CN106099365A - 低耦合度超宽频带mimo天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种低耦合度超宽频带MIMO天线，涉及一种MIMO天线领域，对常用的中间线结构进行变形来实现超宽频带内的去耦合，中间线结构为中间是正方形贴片，正方形贴片和微带线平行的两边分别伸出一条L型金属臂与圆形印刷单极子辐射贴片相连，本发明由于去耦合结构被放置在两个天线单元之间，因此整个MIMO***的尺寸较小，去耦合结构的加入，有效提高了频带的隔离度；圆形印刷单极子辐射贴片，变形后的中间线结构，50欧姆微带线都采用印刷结构，介质基板采用介电常数为4.4的FR4，作为PCB板最常见的板材，价格低廉，易于购买，所以，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。

Description

低耦合度超宽频带MIMO天线
技术领域
本发明涉及一种MIMO天线领域，尤其是超宽频带天线。
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，随着无线通信技术的发展，高质量和高数据传输速率的需求增加了。多输入多输出技术被认为是最有希望来达到这一目标的，MIMO的特点是在发射机或者接收机中拥有多个天线，利用多路径属性来提高传输质量和***容量。为了使MIMO***具有较好的性能，发射机或者接收机中的天线单元之间是不相关的(耦合较低)，然而，便携式设备中集成多个宽带天线而耦合度较低仍然是一个比较棘手的问题。
近年来，一些技术已经被提出用来降低UWB MIMO***中天线单元之间的隔离度，比如可以通过在印刷单极子背面加载不同形式的寄生结构，实现了超宽频带内的去耦合，也可以通过加载双层EBG(electromagnetic band-gap)提高超宽频带内的隔离度，中间线技术被认为是比较有前途的去耦合技术之一，因为其需要的尺寸较小，也不需要对地板进行修正，然而，该技术通常只能实现较窄频带内的去耦合。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明旨在对常用的中间线结构进行适当变形，以此来实现超宽频带内的去耦合，使得可以在便携式设备中集成多个宽带天线，且多个天线之间的相互影响较低。
本发明所设计的低耦合度超宽频带MIMO天线包括两个相同尺寸且具有超宽带辐射特性的圆形印刷单极子辐射贴片、中间线结构、长方体介质板、50欧姆微带线、地板以及50欧姆SMA接头。
所述的两个圆形印刷单极子辐射贴片与中间线结构位于长方体介质板的一面；地板位于长方体介质板的另一面，地板与50欧姆微带线通过50欧姆SMA接头连接，50欧姆SMA接头由内芯和四个引脚组成，将50欧姆SMA接头中任意两个引脚剪掉，50欧姆SMA接头的内芯和50欧姆微带线焊接，50欧姆SMA接头剩余两个引脚和地板焊接，即50欧姆SMA接头的外导体与地板连接，内导体与50欧姆微带线连接，50欧姆微带线的另一端与圆形印刷单极子辐射贴片相连接，50欧姆微带线垂直于介质 板下沿，与中间线结构中的正方形贴片平行。
所述的中间线结构为：中间是正方形贴片，正方形贴片和微带线平行的两边分别伸出一条L型金属臂与圆形印刷单极子辐射贴片相连，该中间线结构与圆形印刷单极子辐射贴片共面，正方形贴片的中心位于两个圆形印刷单极子辐射贴片的对称线上，对称线为两个圆形印刷单极子辐射贴片圆心连线的中垂线，整个中间线结构关于两个圆形印刷单极子辐射贴片的对称线对称。
所述的圆形印刷单极子辐射贴片、中间线结构和50欧姆微带线都采用印刷结构，三者的介质基板均采用介电常数为4.4的FR4。
