CN105356055A - 缝隙耦合馈电高隔离度极化分集mimo天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种缝隙耦合馈电高隔离度极化分集MIMO天线，包括天线单元、介质基板3和带缺陷地结构的接地板，设计出的天线具有极化正交分集特性，适用于手机终端的高隔离度MIMO天线，电尺寸小，隔离度高，具有极化分集功能，制作成本低，可批量生产，便于集成加工，具有较大的实际应用价值。

Description

缝隙耦合馈电高隔离度极化分集MIMO天线
技术领域
本发明涉及一种馈电天线，尤其是MIMO天线的技术领域。
背景技术
随着无线通信技术的迅速发展，人们对无线终端的依赖性越来越强，传统的技术已经无法满足数据传输速率和质量的要求。在多径环境中，多输入多输出MIMO(Multiple-InputMultiple-Output)技术能够在不增加工作带宽与发射功率的前提下，提高无线信道的通信质量和容量，并且已经被列为LTE(LongTermEvolution)的核心技术之一。
国内外学者对MIMO天线做出了很多研究，例如：Y.Gao等人设计了一个中心频率工作在5.2GHz，应用于WLAN，具有极小地板的两单元MIMO天线***，经过修正，将两个天线之间耦合度降到-28dB以下；ShuaiZhang等人提出一种针对PIFA天线的去耦合技术，利用一种T型缝隙阻抗变换器，可以将单频以及双频工作的MIMO天线之间的耦合度得到有效地降低。但是以上的天线都具有天线体积较大的缺点，不利于当前器件小型化的需求，另外，天线单元的隔离度也相对较低，干扰较大，同时没有极化分集特性。如何设计出具有分集特性的小型化的高隔离度MIMO天线就成了我们研究的方向。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明设计出具有极化正交分集特性的适用于手机终端的高隔离度MIMO天线，具有以下特性：电尺寸小，隔离度高，具有极化分集功能和便于集成加工。
本发明的MIMO天线由四部分组成：天线单元1，天线单元2，介质基板3和带缺陷地结构的接地板4。
所述的天线单元1由一个“T”字型50欧姆端口馈电耦合线和正方形辐射贴片1c组成，所述的天线单元2同样是由一个“T”字型50欧姆端口馈电耦合线和正方形辐射贴片1c组成，并且天线单元1与天线单元2的50欧姆端口馈电耦合线尺寸完全相同，天线单元1和天线单元2共用一个正方形辐射贴片1c，选取正方形辐射贴片1c的任意两个相邻边，将天线单元1和天线单元2的“T”字型50欧姆端口馈电耦合线与所选取的两个边分别平行放置，距离均为g,即天线单元1和天线单元2的两条端口馈电耦合线分别平行于正方形辐射贴片1c所选取的两个边且相互垂直，正方形辐射贴片1c上无端口馈电耦合线的两个边组成的角上有一个边长为Lang的正方形切角1e，Lang的取值范围为0.35mm～0.45mm，在距离正方形辐射贴片1c正中心位置Lslot/2处挖一个边长为Lslot，宽度为W的缝隙正方形环1d，Lslot的取值范围为4.50mm～4.90mm，W的取值范围为0.15mm～0.25mm。
天线单元1和天线单元2印刷在所述的正方形介质基板3上，正方形介质基板3采用相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02，厚度为h的聚四氟乙烯材料，h的取值范围为1.5mm～1.7mm。
所述的带缺陷地结构的接地板4位于正方形介质基板3的下方，在带缺陷地结构的接地板4的正中心挖去一个边长为Lgndpx的正方形槽4a，Lgndpx的取值范围为2.2mm～2.4mm。
本发明的有益效果在于所设计的MIMO天线，有如下特点：
(1)两个天线单元具有T型馈电耦合线端口互相垂直，辐射贴片共用的特征，使天线电尺寸极大缩小，在手机等移动终端的应用中，小尺寸可以极大地减小占用空间；
(2)本发明的耦合馈电线及以及辐射单元均采用微带线，使天线剖面较低，且易于加工。
