CN112054294A - 一种紧凑型正交极化的十二单元5g多输入多输出天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种紧凑型正交极化的十二单元5G多输入多输出天线，包括介质基板、设置在介质基板底部的第一金属地平面；还包括6个辐射区域，辐射区域分布在介质基板的四周；辐射区域包括设置在介质基板顶部的传输线，设置在介质基板底部的L型单极子天线、第二金属地平面；第二金属地平面设有开槽天线；开槽天线的中间设有第一馈电探针、第一电感器；第一馈电探针与开槽天线的连接，第一馈电探针通过第一电感器与开槽天线连接；第二金属地面设有贯穿于第二金属地面、介质基板的馈电通孔；馈电通孔中设有第二馈电探针；传输线与L型单极子天线耦合连接；传输线与第二馈电探针连接；L型单极子天线与第二金属地平面设有间隙结构。
Description
技术领域
本发明涉及通信天线技术领域，更具体的，涉及一种紧凑型正交极化的十二单元5G多输入多输出天线。
背景技术
过去几年，第4代移动通信技术(4G)及其相关信息通信产业产品，比如智能手机，平板电脑，智能手表等得到了快速的增长。然而，由于通信速率较低及其延迟时间长等原因，4G在很多领域都不能发挥出其作用。因此，人们提出了下一代移动通信技术——第5代移动通信技术(5G)。
5G技术设计的初衷就是大幅提升无线传输速率和大幅减低通信的时延。如果5G技术能实现，那么5G将能广泛应用于4G应用不到的地方，比如8K高清视频，VR/AR，高速高清电影下载，自动驾驶，无人机等等。5G能大大激发出社会生产潜力。
2019年，各式各样的5G智能手机相继推出市场，人们可以开始享受5G技术带来的便利。这也意味着5G时代正式到来。
5G时代，超高速，超低时延和海量机器通信成为5G技术的代名词。人们能利用这些技术特点去创造出不同的应用。而对于电子无线通信产品来说，收发天线是贯穿整个天线***的关键部件。天线性能的好坏，直接决定通信质量。因此，优良的天线性能是无线通信***的关键。在4G时代及以前，传统的单天线方案即可解决大部分的需求，满足传输的速率要求。但在5G时代，由于传输速率的大大提升，传统的单天线方案已经不能满足传输的需求，为此，5G技术必须引入多输入多输出(Multiple Input Multiple Output)天线，简称MIMO天线。
MIMO天线技术并不是5G时代独有的技术。在4G时代，同样也有MIMO天线的出现。但MIMO天线对于越来越高的传输速率的重要性不断增加。在5G时代，为了实现高速率传输，MIMO天线必不可少。
MIMO天线技术目前广泛应用与Wi-Fi，智能手机，基站等电子设备中。随着5G技术的发展，越来越多的无线通信设备将使用MIMO天线技术。
如中国专利公开号CN 102394368 A，公开日2012.03.28，公开了一种带MIMO天线的移动终端，具体公开的移动终端包括介质基板及分别设置在介质基板正、反面的第一电路部分和第二电路部分，移动终端还包括设置在介质基板正面的五个天线，且五个天线分布在第一电路部分的***，五个天线还分别与第一电路部分或第二电路部分通过传输线连接，其中，每相邻两个天线的极化方向是正交的，且第一电路部分上面设置有第一屏蔽罩，第二电路部分上面设置有第二屏蔽罩，第一屏蔽罩和第二屏蔽罩接地设置，在介质基板上每相邻两个天线之间设有空气缺口。实施本发明的技术方案，在移动终端体积有限的情况下，提高了天线间的隔离度，从而大大降低MIMO天线的相关性系数及耦合系数，增强了MIMO天线阵列的辐射特性
然而，以上现有技术存在以下缺点：
第一：由于多输入多输出天线不同天线之间会存在互耦的影响，降低信道容量。因此多输入多输出天线最主要是问题是解决天线间的干扰问题。
第二：多输入多输出天线需要提高不同天线之间的距离来提高隔离度，以减少干扰。空间位置占用过多也是多输入多输出天线的重要问题，在小型化的电子设备中，占用过多的空间往往是不现实的。
发明内容
本发明为了解决以上现有的多输入多输出天线存在隔离度低，不同天线存在互耦影响的问题，提供了一种紧凑型正交极化的十二单元5G多输入多输出天线，其能提高不同天线之间的隔离度，具有较低的传输系数，减少不同天线存在互耦导致能量损耗。
