CN105680168B - 一种井字型贴片双端口馈电高隔离度平面天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种井字型贴片双端口馈电高隔离度平面天线，涉及无源器件中天线领域，本发明MIMO天线由天线单元、介质基板和接地板组成，天线单元中的辐射贴片为井字型，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，可以极大地减小占用空间，采用微带线使天线剖面较低且易于加工，本发明天线能够极大增加天线隔离度，具有稳定的极化分集特性，介质基板材料的生产技术成熟、器件质量较好、稳定性高且具有很高的机械强度，易于处理和清洗，因此本发明适于批量生产，有较大的实际应用价值。

Description

一种井字型贴片双端口馈电高隔离度平面天线
技术领域
本发明涉及无源器件中天线领域，尤其是MIMO天线。
背景技术
随着无线通信技术的不断发展,有限的无线资源面临着通信数据大***的困境,传统的技术已经无法满足数据传输速率和质量的要求。多输入多输出(Multiple-InputMultiple-Output MIMO)技术能在不增加带宽的情况下，成倍地提高通信***的容量和频谱利用率。并且已经被列为LTE(Long Term Evolution)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；Shuai Zhang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，没有极化分集特性。因此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，具有电尺寸小，隔离度高，具有极化分集功能和便于集成加工的特性。
本发明所设计的MIMO天线由四部分组成：1号天线单元，2号天线单元，正方形介质基板3和接地板4。
1号天线单元和2号天线单元均由一个T字型50欧姆端口馈电耦合线和辐射贴片1c组成，1号天线单元与2号天线单元的T字型50欧姆端口馈电耦合线尺寸完全相同，且共用辐射贴片1c，辐射贴片1c是一个边长为Lpatch的正方形贴片，其中Lpatch＝7.00±0.50mm，在辐射贴片1c每个顶点处开一个边长为s1的正方形缺口1d，在每个正方形缺口1d相隔距离s2处，开一个宽度为s3深度为s1的长方形缺口2d，其中s1＝1.2±0.05mm，s2＝1.80±0.05mm，s3＝1.50±0.05mm，且s1+s2＝3mm，在辐射贴片1c正中间，开一个边长为的正方形缺口，选取正方形辐射贴片1c的任意两个相邻边，将1号天线单元和2号天线单元的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，T字型50欧姆端口馈电耦合线与所选取的两个边之间的距离均为g，g的取值范围为0.08mm～0.10mm，即1号天线单元和2号天线单元的两条T字型50欧姆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。
1号天线单元和2号天线单元印刷在正方形介质基板3上，正方形介质基板3为相对介电常数为10，损耗角正切为0，厚度为h的蓝宝石单晶，h为1.6mm。
接地板4位于正方形介质基板3的下方，与正方形介质基板3相连。
本发明的有益效果是本发明设计的MIMO天线，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；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；本发明采用在辐射贴片中心挖去正方形和在四个边上挖去矩形的技术，能够极大增加天线隔离度，最大可以达到-40.04dB；本发明设计的天线具有稳定的极化分集特性；本发明的介质基板采用介电常数为10的蓝宝石单晶材料，这种材料的生产技术成熟、器件质量较好、稳定性高且具有很高的机械强度，易于处理和清洗，因此本发明适于批量生产，有较大的实际应用价值。
附图说明
图1是本发明天线的结构示意图，图1(a)图是天线的俯视图，图1(b)图是天线的背视图。
图2为天线的仿真S参数。
图3为天线的辐射方向图，图3(a)是天线XOY面的辐射方向图，图3(b)是天线YOZ面的辐射方向图。
图中1a-1号天线单元的T型馈电耦合线馈电部分，1b-1号天线单元的T型馈电耦合线耦合部分，1c-1号天线单元和2号天线单元共用的辐射贴片，1d-辐射贴片顶点所开的正方形缺口，2d-辐射贴片所开的长方形缺口，2a-2号天线单元的T型馈电耦合线馈电部分，2b-2号天线单元的T型馈电耦合线耦合部分，3-正方形介质基板。4-接地板，x，y-坐标轴，Lfeed-1号天线单元和2号天线单元的T型馈电耦合线耦合部分长度，Wfeed-1号天线单元和2号天线单元的T型馈电耦合线耦合部分宽度，Lport-1号天线单元和2号天线单元的T型馈电耦合线端口馈电部分长度，Wport-1号天线单元和2号天线单元的T型馈电耦合线端口馈电部分宽度，Lpatch-辐射贴片1c的边长，g-1号天线单元和2号天线单元的T型馈电耦合线和辐射贴片之间的距离，Lsub-正方形介质基板3的长度，Lcen-辐射贴片1c正中心所开的正方形缺口，s1-正方形1d的边长，s3-长方形2d的宽度，s2-正方形1d与长方形2d之间的相隔距离，Port1和Port2分别是1号天线单元和2号天线单元的馈电端口。
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：1号天线单元，2号天线单元，正方形介质基板3，接地板4，如图1所示，具体的尺寸参数如表1所示。
表1.附图中所示的结构参数如下表(单位：mm)。
表中的字母代表图中的几何尺寸参数，在图1中有标示。
Lfeed为1号天线单元和2号天线单元的T字型50欧姆端口馈电耦合线耦合部分长度，Wfeed为1号天线单元和2号天线单元的T字型50欧姆端口馈电耦合线耦合部分宽度，Lport为1号天线单元和2号天线单元的T字型50欧姆端口馈电耦合线端口馈电部分长度，Wport为1号天线单元和2号天线单元的T字型50欧姆端口馈电耦合线端口馈电部分宽度，Lpatch为辐射贴片1c的边长，g为1号天线单元和2号天线单元的T字型50欧姆端口馈电耦合线和辐射贴片之间的距离，Lsub为正方形介质基板3的长度，Lcen为辐射贴片1c正中心所开的正方形缺口，s1为正方形1d的边长，s3为长方形2d的宽度，s2为正方形1d与长方形2d之间的相隔距离，Port1和Port2分别是1号天线单元和2号天线单元的馈电端口。
具体的实施方法为：
1号天线单元由T字型50欧姆端口馈电耦合线(图1(b)中所示为1a，1b)和辐射贴片1c组成。1a是1号天线单元的T字型50欧姆端口馈电耦合线馈电部分，1b是1号天线单元的T字型50欧姆端口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1号天线单元的边长为Lpatch的正方形辐射贴片，Lpatch的取值范围为6.5mm～7.5mm，任意选取正方形辐射贴片的一个边，将1号天线单元的T字型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。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1号天线单元。
2号天线单元也是由T字型50欧姆端口馈电耦合线(图1(a)中所示为2a、2b)和辐射贴片1c组成，2a是2号天线单元的T字型50欧姆端口馈电耦合线馈电部分，2b是2号天线单元的T字型50欧姆端口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1号天线单元的T字型50欧姆端口馈电耦合线相邻的一条边，将2号天线单元的T字型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T字型50欧姆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。在辐射贴片1c上挖去的边长为Lcen的正方形具有提高两个天线单元隔离度的作用。
1号天线单元和2号天线单元，印刷在大小为Lsub*Lsub，相对介电常数为10，厚度为h，损耗角正切为0的蓝宝石单晶基板3上,Lsub的取值范围为13.00mm～15.00mm。材料稳定性好，机械强度高，易于处理和清洗。
正方形介质基板3下表面和接地板4相连。
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，附图中图2为天线的仿真回波损耗图，图3为MIMO天线辐射方向图。可以看出，本发明设计的MIMO天线具有高隔离度的特性，并且此天线具有极化分集的特性。从而验证本发明的可实施性。