(3)本发明采用在辐射贴片中心挖正方形缝隙和在辐射贴片边缘角切正方形角技术，能够极大增加天线隔离度，最大可以达到-35.92dB。
(4)本发明设计的天线具有稳定的极化分集特性，在两个天线单元共用辐射贴片的情况下，两个天线单元具有线极化正交分集的特性。
(5)本发明的介质基板采用介电常数为4.4的聚四氟乙烯材料，价格低廉，易于购买。
综上所述，本发明制作成本低，易于加工，可批量生产，具有较大的实际应用价值。
附图说明
图1是本发明所设计天线的结构示意图。图1(a)是MIMO天线的俯视图，图1(b)是MIMO天线的背视图。
图2为本发明天线的仿真S参数。
图3为本发明天线的辐射方向图特性，其中图3(a)为xoz方向辐射方向图，图3(b)为yoz方向辐射方向图。
图中1a-天线单元1的T型馈电耦合线馈电部分，1b-天线单元1的T型馈电耦合线耦合部分，1c-两天线单元正方形辐射贴片，1d-正方形辐射贴片开的正方形缝隙环，1e-正方形辐射贴片上无端口馈电耦合线的两个边组成的角，2a-天线单元2的T型馈电耦合线馈电部分，2b-天线单元2的T型馈电耦合线耦合部分，3-聚四氟乙烯介质基板，4-地板，4a-地板中心开口正方形槽，Lfeed-天线单元1和天线单元2的T型馈电耦合线耦合部分长度，Wfeed-天线单元1和天线单元2的T型馈电耦合线耦合部分宽度，Lport-天线单元1和天线单元2的T型馈电耦合线端口馈电部分长度，Wport-天线单元1和天线单元2的T型馈电耦合线端口馈电部分宽度，Lpatch-天线单元1和天线单元2共用的正方形辐射贴片1c的边长，Lslot-正方形辐射贴片开的正方形缝隙环的边长，W-正方形辐射贴片开的正方形缝隙环宽度，Lang-正方形辐射贴片正方形切角1e的边长，g-天线单元1和天线单元2的T型馈电耦合线和辐射贴片之间的距离，Lgndpx-地板中心开口正方形槽长度，Lsub-正方形介质基板的长度，x,y,z-坐标轴。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明所设计的MIMO天线由四部分组成：天线单元1，天线单元2，介质基板3和带缺陷地结构的接地板4，如图1所示，图1中所示的结构参数如下表，单位为mm，具体的尺寸参数如表1所示：
变量 数值 变量 数值
Lgndpx 2.30±0.10 Lfeed 9.80±0.10
Lsub 14.00±1.00 Wport 0.80±0.05
Lpatch 10.30±0.50 Lport 1.21±0.05
Wfeed 0.80±0.05 Lslot 4.70±0.20
Lang 0.40±0.05 g 0.09±0.01
W 0.20±0.05
表1
表1中的字母代表图1中的几何尺寸参数，在图1中有对应的标示。
Lsub代表此MIMO天线介质基板的长度，Lfeed代表天线单元1和天线单元2的T型馈电耦合线耦合部分长度，Wfeed代表天线单元1和天线单元2的T型馈电耦合线耦合部分宽度，Lport代表天线单元1和天线单元2的T型馈电耦合线端口馈电部分长度，Wport代表天线单元1和天线单元2的T型馈电耦合线端口馈电部分宽度，Lpatch代表正方形辐射贴片的长度，Lslot代表正方形辐射贴片开的正方形缝隙环的边长，W代表正方形辐射贴片开的正方形缝隙环宽度，Lang代表辐射贴片正方形切角边长，g代表天线单元1和天线单元2的T型馈电耦合线和辐射贴片之间的距离，Lgndpx代表地板中心开口正方形槽长度。
天线单元1由50欧姆端口馈电耦合线(图1(a)中所示为1a,1b)和辐射贴片(图1(a)中所示为1c)组成。1a是天线单元1的50欧姆T型馈电耦合线馈电部分，1b是天线单元1的T型馈电耦合线耦合部分，1a,1b垂直放置组成了T型的馈电线。1c是天线单元1的边长为Lpatch的正方形辐射贴片，Lpatch的取值范围为9.8mm～10.8mm，任意选取正方形辐射贴片的一个边，将天线单元1的50欧姆端口馈电耦合线与所选取的边平行放置，距离为g，g的取值范围为0.08mm～0.10mm。在距离正方形辐射贴片1c正中心位置Lslot/2处挖一个长度为Lslot，宽度为W的缝隙正方形环1d,Lslot的取值范围为4.50mm～4.90mm，W的取值范围为0.15mm～0.25mm。能量通过1b耦合到辐射贴片1c部分进行辐射。1a,1b,1c这三个部分组成了天线单元1。