为实现上述本发明目的，采用的技术方案如下：一种紧凑型正交极化的十二单元5G多输入多输出天线，包括介质基板、设置在介质基板底部的第一金属地平面；还包括6个辐射区域，所述的辐射区域分布在介质基板的四周；
所述的辐射区域包括设置在介质基板顶部的传输线，设置在介质基板底部的L型单极子天线、第二金属地平面；
所述的第二金属地平面设有开槽天线，所述的开槽天线设置为开槽结构；所述的开槽天线的中间设有第一馈电探针、第一电感器；所述的第一馈电探针的一端与开槽天线的一侧连接，第一馈电探针的另一端通过第一电感器与开槽天线的相对的另一侧连接；
所述的第二金属地面设有贯穿于第二金属地面、介质基板的馈电通孔；所述的馈电通孔中设有第二馈电探针；
所述的传输线的一端与L型单极子天线的一端耦合连接；所述的传输线的另一端与第二馈电探针连接；所述的L型单极子天线与第二金属地平面设有间隙结构；
所述的第二馈电探针把能量传到介质基板顶部的传输线，所述的传输线把能量经过介质基板耦合到介质基板底层的L型单极子天线上。
本发明的工作原理：采用6个辐射区域，每个辐射区域包括一根L型单极子天线、一根开槽天线，故一共由12根MIMO天线组成天线阵列；12根天线均工作于5G频段(3.4–3.6GHz)。该天线阵列可以使用部分天线发射或接收信号，也可以使用12根天线同时发射和接收信号。因为不同的天线对的距离相对较远，天线对间天线的耦合程度相对天线对内天线的耦合程度较小，因此，这里主要说明天线对内的耦合及解耦情况。对于开槽天线，其激发起沿x方向的线性极化波，且最大辐射的方向朝基板向内，最小的辐射方向朝基板向外。而L型单极子天线2在最大辐射的方向上激发出沿y方向的线性极化波，且最大辐射的方向朝基板向外，最小的辐射方向朝基板向内。显然，开槽天线和L型单极子天线激发的场为互补的场，因此，在同一个辐射区域内，开槽天线和L型单极子天线能达到较高的隔离度，较低的传输系数。
优选地，所述的介质基板的每条长边上设置2个所述的辐射区域；所述的介质基板的每条短边上设置1个所述的辐射区域。
进一步地，6个所述的辐射区域排布在所述的介质基板的四周，所述的传输线、开槽天线依次循环排列设置。
再进一步地，所述的介质基板的相对介电常数εr为4.4，正切损耗tanδ为0.02。
再进一步地，所述的介质基板的长度为156mm，宽度为75mm，厚度为0.8mm。
再进一步地，所述的第一金属地平面、第二金属地平面连接组成金属地平面；所述的金属地平面的长度为150，宽度为69mm，且所述的金属地平面位于介质基板的中间位置。
再进一步地，所述的开槽天线的长度为41.2mm，宽度为3mm。
再进一步地，所述的L型单极子天线包括第一天线臂、第二天线臂；所述的第一天线臂沿着介质基板的边设置；所述的第二天线臂垂直于第一天线臂的一端；所述的传输线与第二天线臂耦合连接；所述的第二天线臂、第一天线臂均与第二金属地平面设有间隙结构。
再进一步地，所述的第一天线臂的长度L3为24.8mm，宽度W3为1mm；所述的第二天线臂的宽度1.5mm。
再进一步地，所述的传输线的宽度W4为1.5mm，长度L4为8.635。
本发明的有益效果如下：
1.本发明采用正交极化方式进行去耦，减少了天线之间的干扰，提高了天线之间的隔离度，从而能提高多输入多输出天线的信道容量，提高传输速率。
2.本发明天线在空间上进行复用，在较小的空间内，每个辐射区域安装了2根天线，整个基板安装了12根天线，增高了空间利用率。
3.本发明由于进行了优化调谐和双极化的天线布局，减少了反射系数和传输系数，提高了效率。
附图说明
图1是实施例1所述的十二单元5G多输入多输出天线的俯视结构图。
图2是实施例1所述的十二单元5G多输入多输出天线的立体结构图。
图3是实施例1所述的十二单元5G多输入多输出天线的俯视标识图。
图4是图1中A-1顶部的辐射区域的放大图。
图5是图4的测量标识图。
图6是图1中A-1底部的辐射区域放大图。
图7是实施例1所述的馈电通孔的结构示意图。
图8是实施例1反射系数。
图9是实施例1辐射区域A-1、A-2、A-3内天线间的传输系数。
