枝节的形状为阶梯形，微带枝节使得天线达到更好的阻抗匹配，并且可以进一步拓展天线的带宽。
本发明的一种小型化MIMO超宽带天线，具有以下优点：
1、本发明同时具有了低互耦、宽带宽、结构紧凑、低成本等优点。
2、相比现有的四单元、六单元等天线阵列，本发明的二单元天线，在保证天线阻抗带宽宽的同时实现了小型化的设计以及具有良好的辐射特性。
3、采用结构简单的隔离结构即折叠微带线，获得了较高的隔离度。
4、正交放置的单元天线组成的MIMO天线阵列，每个单元天线都能独立工作，且具有良 好的辐射特性。
5、本发明采用平面结构设计，易于集成到电路板，适用于小型移动设备。
6、本发明的MIMO超宽带天线阵列，以较小的尺寸面积，获得的频率覆盖了超宽带通信所需的3.1-10.6GHz频段。
附图说明
图1是背景技术的超宽带分集天线结构示意图。
图2是本发明MIMO天线阵列背面结构示意图。
图3是本发明MIMO天线阵列正面结构示意图。
图4是本发明MIMO天线阵列结构示意图。
图5是本发明MIMO天线阵列单元天线之间的回波损耗曲线。
图6是本发明MIMO天线阵列单元天线之间的隔离度曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述。
如图2、图3和图4所示，该MIMO超宽带天线，包括介质基板1，设于介质基板下层的第一接地板2、第二接地板3、第一微带枝节11、第二微带枝节12及折叠微带线4，设于介质基板上层的第一馈电端口5、第二馈电端口6、第一馈线7、第二馈线8、第一辐射体9及第二辐射体10。
所述介质基板1的面积为长度L＝41mm，宽度W＝25mm，采用介电常数为4.4，厚度为1.6mm的FR4材质。
所述第一接地板2、第二接地板3、第一微带枝节11、第二微带枝节12、折叠微带线4、第一馈线7、第二馈线8、第一辐射体9及第二辐射体10均为印刷或刻蚀于基板上厚度一致的铜箔，其厚度为0.017mm。
所述折叠微带线4是为了使第一接地板2和第二接地板3形成共地结构，并且可以通过改变折叠微带线4的长度来控制天线间的隔离度，使得两个单元天线保持良好的隔离度。折叠微带微带线4具体尺寸参照图3所示，折叠微带线4是由六段宽度W6＝1mm微带线连接而成，具体尺寸参照图2所示，L6＝11.5mm，L7＝4mm，L8＝8mm，L9＝7mm，L10＝11.5mm。
所述带有矩形缺口的第一接地板2、第二接地板3的长度为W2＝12.5mm，宽度为L1＝8mm，矩形缺口的长度为L2＝2mm，宽度为W1＝1.5mm，接地板一直角与介质基板的直角重合，其一短边与馈线的边重合，矩形缺口位于馈线的正下方，其目的是通过矩形缺口有效改 善馈电端口的阻抗匹配。
所述第一馈线7、第二馈线8均是阻抗为50欧姆的微带线，且与50欧姆SMA接头相匹配；微带馈线长度L11＝8.8mm，宽度W7＝1.5mm。
所述第一辐射体9、第二辐射体10由两个长方形贴片构成，具体尺寸参照图3所示，L12＝3mm，L13＝5mm，W8＝3mm，W9＝3mm。
所述第一微带枝节11、第二微带枝节12是由三条不同长度和宽度的微带线构成的阶梯形微带枝节，具体尺寸参照图2所示，其中L3＝11mm，W3＝3mm，L4＝3mm，W4＝3mm，L5＝2mm，W5＝7mm。所述第一微带枝节11、第二微带枝节12可以使得单元天线达到更好的阻抗匹配，并且进一步拓展天线的带宽。
实际应用中，如图4所示，天线阵列的信号分别从第一馈电端口5、第二馈电端口6馈入。天线的S11和S22如图5所示，在2.9-14.8GHz这个频段，天线的回波损耗小于-10dB，同时天线的S21和S12参数如图6所示，S21和S12在整个工作频带内都小于-17dB，具有很好的隔离度，分集特性优良。
Claims (6)
1.一种小型化MIMO超宽带天线，包括介质基板，设于介质基板下层的第一接地板、第二接地板、第一微带枝节、第二微带枝节及折叠微带线，设于介质基板上层的第一馈电端口、第二馈电端口、第一馈线、第二馈线、第一辐射体及第二辐射体，其特征在于天线分为两个区域，每个区域均包含接地板、微带枝节、馈电端口、馈线及辐射体，形成一相对独立的单元天线；所述单元天线镜像对称且正交设置。
2.如权利要求1所述的一种小型化MIMO超宽带天线，其特征在于所述单元天线的接地板通过一折叠微带线相连接，形成共地结构。
3.如权利要求1所述的一种小型化MIMO超宽带天线，其特征在于所述馈线为一长条形金属贴片，其一端为馈电端口、位于介质基板的边，另一端连接一辐射体。
4.如权利要求1所述的一种小型化MIMO超宽带天线，其特征在于所述辐射体为两个正交设置且有部分重叠的矩形金属贴片构成，其中与馈线相接的矩形金属贴片的短边与馈线的边位于一条直线上，另一矩形金属贴片位于馈线所在直角的对角。
5.如权利要求1所述的一种小型化MIMO超宽带天线，其特征在于所述接地板为一带有矩形缺口的矩形金属地板，其一直角与介质基板的直角重合，其一短边与馈线的边重合，所述矩形缺口位于馈线的正下方。
6.如权利要求1所述的一种小型化MIMO超宽带天线，其特征在于所述接地板连接一微带枝节，所述微带枝节的形状为阶梯形。
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