CN106953168B - 一种平面毫米波mimo天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种平面毫米波MIMO天线，包括基板、激励端口、馈电过孔、短路金属过孔、地板菱形缝隙以及两个不同的辐射单元，分别为第一辐射单元和第二辐射单元；第一、二辐射单元印制在基板的正面，第一辐射单元为T形贴片单元，第二辐射单元为条形贴片单元，条形贴片单元分别置于T形贴片单元的竖直部分的两侧，T形贴片单元的水平部分的四周边缘上布置有多个短路金属过孔；激励端口由同轴接头直接馈电，蚀刻在基板的背面；馈电过孔用于连接同轴接头和第一辐射单元，位于第一辐射单元中；地板菱形缝隙蚀刻在基板的背面，通过其渐变的结构提高激励端口的隔离度。本发明天线独立可控、结构紧凑、特性好，同时实现了低互耦、宽带宽等特性。

Description

一种平面毫米波MIMO天线
技术领域
本发明涉及毫米波天线的技术领域，尤其是指一种宽带高隔离度的平面毫米波MIMO天线。
背景技术
毫米波指的是频率在30GHz-300GHz范围内的电磁波，其对应的波长范围为1mm-10mm。近年来，由于频谱资源拥挤的现状，以及对高速通信需求持续增长,毫米波领域已经成为国际电磁波频谱资源研究、开发和利用的一个极其活跃的领域，毫米波频段拥有着大量连续的频谱资源，为超高速宽带无线通信的实现提供了可能。
2010年，东南大学毫米波国家重点实验室提出发展我国毫米波近远程通信标准Q-LINKPAN(这里Q表示在40～50GHz的Q-波段，LINKPAN表示既可以支持短距高速覆盖(PAN)，也可支持远距高速传输(LINK))，并于同年开展研究。2012年9月IEEE802.11aj任务组(TG)正式成立。该标准主要由中国的企业和研究机构推动.包括59～64GHz和43.5～47GHz两个频段，其中IEEE802.1laj(45GHz)主要基于近程标准Q—LINKPAN—S。2013年12月，工信部分别发布40～50GHz频段固定业务中点对点无线接入***和移动业务中宽带无线接入***频率使用事宜的通知。短距离高速率通信(PAN)分配了5.9GHz(42.3GHz-47GHz，47.2GHz-48.4GHz)，频段中的移动业务规划用于宽带无线接入***，而远距离高速率通信(LINK)分配了3.6GHz(40.5GHz-42.3GHz，48.4GHz-50.2GHz)，频段中的固定业务规划用于点对点无线接入***。这些表明了我国的毫米波通信技术将会在Q-波段展开。
Q—LINKPAN或IEEE802.1laj(45GHz)的物理层传输拟采用多输入多输出MIMO技术(即多输入多输出技术)。该技术能在有限的频谱资源条件下，有效地提高无线通信***的容量和可靠性，也因此被广泛地应用到许多无线通信***中。毫米波频段在移动通信***中的使用，将允许基站上装载成百上千的天线，并能同时工作，因此这一关键技术也被称为“Massive MIMO”。我国毫米波通信技术的发展，既给毫米波天线设计提供机遇，同时也带来挑战。同时，随着移动智能终端的高速发展，应用于手机终端的毫米波天线的设计也将成为未来研究的热点和难点。
毫米波天线以及MIMO天线去耦合的研究和发明已经取得了一定的成果。随着毫米波无线通行的快速发展，许多研究的重点放在如何实现毫米波天线的宽带化上。在不少毫米波天线研究和发明设计中，SIW(基片集成波导)、多层PCB(印刷电路板)、LTCC(低温炭烧陶瓷)等技术被提及和使用。由于60GHz频段的免费开放，相当一部分发明的天线设计主要是应用于该频段，而应用在Q-波段的毫米波天线的发明，则相对少很多。在MIMO天线方面，小型化，宽带化天线的研究与设计也已经受到了重视。许多相关发明己提出多种用于提高小型MIMO天线单元间的隔离度的方法。而应用在Q-波段的小型MIMO天线设计的发明非常少。
