CN108448234B - 基于复合左右手传输线结构的三频段mimo终端天线 - Google Patents

基于复合左右手传输线结构的三频段mimo终端天线 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于复合左右手传输线结构的三频段MIMO终端天线，用以解决现有平面金属贴片结构天线电尺寸较大的技术问题，包括第一介质板(1)、第二介质板(2)、金属地板(3)、复合左右手传输线结构(4)和馈电线(5)；第一介质板(1)下表面印制有金属地板(3)，上表面印制有馈电线(5)的输出端相连。第二介质板(2)采用由固定在第一介质板(1)四个侧棱上的四块长方形介质板拼接而成的环形结构，其中每块长方形介质板上各印制有两个复合左右手传输线结构(4)；复合左右手传输线结构(4)的输出端与与金属地板(3)相连，输入端与馈电线(5)的输出端相连。

Description

基于复合左右手传输线结构的三频段MIMO终端天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种三频段MIMO移动终端天线，具体涉及一种基于复合左右手传输线结构的三频段MIMO移动终端天线，可用于移动终端(1490～1710MHz、3300～3600MHz和4800～5000MHz)信号的接收与发射。
背景技术
第五代移动通信***作为未来移动通信的必然趋势，其频率划分被广泛预测。中国工信部在发布的《关于第五代移动通信***使用3300～3600MHz和4800～5000MHz频段相关事宜的通知》中，将3300～3600MHz和4800～5000MHz作为未来第五代移动通信***的预测频段，且第五代一定通信***还有可能会涉及到毫米波频段和低于3000MHz频段，例如1490～1710MHz。除此之外，多输入多输出MIMO技术作为未来第五代移动通信***中公认的关键技术被应用于设计移动终端天线，其目的在于提升信道容量和数据传输速率。由于移动终端需要在有限的空间内安装多个天线单元实现数据在多频段的高速传输，因此天线单元的小型化、多频段和天线单元之间良好的隔离度特性就成为重要的参考指标。
对于第五代移动通信***终端MIMO天线单元结构的设计大体可以分为两种思路，第一种是采用缝隙天线，其优点为尺寸较小，缺点为工作频段单一且会破坏金属地板完整性；第二种是采用印刷在介质板上的平面金属贴片结构，其中多为平面倒F型天线或平面环形天线，其均可工作在多频段，但根据天线的理论知识，其电长度接近于0.25个工作波长，因此限制了移动终端MIMO天线的发展。例如Kin-Lu Wong，Chih-Yu Tsai和Wei-Yu Li在2017年9月出版的Microwave and Optical Technology期刊59卷第9期的第2235～2241页发表了一篇题目为“Integrated yet decoupled dual antennas with inherentdecoupling structures for 2.4/5.2/5.8-GHz WLAN MIMO operation in thesmartphone”的文章，公开了一种覆盖2.4/5.2/5.8-GHz频段的自解耦结构MIMO智能手机天线，其环形天线单元印刷在与底面介质板垂直的长方形环形介质板的内表面，工作频带范围可以覆盖2400～2484MHz、5150～5350MHz和5725～5875MHz三个频段，但其横向电尺寸为0.2个工作波长，小型化程度不够高。
复合左右手传输线是同时具有右手传输线性质和左手传输线性质的特殊传输线结构，其具有普通平面金属贴片型天线所不具有的性质，特别是复合左右手传输线结构在左手区域和右手区域之间会产生传播常数为零的零阶谐振模式，该谐振模式理论上只与复合左右手传输线中等效的电容电感值有关，与天线的电尺寸无关，因此利用复合左右手传输线零阶谐振模式覆盖较低频段可以在实现多频段的条件下缩减天线的电尺寸，达到小型化的目的，适合应用于设计移动终端MIMO天线。
发明内容
本发明的目的在于针对克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种基于复合左右手传输线结构的三频段MIMO终端天线，用以解决现有平面金属贴片结构天线电尺寸较大的技术问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