Claims (1)

1.一种井字型贴片双端口馈电高隔离度平面天线，包括1号天线单元、2号天线单元、正方形介质基板(3)和接地板(4)，其特征在于：
1号天线单元和2号天线单元均由一个T字型50欧姆端口馈电耦合线和辐射贴片(1c)组成，1号天线单元与2号天线单元的T字型50欧姆端口馈电耦合线尺寸完全相同，且共用辐射贴片(1c)，辐射贴片(1c)是一个边长为Lpatch的正方形贴片，其中Lpatch＝7.00±0.50mm，在辐射贴片(1c)每个顶点处开一个边长为s1的正方形缺口(1d)，在每个正方形缺口(1d)相隔距离s2处，开一个宽度为s3深度为s1的长方形缺口(2d)，其中s1＝1.2±0.05mm，s2＝1.80±0.05mm，s3＝1.50±0.05mm，且s1+s2＝3mm，在辐射贴片(1c)正中间，开一个边长为的正方形缺口，选取正方形辐射贴片(1c)的任意两个相邻边，将1号天线单元和2号天线单元的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，T字型50欧姆端口馈电耦合线与所选取的两个边之间的距离均为g，g的取值范围为0.08mm～0.10mm，即1号天线单元和2号天线单元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；
1号天线单元和2号天线单元印刷在正方形介质基板(3)上，正方形介质基板(3)为相对介电常数为10，损耗角正切为0，厚度为h的蓝宝石单晶，h为1.6mm；
接地板(4)位于正方形介质基板(3)的下方，与正方形介质基板(3)相连。
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