CN108565551B - 一种平面宽带毫米波mimo天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种平面宽带毫米波MIMO天线，包括介质基板、激励端口、地板及第一、二辐射单元组；第一辐射单元组由第一、二辐射单元组成，第一辐射单元由不在同一方向上的两个条形贴片连接而成，其中一条形贴片连接激励端口，另一条形贴片靠近介质基板中心，第二辐射单元为一个条形贴片，靠近第一辐射单元靠近介质基板中心的那个条形贴片；第二辐射单元组由第三、四辐射单元组成，第三辐射单元由不在同一方向上的两个条形贴片连接而成，其中一条形贴片连接地板一端，另一条形贴片靠近介质基板中心，地板另一端连接激励端口，第四辐射单元为一个条形贴片，靠近第三辐射单元靠近介质基板中心的那个条形贴片。本发明独立可控，特性好。

Description

一种平面宽带毫米波MIMO天线
技术领域
本发明涉及毫米波天线的技术领域，尤其是指一种平面宽带毫米波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。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种平面宽带毫米波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：一种平面宽带毫米波MIMO天线，包括介质基板、激励端口、地板、第一辐射单元组和第二辐射单元组；所述第一辐射单元组印制在介质基板的正面，由第一辐射单元和第二辐射单元组成，所述第一辐射单元由不在同一方向上的两个条形贴片连接而成，且其中一个条形贴片与位于介质基板边缘处的激励端口连接，另一个条形贴片靠近介质基板的中心，所述第二辐射单元为一个条形贴片，并位于第一辐射单元靠近介质基板中心的那个条形贴片旁边；所述第二辐射单元组印制在介质基板的背面，由第三辐射单元和第四辐射单元组成，所述第三辐射单元由不在同一方向上的两个条形贴片连接而成，且其中一个条形贴片与印制在介质基板背面的地板一端连接，另一个条形贴片靠近介质基板的中心，所述地板的另一端连接激励端口，所述第四辐射单元为一个条形贴片，并位于第三辐射单元靠近介质基板中心的那个条形贴片旁边。
所述第一辐射单元组有两个彼此平行，且该两个第一辐射单元组之间设置有印制于介质基板正面的条形金属带；所述第二辐射单元组有两个彼此平行，且该两个第二辐射单元组之间设置有蚀刻于介质基板背面的T型槽缝。
所述第一辐射单元组有两个彼此垂直，所述第二辐射单元组有两个彼此垂直。
所述第一辐射单元组的第二辐射单元平行于第一辐射单元靠近介质基板中心的那个条形贴片，所述第一辐射单元的另一个条形贴片垂直于介质基板边缘。
所述第二辐射单元组的第四辐射单元平行于第三辐射单元靠近介质基板中心的那个条形贴片，所述第三辐射单元的另一个条形贴片垂直于介质基板边缘。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本发明引入四个贴片辐射单元，大大地增加了阻抗带宽，并通过适当地调整各个微带贴片单元的尺寸，可实现了各个谐振点的独立可控，就可以得到很好的阻抗带宽。
2、针对两单元组的天线，本发明在介质基板的正面引入了条形金属带，以及在底面引入了T型槽缝，可使得MIMO天线阵在很宽的频率范围内取得很好的隔离度。
3、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为实施例1中本发明天线的正面示意图。
图2为实施例1中本发明天线的底面示意图。
图3为实施例1中本发明天线的S参数仿真结果图。
图4为实施例2中平行放置二单元组的天线正面示意图。
图5为实施例2中平行放置二单元组的天线底面示意图。
图6为实施例2中天线的S参数仿真结果图。
图7为实施例3中垂直放置二单元组的天线正面示意图。
图8为实施例3中垂直放置二单元组的天线底面示意图。
图9为实施例3中天线的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。
实施例1
如图1和图2所示，本实施例所提供的平面宽带毫米波MIMO天线，包括介质基板5、激励端口6、地板7、第一辐射单元组和第二辐射单元组，使用的介质基板5材料为Rogers5880，厚度为0.508mm，所述第一辐射单元组印制在介质基板5的正面，由第一辐射单元1和第二辐射单元2组成，所述第一辐射单元1由不在同一方向上的两个条形贴片连接而成，且其中一个条形贴片垂直于介质基板5边缘，并与位于介质基板5边缘处的激励端口6连接，另一个条形贴片靠近介质基板5的中心，所述第二辐射单元2为一个条形贴片，位于第一辐射单元1靠近介质基板5中心的那个条形贴片旁边，并与该条形贴片平行；所述第二辐射单元组印制在介质基板5的背面，由第三辐射单元3和第四辐射单元4组成，所述第三辐射单元3由不在同一方向上的两个条形贴片连接而成，且其中一个条形贴片垂直于介质基板5边缘，并与印制在介质基板5背面的地板7一端连接，另一个条形贴片靠近介质基板5的中心，所述地板7的另一端连接激励端口6，所述第四辐射单元4为一个条形贴片，位于第三辐射单元3靠近介质基板5中心的那个条形贴片旁边，并与该条形贴片平行。
如图3所示，图中的第一个谐振点31主要由第一辐射单元1控制，调节第一辐射单元1部分的长度，就可以移动谐振点31；第二个谐振点32由第三辐射单元3产生，调节第二辐射单元3的长度，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2及第四辐射单元4控制，调节第二辐射单元2和第四辐射单元4的尺寸，可以移动谐振点33。
实施例2
如图4和图5所示，与实施例1不同的是本实施例所述的第一辐射单元组有两个彼此平行，且该两个第一辐射单元组之间设置有印制于介质基板5正面的条形金属带8；所述第二辐射单元组有两个彼此平行，且该两个第二辐射单元组之间设置有蚀刻于介质基板5背面的T型槽缝9。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57.8％(27.2—49.3GHz)。
在有限的空间中集成的辐射单元数目越多，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，本设计中在两个单元组之间加入了条形金属带8和T型槽缝9，用于减小天线工作时传导到另一天线的表面电流，从而可以很好地提高激励端口的隔离度。
本实施例提供的天线包含了两个单元组以及两个激励端口(图中未画出)，激励端口在介质基板的同一侧，在两个单元组中间，加入了条形金属带8和地板T型槽缝9，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-19dB，而S11基本与单个天线时的情况轨迹基本一致，出现3个谐振点。
实施例3
如图7和图8所示，与实施例1不同的是本实施例所述的第一辐射单元组有两个彼此垂直，所述第二辐射单元组有两个彼此垂直，本实施例提供的天线包含了两个单元组以及两个激励端口(图中未画出)，激励端口在介质基板的相邻两侧，这款天线未加入去耦合的结构。从图9可知，此时S21在整个工作频段内都小于-15dB，而S11基本与单个天线时的情况相似。
以上所述实施例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 (3)