基于复合左右手传输线结构的三频段MIMO终端天线，包括长方形第一介质板1、环形第二介质板2和金属地板3；所述金属地板3印制在第一介质板1的下表面，所述第二介质板2采用由固定在第一介质板1四个侧棱上的四块长方形介质板拼接而成，其中每块长方形介质板上各印制有两个复合左右手传输线结构4，所述复合左右手传输线结构4包括印制在长方形介质板内表面的直线形辐射贴片41、L形辐射贴片42和弯折辐射贴片43，以及印制在长方形介质板外表面的矩形辐射贴片44，所述L形辐射贴片42与矩形辐射贴片44的重叠部分通过金属化过孔连接，所述弯折辐射贴片43的上端与矩形辐射贴片44之间通过金属化过孔连接，其下端与金属地板3相连；所述直线形辐射贴片41的下端与印制在第一介质板1上表面的馈电线5的输出端相连。
上述基于复合左右手传输线结构的三频段MIMO终端天线，所述第二介质板2，其中的四块长方形介质板的板面与第一介质板1的板面垂直。
上述基于复合左右手传输线结构的三频段MIMO终端天线，所述第二介质板2，其中的每块长方形介质板上印制的两个复合左右手传输线结构4关于该长方形介质板长边的中心连线对称。
上述基于复合左右手传输线结构的三频段MIMO终端天线，所述第二介质板2，其中的每组对边上的四个复合左右手传输线结构4尺寸相等，固定在第一介质板1长边侧棱上的一组对边上的四个复合左右手传输线结构4与短边侧棱上的一组对边上的四个复合左右手传输线结构4的尺寸相等或不相等。
上述基于复合左右手传输线结构的三频段MIMO终端天线，所述馈电线6，采用贴片结构，其上加载有由电感和电容组成的并联带阻匹配网络，用以改善复合左右手传输线结构4的阻抗匹配特性。
上述基于复合左右手传输线结构的三频段MIMO终端天线，所述弯折辐射贴片43，其下端与金属地板3的连接是通过设置在第一介质板1上表面上印制的金属短路贴片与金属地板3之间的金属化过孔实现的，其中金属化过孔用以增加复合左右手传输线结构4的感性成分。
上述基于复合左右手传输线结构的三频段MIMO终端天线，所述矩形辐射贴片44，其与弯折辐射贴片43重叠部分的下边沿设有梯形缺口，用以调整矩形辐射贴片44与弯折辐射贴片43之间的容性耦合程度。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
本发明由于在馈电线与对地短路结构之间加载有复合左右手传输线结构，产生了与天线电尺寸无关的零阶谐振模式，使该模式工作在现有平面金属贴片结构天线需要较长电尺寸才能覆盖的低频段，零阶谐振模式又与复合左右手传输线结构的其他两个高频段工作模式一起覆盖了1490～1710MHz、3300～3600MHz和4800～5000MHz三个频段，在实现了多频段特性的前提下缩减了天线的电尺寸，实现了天线小型化。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明复合左右手传输线结构和馈电线的结构示意图；
图3是本发明实施例天线的S参数仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述：
参照图1，基于复合左右手传输线结构的三频段MIMO移动终端天线包括长方形第一介质板1、环形第二介质板2、金属地板3、复合左右右手传输结构4和馈电线5。
所述长方形第一介质板为相对介电常数4.4的长方形介质板，其长度为150mm，宽度为75mm，厚度为0.8mm。
所述环形第二介质板2采用由固定在第一介质板1四个侧棱上的四块长方形介质板拼接而成，四块长方形介质板相对介电常数均为4.4，其中与第一介质板1长边侧棱固定的两块长方形介质板的长度为150mm，高度为5.8mm，厚度为0.8mm，与第一介质板1宽边侧棱固定的两块长方形介质板的长度为76.8mm,高度为5.8mm，厚度为0.8mm。
所述金属地板3为长方形金属贴片，其长为150mm，宽为75mm。
所述组成第二介质板2的每块长方形介质板上各印制有两个复合左右手传输线结构4，每块长方形介质板上印制的两个复合左右手传输线结构4关于该长方形介质板长边的中心连线对称，且四块长方形介质板中每组对边上的四个复合左右手传输线结构4尺寸相等，固定在第一介质板1长边侧棱上的一组对边上的四个复合左右手传输线结构4与短边侧棱上的一组对边上的四个复合左右手传输线结构4的尺寸可以相等或不相等，本实施例中采用四块长方形介质板上印制的复合左右手传输线结构4尺寸均相等的方案，其中与第一介质板1长边侧棱固定的两块长方形介质板上印制的复合左右手传输线结构4与该长方形介质板长边的中心连线的水平距离为44.1mm，与第一介质板1短边侧棱固定的两块长方形介质板上印制的复合左右手传输线结构4与该长方形介质板长边的中心连线的水平距离为6.5mm。
