CN113036416B - 一种具有低sar特征的八单元mimo天线阵 - Google Patents

一种具有低sar特征的八单元mimo天线阵 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有低SAR特征的八单元MIMO天线阵，包括长方形状的第一介质基板以及垂直设置于第一介质基板两平行边上的第二介质基板和第三介质基板；所述第二介质基板上设置有对称分布的天线单元Ant5‑Ant8；所述第三介质基板上设置有对称分布的天线单元Ant1‑Ant4，所述第二介质基板与第三介质基板关于过第一介质基板轴线的平面对称。本发明提供了一种具有低SAR特征的八单元MIMO天线阵，实现了多天线同时辐射时天线具有远低于国际标准的SAR特征。本发明的天线阵列具有良好的效率、隔离度以及包络相关系数等性能参数，其适用于5G智能手机。

Description

一种具有低SAR特征的八单元MIMO天线阵
技术领域
本发明属于天线领域，具体涉及一种具有低SAR特征的八单元MIMO天线阵。
背景技术
以极大地提高数据速率、信道容量以及频谱效率。为了避免手机等终端设备产生的电磁辐射对人类健康的危害，国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)和电气和电子工程师协会(IEEE)规定了移动通信设备的比吸收率(SAR)的限值。SAR表示单位质量生物组织吸收的电磁功率。但是现有的5G智能手机MIMO天线设计中都是在研究高隔离度、多频段和低剖面等方面，对于SAR的研究很少，相关文献中只是附带给出SAR的仿真结果，并未将降低SAR值作为重点研究内容。有一些文献分析了天线的类型、位置、地板尺寸、双端口之间的相位对SAR值的影响，但这些结论是基于特定的研究对象得出的，不具有一般性，对低SAR值MIMO手机天线设计的指导意义不大。还有一些文献提出在天线和人头之间***一层材料降低SAR值，比如导体板、铁氧体等，这些材料可以用来反射或吸收天线朝向人头的电磁辐射；或者是高阻抗表面(HIS)、电磁带隙(EBG)结构等，这些材料可以抑制表面电流的传播，进而减小朝向人头的电磁辐射。但是，由于目前手机的主流设计具有全屏和超薄的特点，***层的尺寸对于实际应用来说通常太大，而且它的有效带宽通常比手机的工作频段窄，故这些方案并不实用。
发明内容
本发明提供的一种具有低SAR特征的八单元MIMO天线阵实现了具有低SAR特征的八单元天线阵，其具备远低于国际标准的SAR值。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种具有低SAR特征的八单元MIMO天线阵，包括长方形状的第一介质基板以及垂直设置于第一介质基板两平行边上的第二介质基板和第三介质基板；
所述第二介质基板上设置有对称分布的天线单元Ant5-Ant8，所述天线单元Ant5-Ant6与天线单元Ant7-Ant8关于第二介质基板的轴线对称；所述第三介质基板上设置有对称分布的天线单元Ant1-Ant4，所述天线单元Ant1-Ant2与天线单元Ant3-Ant4关于第三介质基板的轴线对称；所述天线单元Ant1与天线单元Ant2、天线单元Ant3与天线单元Ant4、天线单元Ant5与天线单元Ant6以及天线单元Ant7与天线单元Ant8之间的距离均为d；所述天线单元Ant2与天线单元Ant3以及天线单元Ant6与天线单元Ant7之间的距离为L；所述第二介质基板与第三介质基板关于过第一介质基板轴线的平面对称。
进一步地，所述第一介质基板的尺寸为154mm×74mm×0.8mm，所述第二介质基板和第三介质基板的尺寸均为144mm×6.7mm×0.8mm，所述d为11mm，所述L为13.2mm。
进一步地，所述第一介质基板分为第一预留区域、底板以及第二预留区域，所述第一预留区域和第二预留区域分布于底板的两侧，且尺寸均为74mm×5mm，所述底板尺寸为144mm×74mm，所述第二介质基板和第三介质基板设置于底板上。
进一步地，所述第一介质基板、第二介质基板和第三介质基板所采用的材料均为FR4材料。
进一步地，所述天线单元Ant1-Ant8的结构相同，均包括偶极子辐射体、T形馈电结构、凸起结构以及微带线；所述偶极子辐射体为带缺口的口字形结构，所述缺口设置于偶极子辐射体的轴线上且偶极子辐射体关于轴线对称；所述偶极子辐射体上与缺口相对的边为天线AA'，所述偶极子辐射体上不带缺口且与A点连接的一边为天线AB，所述偶极子辐射体上B点到缺口的天线为BH；所述天线BH上设置有5个弯折点，所述5个弯折点分别为C点、D点、E点、F点和G点；所述B点到C点、D点到E点以及F点到G点之间的天线平行，所述C点到D点、E点到F点以及G点到H点之间的天线平行且长度相等；