1.一种平面宽带毫米波MIMO天线，其特征在于：包括介质基板、激励端口、地板、第一辐射单元组和第二辐射单元组；所述第一辐射单元组印制在介质基板的正面，由第一辐射单元和第二辐射单元组成，所述第一辐射单元由不在同一方向上的两个条形贴片连接而成，且其中一个条形贴片与位于介质基板边缘处的激励端口连接，另一个条形贴片靠近介质基板的中心，所述第二辐射单元为一个条形贴片，并位于第一辐射单元靠近介质基板中心的那个条形贴片旁边；所述第二辐射单元组印制在介质基板的背面，由第三辐射单元和第四辐射单元组成，所述第三辐射单元由不在同一方向上的两个条形贴片连接而成，且其中一个条形贴片与印制在介质基板背面的地板一端连接，另一个条形贴片靠近介质基板的中心，所述地板的另一端连接激励端口，所述第四辐射单元为一个条形贴片，并位于第三辐射单元靠近介质基板中心的那个条形贴片旁边；所述第一辐射单元组有两个彼此平行，且该两个第一辐射单元组之间设置有印制于介质基板正面的条形金属带；所述第二辐射单元组有两个彼此平行，且该两个第二辐射单元组之间设置有蚀刻于介质基板背面的T型槽缝；所述第一辐射单元组有两个彼此垂直，所述第二辐射单元组有两个彼此垂直。
2.根据权利要求1所述的一种平面宽带毫米波MIMO天线，其特征在于：所述第一辐射单元组的第二辐射单元平行于第一辐射单元靠近介质基板中心的那个条形贴片，所述第一辐射单元的另一个条形贴片垂直于介质基板边缘。
3.根据权利要求1所述的一种平面宽带毫米波MIMO天线，其特征在于：所述第二辐射单元组的第四辐射单元平行于第三辐射单元靠近介质基板中心的那个条形贴片，所述第三辐射单元的另一个条形贴片垂直于介质基板边缘。
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