CN108428998B - 应用于5g移动通信的毫米波介质谐振器mimo天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于天线零部件或与天线结合的装置技术领域，公开了一种应用于5G移动通信的毫米波介质谐振器MIMO天线，包括：辐射结构、馈电结构、去耦结构及介质基板。本发明的天线单元通过微带缝隙耦合馈电，去耦结构为通过PCB工艺蚀刻于天线单元上表面的金属条带。本发明的去耦结构可以通过扰乱一个天线单元从另一个天线单元耦合过来的位移电流来提高隔离度，去耦结构的存在并不会显著影响天线原本的阻抗匹配，不会占用两天线单元之间的空间。本发明通过引入PCB金属条带，扰乱天线单元从另一个天线单元耦合过来的位移电流，在不额外占用设计空间的情况下提高两端口之间的隔离度。

Description

应用于5G移动通信的毫米波介质谐振器MIMO天线
技术领域
本发明属于天线零部件或与天线结合的装置技术领域，尤其涉及一种应用于5G移动通信的毫米波介质谐振器MIMO天线。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：随着通信网络的日益发展以及4G技术的推广应用，移动用户对于更快的数据传输速率的需求愈发强烈。随着物联网的兴起，未来将会有巨大数量的终端接入移动通信网络，需要充足的频谱资源作为支持。传统的低于6GHz的频率资源已经逐渐枯竭，人们自然将目光聚焦到未被广泛开发利用毫米波频段。相较于工作于微波频段的天线，工作于毫米波频段的天线拥有更小的物理尺寸，更加容易集成到终端有限的空间中。在工作带宽和发射功率均不变的情况下，采用多输入多输出(MultipleInput Multiple Output，MIMO)***，相比于传统的单输入单输出(Single Input SingleOutput，SISO)***，其通信***的信道容量会大幅提高。在终端日益小型化的趋势下，留给天线的设计空间也越来越小。两个天线相距很近时会产生很强的互相耦合现象，在有限的设计空间内设计隔离度良好的MIMO天线成为了天线设计的一大挑战。为了解决移动终端MIMO天线隔离度差的问题，业界采用最普遍的做法是加大天线单元之间的间距，或者在两天线单元之间增加去耦结构，例如制作隔离带。这两种方法都需要占用较大的设计空间，往往越来越紧凑的布局不可能给天线设计留出太大的空间。
综上所述，现有技术存在的问题是：在移动终端小型化的趋势下，天线之间的距离越来越小，使得MIMO天线的隔离度变得很差。而业界普遍采用的去耦方法为增加天线单元之间的距离，或者在天线单元之间加隔离结构，这两种方法都增加了天线的设计空间，不符合终端小型化的趋势。
解决上述技术问题的难度和意义：在其他条件不变的情况下，MIMO天线之间的距离越小，那么其隔离度就变得越差。因此，解决上述技术问题的难度在于，如何在两MIMO天线相距很近且距离不变的情况下，增加MIMO天线之间的隔离度。解决上述技术问题的意义在于，在不增加MIMO天线之间的距离情况下提高天线的隔离度，既能减小天线占用的设计空间，又能提高MIMO天线的分集增益，从而提高通信***的信道容量。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种应用于5G移动通信的毫米波介质谐振器MIMO天线。
本发明是这样实现的，一种应用于5G移动通信的毫米波介质谐振器MIMO天线，所述应用于5G移动通信的毫米波介质谐振器MIMO天线设置有：
介质基板；
所述介质基板下层是馈电结构，馈电结构采用特性阻抗为50欧姆的微带线，其功能为从馈电端口向金属地板上的缝隙馈送RF信号；
所述介质基板的上层是金属地板，所述金属地板开有两个关于X轴对称的缝隙，其功能为通过微带缝隙耦合馈电激励其正上方的矩形介质谐振器；
所述金属地板的上层是辐射结构，辐射结构采用两个相同的、关于X轴对称的矩形介质谐振器，其功能为向自由空间辐射电磁信号；
所述辐射结构的上层是去耦结构，去耦结构采用通过PCB工艺蚀刻的金属条带，两条金属条带分别蚀刻于作为辐射结构的两个介质谐振器上表面，其功能为：通过扰乱一个天线单元从另一个天线单元耦合过来的位移电流，在不额外占用设计空间的情况下提高两端口之间的隔离度。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：在不显著影响一个天线单元的性能参数下，通过引入PCB金属条带，扰乱该天线单元从另一个天线单元耦合过来的位移电流，在不额外占用设计空间的情况下提高两端口之间的隔离度。如图3所示，未去耦天线的隔离度最低只有-16dB左右，而通过引入金属条带，去耦后的天线隔离度最低达到-24dB左右，隔离度提高了约8dB。
附图说明
图1是本发明实施例提供的应用于5G移动通信的毫米波介质谐振器MIMO天线结构示意图；
图中：1、第一矩形介质谐振器；2、第二矩形介质谐振器；3、介质基板；4、第一微带线；5、第二微带线；6、第一馈电端口；7、第二馈电端口；8、金属地板；9、第一缝隙；10、第二缝隙；11、第一金属条带；12、第二金属条带。