所述馈电线5印制在第一介质板1上表面，其输出端与复合左右手传输线结构4相连，输入端与外界馈源相连，用于给复合左右手传输线结构4馈电。
所述金属地板3印制在第一介质板1的下表面，第二介质板2的四块长方形介质板面与第一介质板1的板面垂直，且四块长方形介质板的下边沿与第一介质板1下表面处于同一平面，用于满足移动终端外形设计需求和提升天线远场辐射方向图的全向性。
参照图2，所述复合左右手传输线结构4包括印制在矩形介质板内表面的直线形辐射贴片41、L形辐射贴片42和弯折辐射贴片43，以及印制在长方形介质板外表面的矩形辐射贴片44；所述馈电线5包括等腰梯形金属贴片过渡结构和L形金属贴片。
所述直线形辐射贴片41采用纵向长方形金属贴片，其长为5mm，宽为2.3mm，且其上边沿与环形介质板2上边沿重合，下边沿与第一介质板1上表面处于同一平面。
所述L形辐射贴片42，其纵向臂长为2.8mm，宽为1.5mm，横向臂长为6.6mm，宽为1.2mm，其横向臂上边沿与第二介质板2上边沿之间的纵向距离为0.2mm。
所述弯折辐射贴片43，由一个长方形金属贴片和一个回形弯折金属贴片组成，其中长方形金属贴片的长为4.7mm，宽为1.6mm，回形弯折金属贴片由一个横向长方形金属贴片在上下边沿等间距开等尺寸的四个纵向长方形缺口得到，其中横向长方形金属贴片长为6mm，宽为3.3mm，纵向长方形缺口的长为2.6mm，宽为0.8mm，相邻同侧的两个长方形缺口之间的间距为3mm。所述长方形金属贴片的下边沿作为弯折辐射贴片43的下端，所述回形弯折金属贴片的上边沿与长方形金属贴片上边沿高度相等，其输出端与长方形金属贴片相连，输入端作为弯折辐射贴片43的上端。
所述矩形辐射贴片44，其与弯折辐射贴片43重叠部分的下边沿设有梯形缺口，用以调整矩形辐射贴片44与弯折辐射贴片43之间的容性耦合程度。其中矩形辐射贴片44可以采用正方形或长方形金属贴片，本实施例中采用横向长方形金属贴片，目的在保证辐射贴片电度的条件下缩减金属贴片的面积。横向长方形金属贴片长为13.7mm，宽为3.6mm。所述梯形缺口为等腰梯形缺口，其上底长为2.7mm，下底长为4.1mm,高为1mm，且梯形缺口的下底端点与矩形辐射贴片44底部顶点的横向距离为0.8mm。
所述等腰梯形金属贴片过渡结构，其上底边长为2.3mm，下底边长为0.6mm，高为1mm。
所述L形金属贴片，其短臂长为2mm，宽度为0.6mm，长臂长为4mm，宽度为0.6mm，且其上加载有由电感和电容组成的并联带阻匹配网络,用以改善复合左右手传输线结构4的阻抗匹配特性；所述并联带阻匹配网络由一个电容元件和一个电感元件并联组成，其中电容与电感元件均采用0402封装的贴片元件，电容元件值为1.8pF,电感元件值为3.3nH，且并联带阻匹配网络与L形金属贴片长臂末端之间的距离为1mm。
所述直线形辐射贴片41与L形辐射贴片42纵向臂边沿之间有0.4mm的缝隙，用以产生耦合馈电结构，提升天线带宽。所述L形辐射贴片42横向臂末端与矩形辐射贴片44重叠，其重叠部分通过金属化过孔连接，重叠部分横向宽度为0.6mm，金属化通孔的通孔直径为0.4mm，且L形辐射贴片42、矩形辐射贴片44和弯折辐射贴片43上边沿的高度相等。所述矩形辐射贴片44与弯折辐射贴片43的上端之间通过金属化过孔连接，金属化过孔的直径为0.4mm。所述弯折辐射贴片，其下端与金属地板3的连接是通过设置在第一介质板1上表面上印制的金属短路贴片与金属地板3之间的金属化过孔实现的，其中金属短路贴片采用长方形金属贴片其长为1.6mm，宽为1mm，金属过孔直径为0.4mm，用以增加复合左右手传输线结构4的感性成分。
本实施例中复合左右手传输线结构4的工作原理为，所述直线形辐射贴片41与L形辐射贴片42之间的容性缝隙结构等效为复合左右手传输线结构4中的左手电容，L形辐射贴片42和矩形辐射贴片44中的分布电感等效为复合左右手传输线结构4中的右手电感；所述矩形辐射贴片44与弯折辐射贴片43的重叠部分等效为复合左右手传输线结构4中的右手电容，所述弯折辐射贴片43的分布电感等效为复合左右手传输线结构4中的左手电感。组成的复合左右手传输线结构4在低频段产生与天线电尺寸无关的零阶谐振模式，零阶谐振模式又与复合左右手传输线结构的其他两个高频段工作模式一起覆盖了1490～1710MHz、3300～3600MHz和4800～5000MHz三个频段，在实现了多频段特性的前提下缩减了天线的电尺寸，实现了天线小型化。
