CN110854529B - 一种基于平面结构的紧凑型低耦合三极化mimo天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于平面结构的紧凑型低耦合三极化MIMO天线，属于通信技术的天线领域，所述天线由两层介质板堆叠组成，所述上层介质板的顶面覆有主辐射体金属贴片，所述下层介质板的底面为接地金属板，所述两层介质板之间置有寄生金属贴片，所述上层介质板内部设有若干个连接寄生金属贴片和主辐射体金属贴片的第一金属过孔，所述两层介质板内部设有若干个连接主辐射体金属贴片和接地金属板的第二金属过孔。在所述天线的主辐射体金属贴片不同位置馈电，能够于同一频率实现三个正交极化。与已有的三极化MIMO天线相比，本发明具有更小的尺寸和更低的耦合，更适用于小型终端设备，更适用于构成天线阵列，也可以作为紧凑型大规模MIMO天线的单元。

Description

一种基于平面结构的紧凑型低耦合三极化MIMO天线

技术领域

本发明设计一种基于平面结构的紧凑型低耦合三极化MIMO天线，属于通信技术的天线领域。

背景技术

已经商用的第五代通信技术，昭示着移动通信正向速度更快、误码率更低、时延更短、信道容量更高的方向发展。在无线通信***中，通过在发射端和接收端同时使用多个天线，即利用多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)技术，就能使通信***具备传输稳定和信道容量增加等优点。

现有技术中已公开一种MIMO天线，通过添加一定数量的连接金属贴片与接地金属板的金属过孔，实现同一辐射体产生三个正交极化的天线。虽然这种天线通过单层紧凑结构实现了三极化，但仍存在两个缺点：天线尺寸大于半个波长，耦合大于-13dB。

由于5G使用的终端和基站设备更小，所以在通信设备和相关领域中对MIMO天线的小型化要求也越来越高。但是小型化会给MIMO天线带来诸多问题，比如天线单元之间的耦合升高，这将影响MIMO天线的辐射特性。所以，如何使MIMO天线既实现了小型化，又达到了低耦合，就成为MIMO天线阵设计的关键问题之一。

添加寄生贴片是常见的改良天线性能的方法，它能够增加带宽或提高增益。但寄生贴片的加入，通常会在竖直方向或水平方向上使天线的尺寸增加。例如申请201310121176.8提出了一种加载寄生圆环的微带天线，通过寄生圆环降低了传统微带贴片天线的天顶信号辐射，增大水平面附近的低仰角增益，从而拓宽垂直面的波瓣宽度，该天线由两层介质板组成，使用固定柱令两层介质板相隔一段距离，导致其整体剖面较高。申请号201620584674.5在两个天线辐射单元之间加入两块开有菜刀形状缝隙槽的寄生贴片，通过改变介质板上的电荷分布，进而改变天线辐射单元上的电场分布，以达到降低天线辐射单元之间的耦合度的目的，然而该结构的两个辐射单元在水平面上相隔了一段距离，水平尺寸较大。

这些给天线加载寄生贴片的设计，都增加了天线的剖面高度或平面尺寸，不利于实现天线的小型化或组成阵列天线。

发明内容

针对现有技术的上述问题，本发明的目的在于，提供一种基于平面结构的紧凑型低耦合三极化MIMO天线。

为了解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：

本发明通过改变电流的等效路径长度，设计了一种基于平面结构的紧凑型低耦合三极化MIMO天线。通过添加寄生金属贴片和连接寄生金属贴片与主辐射体金属贴片的金属过孔，以及连接接地金属板与主辐射体的金属过孔，使垂直极化的电场模式的谐振频率降低，不同激励端口之间的隔离度提高，最终得到同一个谐振频率下的三个相互正交的辐射模式：当第一端口馈电时，天线激励出一个垂直极化的电场，当第二端口和第三端口馈电时，天线激励出两个相互正交的水平极化电场，构成一个三极化天线。

本发明中，通过添加连接主辐射体金属贴片与寄生金属贴片的金属过孔，将主辐射体金属贴片上的电流引入寄生金属贴片，在紧凑结构中增大了电流的等效路径，以达到既减小尺寸又降低谐振频率的目的。随着这种新结构对电流分布的改变，天线不同端口之间的耦合度也得到降低。