Amer Hagras等人于2012年在IEEE Antennas and Propagation SocietyInternational Symposium发表题为“Low-mutual coupling antenna array formillimeter-wave MIMO applications”的文章，该天线工作在60GHz频段，采用介质谐振天线作为单元天线，蚀刻在地板上的槽缝用于“截断”表面电流，而两天线之间的金属带在天线工作时相当于一个谐振元件，这两个措施可以减小天线单元之间的互耦。
在现有的毫米波天线设计中，主要考虑如何增大阻抗带宽问题，以及考虑性能独立可控问题，少有考虑对天线进行MIMO的设计并研究如何减小天线单元间的互耦问题，而本发明采用一种渐变的隔离结构来减小不同天线辐射单元间的互耦。在阻抗匹配方面，还引入特殊的天线结构引入多个谐振模式，进而改善阻抗匹配，来达到宽阻抗带宽的目的。实现了二单元MIMO天线阵的宽带宽、隔离度高、可进行独立可控等特性。
发明内容
本发明的目的在于现有技术的不足与缺点，提出一种宽带高隔离度的平面毫米波MIMO天线，该天线独立可控、结构紧凑、特性好，同时实现了低互耦、宽带宽等特性，具有可控性能的终端MIMO天线***的设计要求，适合集成到通信终端设备***上。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种平面毫米波MIMO天线，包括基板、激励端口、馈电过孔、短路金属过孔、地板菱形缝隙以及两个不同的辐射单元，分别为第一辐射单元和第二辐射单元；所述第一辐射单元和第二辐射单元印制在基板的正面，该第一辐射单元为T形贴片单元，该第二辐射单元为条形贴片单元，所述条形贴片单元分别置于T形贴片单元的竖直部分的两侧，该T形贴片单元的水平部分的四周边缘上布置有多个短路金属过孔，上下两侧的短路金属过孔按预设距离排列，而左右两侧的短路金属过孔直接将第一辐射单元两侧短路；所述激励端口由同轴接头直接馈电，蚀刻在基板的背面；所述馈电过孔用于连接同轴接头和第一辐射单元，位于第一辐射单元中；所述地板菱形缝隙蚀刻在基板的背面，通过其渐变的结构提高激励端口的隔离度。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、与已有的MIMO天线阵比较，本发明引入两个不同的贴片单元，有效地增加了阻抗带宽，并实现了各个谐振点的独立可控。适当地调整贴片单元的尺寸以及不同贴片之间距离，就可以得到很好的阻抗带宽。
2、与已有的MIMO天线阵比较，本发明在基板的背面引入了地板菱形缝隙，其渐变的结构，可使得MIMO天线阵在很宽的频率范围内取得很好的隔离度。又因为短路金属过孔的加入，使得天线的能量主要集中在T型贴片单元和条形贴片单元内，所以在加入缝隙后，MIMO天线阵中单元天线的阻抗带宽能维持原有天线的特性，同时减小单元之间的耦合度。
3、与已有的毫米波MIMO天线阵比较，本发明具有更宽的阻抗带宽，较为简单的结构，适用于各种毫米波移动通信***设备中。
附图说明
图1为平面毫米波MIMO天线的正面示意图。
图2为平面毫米波MIMO天线的背面示意图。
图3为平面毫米波MIMO天线的S参数仿真结果图。
图4为二单元平面毫米波MIMO天线阵的正面示意图。
图5为二单元平面毫米波MIMO天线阵的背面示意图。
图6为二单元平面毫米波MIMO天线阵的S参数仿真结果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