图10是实施例1辐射区域A-1与A-2之间的传输系数。
图11是实施例1辐射区域A-1与A-3之间的传输系数。
图12是实施例1辐射区域A-1与A-4之间的传输系数。
图13是实施例1辐射区域A-1与A-5之间的传输系数。
图14是实施例1辐射区域A-1与A-6之间的传输系数。
图15是实施例1辐射区域A-2与A-3之间的传输系数。
图16是实施例1辐射区域A-2与A-4之间的传输系数。
图17是实施例1辐射区域A-2与A-5之间的传输系数。
图18是实施例1辐射区域A-2与A-6之间的传输系数。
图19是实施例1辐射区域A-3与A-4之间的传输系数。
图20是实施例1辐射区域A-3与A-5之间的传输系数。
图21是实施例1辐射区域A-3与A-6之间的传输系数。
图中，A-1、A-2、A-3、A-4、A-5、A-6表示不同的辐射区域；
1-开槽天线、2-L型单极子天线、3-第一电感器、4-第一馈电探针、5-传输线、6-第二电感器、7-介质基板、8-第二金属地平面、9-馈电通孔、10-第二馈电探针、11-第一金属地平面、12-第一天线臂、13-第二天线臂。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述。
实施例1
如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，一种紧凑型正交极化的十二单元5G多输入多输出天线，包括介质基板7、设置在介质基板7底部的第一金属地平面11；还包括6个辐射区域，所述的辐射区域分布在介质基板7的四周；
所述的辐射区域包括设置在介质基板7顶部的传输线5，设置在介质基板7底部的L型单极子天线2、第二金属地平面8；
所述的第二金属地平面8设有开槽天线1，所述的开槽天线1设置为开槽结构；所述的开槽天线1的中间设有第一馈电探针4、第一电感器3；所述的第一馈电探针4的一端与开槽天线1的一侧连接，第一馈电探针4的另一端通过第一电感器3与开槽天线1的另一侧连接；所述的第一电感器3采用3.9nH电感器，用于调谐和阻抗匹配。
所述的第二金属地面8设有贯穿于第二金属地面8、介质基板7的馈电通孔9；所述的馈电通孔9中设有第二馈电探针10；
所述的传输线5的一端与L型单极子天线2的一端耦合连接；所述的传输线5的另一端与第二馈电探针10连接；所述的L型单极子天线2与第二金属地平面8设有间隙结构；所述的传输线5上串联1nH的第二电感器，用于调谐和阻抗匹配。
所述的第二馈电探针10把能量传到介质基板7顶部的传输线5，所述的传输线5把能量经过介质基板7耦合到介质基板7底层的L型单极子天线2上。
本实施例的工作原理：采用6个辐射区域，每个辐射区域包括一根L型单极子天线2、一根开槽天线1，故一共由12根MIMO天线组成天线阵列；12根天线均工作于5G频段(3.4–3.6GHz)。该天线阵列可以使用部分天线发射或接收信号，也可以使用12根天线同时发射和接收信号。因为不同的天线对的距离相对较远，天线对间天线的耦合程度相对天线对内天线的耦合程度较小，因此，这里主要说明天线对内的耦合及解耦情况。对于开槽天线，其激发起沿x方向的线性极化波，且最大辐射的方向朝基板向内，最小的辐射方向朝基板向外。而L型单极子天线2在最大辐射的方向上激发出沿y方向的线性极化波，且最大辐射的方向朝基板向外，最小的辐射方向朝基板向内。显然，开槽天线和L型单极子天线激发的场为互补的场，因此，在同一个辐射区域内，开槽天线和L型单极子天线能达到较高的隔离度，较低的传输系数。本实施例所述的十二单元5G多输入多输出天线可以应用于5G智能手机、平板电脑、手提电脑、无线路由等电子产品中。
在一个具体的实施例中，所述的介质基板7的每条长边上设置2个所述的辐射区域；所述的介质基板7的每条短边上设置1个所述的辐射区域。6个所述的辐射区域排布在所述的介质基板7的四周，所述的传输线、开槽天线依次循环排列设置，如图2、图2所示。
在一个具体的实施例中，所述的介质基板7的相对介电常数εr为4.4，正切损耗tanδ为0.02。所述的介质基板7采用RF-4材料制作而成。
在一个具体的实施例中，所述的第一金属地平面11、第二金属地平面8连接组成金属地平面；且所述的金属地平面位于介质基板7的中间位置。