图2是本发明实施例提供的反射系数特性曲线示意图。
图3是本发明实施例以及未去耦天线提供的工作在28GHz频段(27.50GHz-28.35GHz)下的隔离度特性曲线对比示意图。
图4是本发明实施例提供的工作在28GHz频点的XOY面归一化辐射方向示意图。
图5是本发明实施例提供的工作在28GHz频点的XOZ面归一化辐射方向示意图。
图6是本发明实施例提供的工作在28GHz频点的YOZ面归一化辐射方向示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供的应用于5G移动通信的毫米波介质谐振器MIMO天线包括辐射结构、馈电结构、去耦结构和介质基板；辐射结构采用两个矩形介质谐振器；馈电结构采用二端口微带缝隙耦合馈电；去耦结构采用蚀刻于矩形介质谐振器上表面的金属条带，金属条带的长边平行于矩形介质谐振器的长边，且以一定距离偏离矩形介质谐振器的几何中心。
如图1所示，本发明实施例提供的应用于5G移动通信的毫米波介质谐振器MIMO天线包括：辐射结构、馈电结构、去耦结构和介质基板3；位于介质基板3下层的是馈电结构是两条成镜像对称第一微带线4、第二微带线5，第一馈电端口6、第二馈电端口7分别位于介质基板3的两侧；位于介质基板3上层的是金属地板8，在金属地板8上开有两个成镜像对称的第一缝隙9、第二缝隙10。位于金属地板8上层的是作为辐射结构的第一矩形介质谐振器1、第二矩形介质谐振器2，第一矩形介质谐振器1、第二矩形介质谐振器2分别位于第一缝隙9、第二缝隙10的正上方。位于第一矩形介质谐振器1、第二矩形介质谐振器2的上表面的是作为去耦结构第一金属条带11、第二金属条带12，第一金属条带11、第二金属条带12通过PCB工艺分别蚀刻于第一矩形介质谐振器1、第二矩形介质谐振器2的上表面，第一金属条带11、第二金属条带12的长边平行于第一矩形介质谐振器1、第二矩形介质谐振器2的长边，且以一定距离偏离第一矩形介质谐振器1、第二矩形介质谐振器2的几何中心。
本发明中介质基板3采用相对介电常数为2.2的罗杰斯5880材料，其损耗正切仅为0.0009，基板厚度为0.254mm，长度和宽度均为20mm。用于馈电的第一微带线4、第二微带线5的特性阻抗为50Ω，在本发明实例中的宽度均为0.7mm。第一缝隙9、第二缝隙10的长度均为2.7mm，宽度均为0.6mm；其中第一缝隙9的上边缘距离金属地板8的上边缘4.7mm，其左边缘距离金属地板8的左边缘4.25mm，第二缝隙10与第一缝隙9关于X轴镜像对称。位于第一缝隙9、第二缝隙10正上方的第一矩形介质谐振器1、第二矩形介质谐振器2的长度均为9.5mm，宽度均为7.5mm，高度均为2.5mm，且第一矩形介质谐振器1、第二矩形介质谐振器2下底面的几何中心分别与第一缝隙9、第二缝隙10的几何中心重合，两矩形介质谐振器相邻面之间的距离仅为1.3mm。作为去耦结构的第一金属条带11、第二金属条带12通过PCB工艺分别蚀刻于第一矩形介质谐振器1、第二矩形介质谐振器2的上表面，长度均为7.5mm，宽度均为1.2mm；其中第一金属条带11的长边平行于第一矩形介质谐振器1的长边，且其几何中心距离第一矩形介质谐振器1上表面的几何中心2.5mm，第二金属条带12与第一金属条带11关于X轴镜像对称。
图2、图3分别为本发明具体实施例的反射系数和隔离度特性曲线示意图。从图2可以看出，本发明具体实施例的工作频带(反射系数小于-10dB)为27.15GHz-28.59GHz，工作带宽为1.44GHz，覆盖5G通信毫米波段的工作频带(27.50GHz-28.35GHz)。从图3可以看出，本发明具体实施例在工作频段内两端口的隔离度优于-24dB，最优可达-28dB，良好的端口隔离度可为MIMO通信提供更大的分集增益。
图4、图5、图6分别为本发明具体实施例的XOY、XOZ、YOZ面的归一化方向图。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种应用于5G移动通信的毫米波介质谐振器MIMO天线，其特征在于，所述应用于5G移动通信的毫米波介质谐振器MIMO天线设置有：
介质基板；
所述介质基板下层是馈电结构；所述介质基板的上层是金属地板；
所述金属地板的上层是辐射结构；
去耦结构的两条金属条带通过PCB工艺分别蚀刻于作为辐射结构的介质谐振器上表面；
所述介质基板下层的是用于馈电的微带线，所述介质基板上层的是金属地板；
所述金属地板上开有两条镜像对称的缝隙，两个相同的介质谐振器分别位于两条缝隙的正上方，作为去耦结构的两条金属条带通过PCB工艺分别蚀刻于两个介质谐振器的上表面。
2.如权利要求1所述的应用于5G移动通信的毫米波介质谐振器MIMO天线，其特征在于，用于馈电的微带线，特性阻抗为50欧姆。
3.如权利要求1所述的应用于5G移动通信的毫米波介质谐振器MIMO天线，其特征在于，作为去耦结构的两条金属条带通过PCB工艺分别蚀刻于两个介质谐振器天线单元的上表面，几何中心与介质谐振器上表面的几何中心相距2.5毫米。
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