参见图1和图2所示，本实施例所述的平面毫米波MIMO天线，包括基板7、激励端口5、馈电过孔2、短路金属过孔3、地板菱形缝隙6以及两个不同的辐射单元，分别为第一辐射单元1和第二辐射单元4；使用的基板材料为Rogers5880，厚度为0.508mm；所述第一辐射单元1和第二辐射单元2印制在基板7的正面，该第一辐射单元1为T形贴片单元，该第二辐射单元4为条形贴片单元，该第二辐射单元4分别置于第一辐射单元1的竖直部分的两侧；所述激励端口5由同轴接头直接馈电，蚀刻在基板7的背面；所述馈电过孔2用于连接同轴接头和第一辐射单元1，位于第一辐射单元1中；所述短路金属过孔3布置在第一辐射单元1的水平部分的四周边缘上，上下两侧的短路金属过孔3按一定距离排列，而左右两侧的短路金属过孔3直接将第一辐射单元1两侧短路；所述地板菱形缝隙6蚀刻在基板7的背面，通过其渐变的结构提高激励端口5的隔离度。以上设计通过贴片发挥的作用，可以使得天线的阻抗带宽非常宽，相对带宽达到18.8％(41.5—50.1GHz)。
参见图3所示，图中的第一个谐振点31主要由第一辐射单元1水平部分控制，调节第一辐射单元1水平部分的长度，以及上下两侧短路金属过孔3的位置，就可以移动谐振点31；第二个谐振点32由第一辐射单元1竖直部分产生，调节第一辐射单元1竖直部分的长度和宽度，就可以移动谐振点32；第三个谐振点33主要由第二辐射单元4控制，调节第二辐射单元4的尺寸，以及第一辐射单元竖直部分和水平部分的距离，可以移动谐振点33。
除此之外，由于上述的短路金属过孔3形成了一个较为封闭的结构，能抑制腔内能量的泄露，因此能量基本只能在第一辐射单元的未短路处，以及第二辐射单元4辐射出去，从而使得两个辐射单元之间相互独立，因此还可以减小两个辐射单元结构之间的互耦，使得图6中二单元平面毫米波MIMO天线阵的阻抗带宽(S11)与图3的接近，同时减小天线单元之间的耦合度(S21)。
在有限的空间中集成的天线数目越多，要得到高的隔离度就会越困难。而在已有的MIMO天线阵设计，主要致力于如何减小天线单元间的互耦问题，所以会在天线之间加入去耦的结构，本设计加入了地板菱形缝隙6，可以很好地提高激励端口5的隔离度。
通过以上分析可以知道，本发明既包含了增加带宽，改善阻抗匹配，提高隔离度的结构，还具有独立可调的性能。下面我们将图1和图2所示的平面毫米波天线应用于二单元平面的MIMO天线阵中进行具体说明。
图4和图5分别为二单元毫米波MIMO天线阵的正面图和背面图，从图1和图2提供的平面毫米波MIMO天线可知，图4、图5提供的二单元毫米波MIMO天线阵包含了两个天线单元以及两个激励端口5，激励端口5在基板7的两端，在两个天线单元中间，蚀刻了两个地板菱形缝隙，有效地减小了单元之间的互耦，从图6可知，此时S21在整个工作频段内都小于-25dB，比起没有缝隙的情况最大降低了5dB，而S11基本与单个天线时的情况一致，出现3个谐振点。
以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种平面毫米波MIMO天线，其特征在于：包括基板、激励端口、馈电过孔、短路金属过孔、地板菱形缝隙以及两个不同的辐射单元，分别为第一辐射单元和第二辐射单元；所述第一辐射单元和第二辐射单元印制在基板的正面，该第一辐射单元为T形贴片单元，该第二辐射单元为条形贴片单元，所述条形贴片单元分别置于T形贴片单元的竖直部分的两侧，该T形贴片单元的水平部分的四周边缘上布置有多个短路金属过孔，上下两侧的短路金属过孔按预设距离排列，而左右两侧的短路金属过孔直接将第一辐射单元两侧短路；所述激励端口由同轴接头直接馈电，蚀刻在基板的背面；所述馈电过孔用于连接激励端口和第一辐射单元，位于第一辐射单元中；所述平面毫米波MIMO天线组成MIMO天线阵，两两平面毫米波MIMO天线中间蚀刻了地板菱形缝隙，通过其渐变的结构提高激励端口的隔离度。
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