再进一步地，所述的L型单极子天线2包括第一天线臂12、第二天线臂13；所述的第一天线臂12沿着介质基板7的边设置；所述的第二天线臂13垂直于第一天线臂12的一端；所述的传输线5与第二天线臂13耦合连接；所述的第二天线臂13、第一天线臂12均与第二金属地平面8设有间隙结构。
再进一步地，所述的第一天线臂12的长度L3为24.8mm，宽度W3为1mm；所述的第二天线臂13的宽度1.5mm。
本实施例所述的十二单元5G多输入多输出天线的具体参数如表1所示。
表1
本实施例的性能参数：
1.反射系数。由于每对天线对配置都是相同的，且结构关于z轴对称，所以只要给出辐射区域A-1、A-2、A-3的反射系数即可，如图8所示。
2.传输系数，本实施例测量的传输系数如图9、图10、图11、图12、图13、图14、图15、图16、图17、图18、图19、图20、图21。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种紧凑型正交极化的十二单元5G多输入多输出天线，包括介质基板、设置在介质基板底部的第一金属地平面；其特征在于：还包括6个辐射区域，所述的辐射区域分布在介质基板的四周；
所述的辐射区域包括设置在介质基板顶部的传输线，设置在介质基板底部的L型单极子天线、第二金属地平面；
所述的第二金属地平面设有开槽天线，所述的开槽天线设置为开槽结构；所述的开槽天线的中间设有第一馈电探针、第一电感器；所述的第一馈电探针的一端与开槽天线的一侧连接，第一馈电探针的另一端通过第一电感器与开槽天线的相对的另一侧连接；
所述的第二金属地面设有贯穿于第二金属地面、介质基板的馈电通孔；所述的馈电通孔中设有第二馈电探针；
所述的传输线的一端与L型单极子天线的一端耦合连接；所述的传输线的另一端与第二馈电探针连接；所述的L型单极子天线与第二金属地平面设有间隙结构；
所述的第二馈电探针把能量传到介质基板顶部的传输线，所述的传输线把能量经过介质基板耦合到介质基板底层的L型单极子天线上。
2.根据权利要求1所述的紧凑型正交极化的十二单元5G多输入多输出天线，其特征在于：所述的介质基板的每条长边上设置2个所述的辐射区域；所述的介质基板的每条短边上设置1个所述的辐射区域。
3.根据权利要求2所述的紧凑型正交极化的十二单元5G多输入多输出天线，其特征在于：6个所述的辐射区域排布在所述的介质基板的四周，所述的传输线、开槽天线依次循环排列设置。
4.根据权利要求3所述的紧凑型正交极化的十二单元5G多输入多输出天线，其特征在于：所述的介质基板的相对介电常数εr为4.4，正切损耗tanδ为0.02。
5.根据权利要求1～4任一项所述的紧凑型正交极化的十二单元5G多输入多输出天线，其特征在于：所述的介质基板的长度为156mm，宽度为75mm，厚度为0.8mm。
6.根据权利要求5所述的紧凑型正交极化的十二单元5G多输入多输出天线，其特征在于：所述的第一金属地平面、第二金属地平面连接组成金属地平面；所述的金属地平面的长度为150，宽度为69mm，且所述的金属地平面位于介质基板的中间位置。
7.根据权利要求6所述的紧凑型正交极化的十二单元5G多输入多输出天线，其特征在于：所述的开槽天线的长度为41.2mm，宽度为3mm。
8.根据权利要求7所述的紧凑型正交极化的十二单元5G多输入多输出天线，其特征在于：所述的L型单极子天线包括第一天线臂、第二天线臂；所述的第一天线臂沿着介质基板的边设置；所述的第二天线臂垂直于第一天线臂的一端；所述的传输线与第二天线臂耦合连接；所述的第二天线臂、第一天线臂均与第二金属地平面设有间隙结构。
9.根据权利要求8所述的紧凑型正交极化的十二单元5G多输入多输出天线，其特征在于：所述的第一天线臂的长度L3为24.8mm，宽度W3为1mm；所述的第二天线臂的宽度1.5mm。
10.根据权利要求9所述的紧凑型正交极化的十二单元5G多输入多输出天线，其特征在于：所述的传输线的宽度W4为1.5mm，长度为8.635。
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