本发明的优点是：

本发明首次提出了一种基于平面结构的紧凑型低耦合三极化MIMO天线，天线结构包括一个接地金属板、两层介质板、一个主辐射体金属贴片、一个寄生金属贴片、若干个连接主辐射体金属贴片和寄生金属贴片的金属过孔、若干个连接主辐射体金属贴片和接地金属板的金属过孔和三个馈电端口。通过寄生金属贴片和金属过孔，实现减小天线尺寸、降低剖面高度、以及降低耦合的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1是本发明实施例中基于平面结构的紧凑型低耦合三极化MIMO天线的俯视图。

图2是图1所述天线的侧视图。

图3是本发明实施例中的S参数仿真结果。

图4(a)、图4(b)分别是本发明实施例中的三极化天线第一端口11馈电时的xoy面和xoz面辐射方向图。

图5是本发明实施例中的三极化天线第一端口11馈电时的电场分布图。

图6(a)、图6(b)分别是本发明实施例中的三极化天线第二端口10激励时的xoz面和yoz面辐射方向图。

图7是本发明实施例中的三极化天线第二端口10馈电时的电场分布图。

图8(a)、图8(b)分别是本发明实施例中的三极化天线第三端口01激励时的xoz面和yoz面辐射方向图。

图9是本发明实施例中的三极化天线第三端口01馈电时的电场分布图。

图10是本发明实施例添加圆形金属贴片4和第一金属过孔5前后的S11仿真结果。

图11(a)、(b)分别是本发明实施例中的三极化天线第一端口11激励时的主辐射体金属贴片和寄生金属贴片的表面电流分布。

图12是本发明实施例添加圆形金属贴片4和第一金属过孔5前后的S12及S13仿真结果。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例1

参阅图1和图2，所述天线由一个双层介质板1、一个接地金属板2、一个圆形金属贴片3、一个圆形金属贴片4、十二个连接圆形金属贴片3和圆形金属贴片4的第一金属过孔5、八个连接圆形金属贴片3和接地金属板2的第二金属过孔6、以及三个同轴线馈电端口10、01、11构成。

其中，双层介质板1的材料相同，均为介电常数为4.4的环氧树脂板FR4，以原点为中心堆叠置于xoy面，其边长为42mm，小于3.5GHz对应的半波长；接地金属板2位于下层介质板的底面，大小与下层介质板的底面积相同；圆形金属贴片3覆于上层介质板的顶面，作为主辐射体；圆形金属贴片4置于两层介质板之间，作为寄生贴片；圆形金属贴片3和圆形金属贴片4的圆心同在z轴上；第一金属过孔5绕z轴在xoy面对称放置，相邻过孔与原点的夹角是30°，每个过孔半径相等，到原点的距离也相等，每个过孔穿过上层介质板，连接圆形金属贴片3和圆形金属贴片4；第二金属过孔6绕z轴在xoy面对称放置，相邻过孔与原点的夹角是45°，每个过孔半径相等，到原点的距离也相等，每个过孔穿过两层介质板，连接圆形金属贴片3和接地金属板2；第一金属过孔5在第二金属过孔6的内侧；三个馈电端口均用特性阻抗为50Ω的SMA同轴线馈电，第一馈电端口11穿过圆形金属贴片4，在圆形金属贴片3的中心激励，第二馈电端口10和第三馈电端口01距离圆形金属贴片3的中心的距离相等，该距离且大于圆形金属贴片4的半径，小于第二金属过孔6到圆形金属贴片3的中心的距离，第二馈电端口10和第三馈电端口01分别在圆形金属贴片3上的x轴和y轴位置激励。

图3为所述天线的S参数仿真结果，三个极化的谐振频段重合，模式为单极子天线的工作频带为3.45-3.56GHz，带宽110MHz，模式为微带天线的工作频带为3.45-3.56GHz，带宽110MHz。

在第一端口11馈电时，所述天线产生单极子天线的辐射特性。图4(a)、图4(b)分别为所述天线第一馈电端口11激励时，3.5GHz的xoy面辐射方向图和xoz面辐射方向图，此时天线沿z轴极化。图5是第一端口11馈电时的电场分布，电场以第一金属过孔5为界，过孔内侧电场竖直向下，过孔外侧电场竖直向上，是TM02单极子辐射模式。

在第二端口10馈电时，所述天线产生微带天线的辐射特性。图6(a)、图6(b)分别为所述天线第二馈电端口10激励时3.5GHz下的xoz面辐射方向图和yoz面辐射方向图，此时天线沿x轴极化。图7是第二端口10馈电时的电场分布，关于y轴是反相对称的。