本发明有益效果是由于去耦合结构被放置在两个天线单元之间，因此，整个MIMO***的尺寸较小，去耦合结构的加入，有效提高了频带3.1GHz～5GHz内的隔离度；圆形印刷单极子辐射贴片，变形后的中间线结构，50欧姆微带线都采用印刷结构，介质基板采用介电常数为4.4的FR4，这种材料是作为PCB板最常见的板材，价格低廉，易于购买，所以，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为本发明低耦合度超宽频带MIMO天线的结构示意图，图1(a)为天线正面结构图，图1(b)为天线反面结构图，其中图中1为圆形印刷单极子辐射贴片，2为中间线结构，3为50欧姆微带。
图2为本发明无中间线结构时的S参数仿真结果图。
图3为本发明加载中间线结构后的S参数仿真结果图。
图4为本发明MIMO天线的远场辐射方向图，其中图4(a)为3.4GHz的远场方向图，图4(b)4GHz的远场方向图，图4(c)4.7GHz的远场方向图。
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。
为了解决超宽频带MIMO天线***的耦合问题，降低天线单元之间的相关性，我们需要加载一定的去耦合结构来提高MIMO***天线单元之间的耦合度。
本发明所设计的低耦合度超宽频带MIMO天线由两个相同尺寸且具有超宽带辐射特性的圆形印刷单极子辐射贴片、中间线结构、长方体介质板、50欧姆微带线、地板以及50欧姆SMA接头组成。
所述的中间线结构为：中间是正方形贴片，正方形贴片左右两边分别伸出一条金属臂与圆形印刷单极子辐射贴片相连，该中间线结构与圆形印刷单极子辐射贴片共面，正方形贴片的中心位于两个圆形印刷单极子辐射贴片的对称线上，对称线为两个圆形印刷单极子辐射贴片圆心连线的中垂线，整个中间线结构关于两个圆形印刷单极子辐射贴片的对称线对称。
中间线结构通过与辐射贴片直接连接来实现去耦合的目的。中间线结构去耦合的原理是：通过引入额外的一条路径使得该路径上的电流与直接耦合到天线上的电流反向，这样会抵消直接耦合到天线上的部分电流，从而减小了耦合。
两个圆形印刷单极子辐射贴片与中间线结构位于长方体介质板的一面；地板位于长方体介质板的另一面，地板与50欧姆微带线通过50欧姆SMA接头连接，50欧姆SMA接头由内芯和四个引脚组成，将50欧姆SMA接头中任意两个引脚剪掉，50欧姆SMA接头的内芯和50欧姆微带线焊接，50欧姆SMA接头剩余两个引脚和地板焊接，即50欧姆SMA接头的外导体与地板连接，内导体与50欧姆微带线连接，50欧姆微带线的另一端与圆形印刷单极子辐射贴片相连接。
圆形印刷单极子辐射贴片、变形后的中间线结构和50欧姆微带线都采用印刷结构，三者的介质基板均采用介电常数为4.4的FR4。
如图1所示，图1中的1为圆形印刷单极子辐射贴片，2为中间线结构，3为50欧姆微带线，圆形印刷单极子辐射贴片、中间线结构和50欧姆微带线都印刷在介电常数为4.4，厚度为0.8mm的FR4板子上。中间线结构是通过与辐射贴片直接连接来实现去耦合的目的，中间线结构的正方形金属贴片与左右两边L型金属壁不对称连接，提供多条不同长度的电流路径来抵消天线单元之间的直接耦合，实现较宽频带内的去耦合。
具体实施方法为：
选长35mm，宽33mm，高0.8mm的介质板，介质板材料为FR4，在介质板上表面下沿，距离介质板左边界9.7mm处选为端口1，在介质板上表面下沿，距离介质板右边界9.7mm处选为端口2，从端口1和端口2处各开一个宽度为1mm，长度为24.8mm的矩形，矩形位于介质板的上表面；在距离介质板上表面下沿24.8mm，距离介质板左边界和右边界9.7mm处两个点为圆心，各画一个半径为6.7mm的圆，两个半径为6.7mm的圆即是本发明所述的两个相同尺寸且具有超宽带辐射特性的圆形印刷单极子辐射贴 片的尺寸，宽度为1mm，长度为24.8mm的矩形为本发明所述的微带线尺寸。