天线单元2也是由50欧姆端口馈电耦合线(图1(a)中所示为2a,2b)和辐射贴片(图1(a)中所示为1c)组成，2a是天线单元2的50欧姆T型馈电耦合线馈电部分，2b是天线单元2的T型馈电耦合线耦合部分，2a,2b垂直放置组成了T型的馈电线。两个天线单元共用同一个辐射贴片1c，能够极大缩小天线尺寸，实现小型化的目的，另外，选取正方形辐射贴片与天线单元1的50欧姆端口馈电耦合线相邻的一条边，将天线单元2的50欧姆端口馈电耦合线与所选取的边平行放置，距离也为g。g的取值范围为0.08mm～0.10mm。这样两天线单元的端口馈电耦合线也相互垂直，从而使天线具有正交分集特性。在正方形辐射贴片1c无端口馈电耦合线的两个边组成的角上，切去边长为Lang的正方形角1e，Lang的取值范围为0.35mm～0.45mm。以上在辐射贴片1c上挖去的正方形缝隙环1d和切角1e都具有提高两个天线单元隔离度的作用。
天线单元1和天线单元2，印刷在大小为Lsub*Lsub，相对介电常数为4.4，厚度为h，损耗角正切为0.02的聚四氟乙烯介质基板3上,h的取值范围为1.5mm～1.7mm，Lsub的取值范围为13.00mm～15.00mm，材料特性较好，便于加工，生产成本较低。
介质基板3下表面和接地板4相连。
天线接地板4的结构如图1(b)所示。在天线的接地板4正中心挖去边长为Lgndpx的正方形槽4a，Lgndpx的取值范围为2.20mm～2.40mm，该正方形槽4a可以有效地减小两个天线在地板上相互耦合的表面电流，从而有效地减小端口耦合度，从而减小两个天线的空间耦合程度，最终提高两个天线的端口隔离度。
用电磁仿真软件HFSS对天线模型进行仿真优化，确定尺寸参数，得到天线的回波损耗曲线，图2为天线的仿真回波损耗图，图3(a)为MIMO天线xoz辐射方向图，图3(b)为MIMO天线yoz辐射方向图。可以看出，本发明设计的MIMO天线具有极化分集的特性，并且此天线具有高隔离度的特性。从而验证本发明的可实施性。

Claims (1)

1.一种缝隙耦合馈电高隔离度极化分集MIMO天线，包括天线单元1，天线单元2，介质基板3和带缺陷地结构的接地板4，其特征在于：
所述的天线单元1由一个“T”字型50欧姆端口馈电耦合线和正方形辐射贴片1c组成，所述的天线单元2同样是由一个“T”字型50欧姆端口馈电耦合线和正方形辐射贴片1c组成，并且天线单元1与天线单元2的50欧姆端口馈电耦合线尺寸完全相同，天线单元1和天线单元2共用一个正方形辐射贴片1c，选取正方形辐射贴片1c的任意两个相邻边，将天线单元1和天线单元2的“T”字型50欧姆端口馈电耦合线与所选取的两个边分别平行放置，距离均为g,即天线单元1和天线单元2的两条端口馈电耦合线分别平行于正方形辐射贴片1c所选取的两个边且相互垂直，正方形辐射贴片1c上无端口馈电耦合线的两个边组成的角上有一个边长为Lang的正方形切角1e，Lang的取值范围为0.35mm～0.45mm，在距离正方形辐射贴片1c正中心位置Lslot/2处挖一个边长为Lslot，宽度为W的缝隙正方形环1d，Lslot的取值范围为4.50mm～4.90mm，W的取值范围为0.15mm～0.25mm；
天线单元1和天线单元2印刷在所述的正方形介质基板3上，正方形介质基板3采用相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02，厚度为h的聚四氟乙烯材料，h的取值范围为1.5mm～1.7mm；
所述的带缺陷地结构的接地板4位于正方形介质基板3的下方，在带缺陷地结构的接地板4的正中心挖去一个边长为Lgndpx的正方形槽4a，Lgndpx的取值范围为2.2mm～2.4mm。
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