在第三端口01馈电时，所述天线产生微带天线的辐射特性。图8(a)、图8(b)分别为所述天线第三馈电端口01激励时3.5GHz下的xoz面辐射方向图和yoz面辐射方向图，此时天线沿y轴极化。图9是第三端口01馈电时的电场分布，关于x轴是反相对称的。

为了更好地说明本发明，接下来进行一些比较。从图10可以看出，所述天线在添加作为寄生贴片的圆形金属贴片4和第一金属过孔5之后，代表TM02单极子辐射模式的S11谐振频率从4.2GHz降至3.5GHz。从图11可以看出，所述天线的第一馈电端口11激励时，第一金属过孔5将圆形金属贴片3的表面电流引入圆形金属贴片4，等效电流路径增大，所以S11的谐振频率降低至3.5GHz。圆形金属贴片4和第一金属过孔5对电流分布产生影响的同时，也改变了不同馈电端口之间的耦合，从图12可以看出，添加圆形金属贴片4和第一金属过孔5之后，天线端口之间的耦合得到降低，降至-18dB以下。

综上所述，本发明通过在一个共点正交的三极化MIMO天线中添加一块寄生金属贴片和特定的金属过孔，使天线在保持三极化特性且不增加剖面高度的前提下，三个端口之间的耦合均降低至-18dB以下，且尺寸小于半个波长，为组成天线阵提供了解决方案。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种基于平面结构的紧凑型低耦合三极化MIMO天线，其特征在于：包括一个接地金属板、两层介质板、一个主辐射体金属贴片、一个寄生金属贴片、若干个第一金属过孔、若干个第二金属过孔、第一馈电端口、第二馈电端口和第三馈电端口；其中，所述第一馈电端口位于主辐射体金属贴片的中心，穿过寄生金属贴片给主辐射体金属贴片激励；所述第二馈电端口和所述第三馈电端口位于寄生金属贴片外侧，与寄生金属贴片的圆心连线夹角为90°，均用于给所述主辐射体金属贴片的两个位置激励；

所述主辐射体金属贴片和接地金属板之间设置寄生金属贴片，以及主辐射体金属贴片与寄生金属贴片连接的多个所述第一金属过孔，寄生金属贴片外侧设置连接主辐射体金属贴片和接地金属板的若干个第二金属过孔，使不同激励端口之间的隔离度提高，垂直极化的电场模式的谐振频率降低，得到同一谐振频率下的三个相互正交的辐射模式，即两个微带天线辐射模式和一个TM02单极子天线辐射模式，具体为两个水平极化的电场和一个垂直极化的电场，构成三极化天线。

2.根据权利要求1所述的基于平面结构的紧凑型低耦合三极化MIMO天线，其特征在于：两层介质板采用堆叠放置的结构，介质板的材料相同，介质板的厚度相同。

3.根据权利要求1所述的基于平面结构的紧凑型低耦合三极化MIMO天线，其特征在于：所述两层介质板包括上层介质板和下层介质板，所述主辐射体金属贴片设置在所述上层介质板的顶面，所述寄生金属贴片设置在所述上层介质板和下层介质板之间，所述接地金属板设置在所述下层介质板的底面。

4.根据权利要求1所述的基于平面结构的紧凑型低耦合三极化MIMO天线，其特征在于：所述主辐射体金属贴片和所述寄生金属贴片均为圆形金属贴片。

5.据权利要求4所述的基于平面结构的紧凑型低耦合三极化MIMO天线，其特征在于：所述寄生金属贴片的中心和主辐射体金属贴片的中心在同一竖直方向上，所述寄生金属贴片的尺寸小于主辐射体金属贴片的尺寸。

6.根据权利要求1所述的基于平面结构的紧凑型低耦合三极化MIMO天线，其特征在于：设置12个连接寄生金属贴片和主辐射体金属贴片的所述第一金属过孔，所述第一金属过孔贯穿上层介质板，并且半径相同，关于寄生金属贴片的中心对称设置。

7.根据权利要求1所述的基于平面结构的紧凑型低耦合三极化MIMO天线，其特征在于：设置8个连接接地金属板和主辐射体金属贴片的所述第二金属过孔，所述第二金属过孔贯穿两层介质板，并且半径相同，所述第二金属过孔位于寄生金属贴片外侧，关于主辐射体金属贴片的中心对称设置。

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