中间线结构通过与圆形印刷单极子辐射贴片直接相连实现去耦合，中间线结构由一个正方形贴片和两个L型金属壁组成，正方形贴片的中心位于距离介质板上表面左边界17.5mm，距离上表面下边界8.7mm处，正方形的边长为5.8mm，在正方形贴片近微带线方向的两边距离下沿8.7mm的点，分别向微带线方向伸出一个宽度为1.2mm长度为3.4mm的矩形，在两个矩形远离正方形并接近圆形印刷单极子辐射贴片的顶点处，分别向圆形印刷单极子辐射贴片方向伸出一个接近正方形方向宽度为1.2mm的矩形，直至与圆形印刷单极子辐射贴片连接。
地板使用35*17mm2的覆铜板，与50欧姆SMA接头的外导体直接相连，50欧姆SMA接头的内导体与50欧姆的微带线相连。
图1(a)为本发明所述的介质板上表面，图中圆形为本发明所述的两个相同尺寸且具有超宽带辐射特性的圆形印刷单极子辐射贴片，两个圆形下方的两个矩形均为本发明所述的微带线，正方形及左右两侧的L型拐角共同组成本发明所述的中间线结构，图1(b)为本发明所述的介质板下表面。
图4(a)、图4(b)、图4(c)为用仿真软件HFSS对整个天线***进行仿真后的远场辐射方向图，其中图4(a)为3.4GHz的远场方向图，图4(b)4GHz的远场方向图，图4(c)4.7GHz的远场方向图。
用电磁仿真软件HFSS对上述天线结构进行仿真验证。图3给出了加载去耦合结构后的S参数仿真结果图。从图中可以看出，本文设计的天线结构在频带3.1GHz～5GHz内的耦合度都低于-17dB，在3.3GHz～5GHz内的耦合度更是低于-20dB。作为对比，图2中也给出了没有中间线结构时的仿真结果图，可以发现，该去耦合结构有效降低了工作频带的耦合度。从图中我们也可以发现，该结构的加入使得天线的工作带宽变窄。这主要是因为当天线单元之间的耦合度较高时，导致反射系数较低。此外，由于正方形金属贴片位于地板上方，这两者就相当于平行板电容。去耦合结构与天线的辐射贴片直接相连，所以去耦合结构会增大天线的品质因数，导致天线的工作带宽变窄。不论如何，本文设计的UWB MIMO天线依然覆盖了UWB***的低频段3.1GHz～5GHz。

Claims (1)

1.一种低耦合度超宽频带MIMO天线，包括两个相同尺寸且具有超宽带辐射特性的圆形印刷单极子辐射贴片、中间线结构、长方体介质板、50欧姆微带线、地板以及50欧姆SMA接头，其特征在于：
所述的两个圆形印刷单极子辐射贴片与中间线结构位于长方体介质板的一面；地板位于长方体介质板的另一面，地板与50欧姆微带线通过50欧姆SMA接头连接，50欧姆SMA接头由内芯和四个引脚组成，将50欧姆SMA接头中任意两个引脚剪掉，50欧姆SMA接头的内芯和50欧姆微带线焊接，50欧姆SMA接头剩余两个引脚和地板焊接，即50欧姆SMA接头的外导体与地板连接，内导体与50欧姆微带线连接，50欧姆微带线的另一端与圆形印刷单极子辐射贴片相连接，50欧姆微带线垂直于介质板下沿，与中间线结构中的正方形贴片平行；
所述的中间线结构为：中间是正方形贴片，正方形贴片和微带线平行的两边分别伸出一条L型金属臂与圆形印刷单极子辐射贴片相连，该中间线结构与圆形印刷单极子辐射贴片共面，正方形贴片的中心位于两个圆形印刷单极子辐射贴片的对称线上，对称线为两个圆形印刷单极子辐射贴片圆心连线的中垂线，整个中间线结构关于两个圆形印刷单极子辐射贴片的对称线对称；
所述的圆形印刷单极子辐射贴片、中间线结构和50欧姆微带线都采用印刷结构，三者的介质基板均采用介电常数为4.4的FR4。
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