以下结合仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：
1、仿真条件和内容：
利用商业仿真软件HFSS_17.0对上述实施例中的S参数进行仿真计算，其仿真结果如图3(a)和图3(b)所示。
2、仿真结果分析：
参照图3(a)，其中S11、S22小于-6dB且S12小于-10dB的频带范围为1490～1710MHz、3300～3600MHz和4800～5000MHz，且S23在上述频段内小于-10dB。
参照图3(b)，其中S33、S44小于-6dB且S34小于-10dB的频带范围为1490～1710MHz、3300～3600MHz和4800～5000MHz。
仿真结果说明，本发明天线可以覆盖1490～1710MHz、3300～3600MHz和4800～5000MHz三个通信频段，且带内天线单元之间隔离度满足要求。
以上描述和实施例，仅为本发明的优选实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和设计原理后，都可能在基于本发明的原理和结构的情况下，进行形式上和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于复合左右手传输线结构的三频段MIMO终端天线，其特征在于：包括长方形第一介质板(1)、环形第二介质板(2)和金属地板(3)；所述金属地板(3)印制在第一介质板(1)的下表面，所述第二介质板(2)由固定在第一介质板(1)四个侧棱上的四块长方形介质板拼接而成，其中每块长方形介质板上各印制有两个复合左右手传输线结构(4)，所述复合左右手传输线结构(4)，包括印制在长方形介质板内表面的直线形辐射贴片(41)、L形辐射贴片(42)和弯折辐射贴片(43)，以及印制在长方形介质板外表面的矩形辐射贴片(44)，所述L形辐射贴片(42)与矩形辐射贴片(44)的重叠部分通过金属化过孔连接，所述弯折辐射贴片(43)的上端与矩形辐射贴片(44)之间通过金属化过孔连接，下端与印制在第一介质板(1)上表面上的金属短路贴片相连，金属短路贴片通过贯穿第一介质板(1)的金属化过孔与金属地板(3)相连；所述矩形辐射贴片(44)与弯折辐射贴片(43)重叠部分的下边沿设有梯形缺口；所述直线形辐射贴片(41)与L形辐射贴片(42)之间设置有用以产生耦合馈电结构的缝隙，该直线形辐射贴片(41)的下端与印制在第一介质板(1)上表面的馈电线(5)的输出端相连。
2.根据权利要求1所述的基于复合左右手传输线结构的三频段MIMO终端天线，其特征在于：所述第二介质板(2)，其中的四块长方形介质板的板面与第一介质板(1)的板面垂直。
3.根据权利要求1所述的基于复合左右手传输线结构的三频段MIMO终端天线，其特征在于：所述第二介质板(2)，其中的每块长方形介质板上印制的两个复合左右手传输线结构(4)关于该长方形介质板长边的中心连线对称。
4.根据权利要求1所述的基于复合左右手传输线结构的三频段MIMO终端天线，其特征在于：所述第二介质板(2)，其中的每组对边上的四个复合左右手传输线结构(4)尺寸相等，固定在第一介质板(1)长边侧棱上的一组对边上的四个复合左右手传输线结构(4)与短边侧棱上的一组对边上的四个复合左右手传输线结构(4)的尺寸相等或不相等。
5.根据权利要求1所述的基于复合左右手传输线结构的三频段MIMO终端天线，其特征在于：所述馈电线(6)，采用贴片结构，其上加载有由电感和电容组成的并联带阻匹配网络，用以改善复合左右手传输线结构(4)的阻抗匹配特性。
6.根据权利要求1所述的基于复合左右手传输线结构的三频段MIMO终端天线，其特征在于：所述弯折辐射贴片(43)，其下端通过金属短路贴片与金属地板(3)连接的金属化过孔用以增加复合左右手传输线结构(4)的感性成分。
7.根据权利要求1所述的基于复合左右手传输线结构的三频段MIMO终端天线，其特征在于：所述矩形辐射贴片(44)，其与弯折辐射贴片(43)重叠部分的下边沿设置的梯形缺口，用以调整矩形辐射贴片(44)与弯折辐射贴片(43)之间的容性耦合程度。
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