所述T形馈电结构两端点组成的天线MN设置于天线AA'的中间位置，且其轴线与偶极子辐射体的轴线重合；所述天线AA'的中间位置上还设置有凸起结构，所述T形馈电结构的第三端与微带线的一端L连接，所述微带线的另一端L'为天线单元的输入输出连接端。
进一步地，所述偶极子辐射体的尺寸为23.2mm×5.6mm，所述天线AA'的尺寸为23.2mm×1mm，所述天线AB的尺寸为5.6×0.8mm，所述天线BC的尺寸为3.75m×1.5mm，所述天线CD的尺寸为3mm×0.3mm，所述天线DE的尺寸为4.1mm×0.5mm，所述天线EF的尺寸为3mm×0.3mm，所述天线FG的尺寸为3.65mm×1.5mm，所述天线GH的尺寸为3mm×0.7mm；所述凸起结构的尺寸为6mm×0.6mm，其两端为I点和J点，天线IJ与天线AA'平行；所述天线MN的尺寸为7mm×1.2mm，所述微带线的尺寸为5mm×1.5mm。
本发明的有益效果为：
(1)本发明提供了一种具有低SAR特征的八单元MIMO天线阵，实现了多天线同时辐射时天线具有远低于国际标准的SAR特征。
(2)本发明的天线阵列具有良好的效率、隔离度以及包络相关系数等性能参数，其适用于5G智能手机。
(3)本发明布局简洁，易于生产，可大范围进行生产使用，具备良好的应用前景，提供了低SAR的5G MIMO智能手机天线阵。
附图说明
图1为本发明提出的一种具有低SAR特征的八单元MIMO天线阵，其中图1(a)为八单元MIMO天线阵的结构和尺寸示意图，图1(b)为八单元MIMO天线阵侧视图，图1(c)为天线单元结构和尺寸示意图。
图2(a)为本发明中天线单元Ant1到天线Ant6的S参数仿真结果图，图2(b)为本发明中天线单元Ant1到天线Ant2的效率仿真结果示意图。
图3为本发明提出的一种具有低SAR特征的八单元MIMO天线阵的包络相关系数(ECC)的测试结果图。
其中：1-第一介质基板、2-第二介质基板、3-第三介质基板、4-偶极子辐射体、5-T形馈电结构、6-凸起结构、7-微带线。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
下面结合附图详细说明本发明的实施例。
如图1(a)至图1(c)所示，一种具有低SAR特征的八单元MIMO天线阵，包括长方形状的第一介质基板1以及垂直设置于第一介质基板1两平行边上的第二介质基板2和第三介质基板3；
所述第二介质基板2上设置有对称分布的天线单元Ant5-Ant8，所述天线单元Ant5-Ant6与天线单元Ant7-Ant8关于第二介质基板2的轴线对称；所述第三介质基板3上设置有对称分布的天线单元Ant1-Ant4，所述天线单元Ant1-Ant2与天线单元Ant3-Ant4关于第三介质基板3的轴线对称；所述天线单元Ant1与天线单元Ant2、天线单元Ant3与天线单元Ant4、天线单元Ant5与天线单元Ant6以及天线单元Ant7与天线单元Ant8之间的距离均为d；所述天线单元Ant2与天线单元Ant3以及天线单元Ant6与天线单元Ant7之间的距离为L；所述第二介质基板2与第三介质基板3关于过第一介质基板1轴线的平面对称。
所述第一介质基板1的尺寸为154mm×74mm×0.8mm，所述第二介质基板2和第三介质基板3的尺寸均为144mm×6.7mm×0.8mm，所述d为11mm，所述L为13.2mm。
所述第一介质基板1分为第一预留区域、底板以及第二预留区域，所述第一预留区域和第二预留区域分布于底板的两侧，且尺寸均为74mm×5mm，所述底板尺寸为144mm×74mm，所述第二介质基板2和第三介质基板3设置于底板上。
所述第一介质基板1、第二介质基板2和第三介质基板3所采用的材料均为FR4材料。
所述天线单元Ant1-Ant8的结构相同，均包括偶极子辐射体4、T形馈电结构5、凸起结构6以及微带线7；所述偶极子辐射体4为带缺口的口字形结构，所述缺口设置于偶极子辐射体4的轴线上且偶极子辐射体4关于轴线对称；所述偶极子辐射体4上与缺口相对的边为天线AA'，所述偶极子辐射体4上不带缺口且与A点连接的一边为天线AB，所述偶极子辐射体4上B点到缺口的天线为BH；所述天线BH上设置有5个弯折点，所述5个弯折点分别为C点、D点、E点、F点和G点；所述B点到C点、D点到E点以及F点到G点之间的天线平行，所述C点到D点、E点到F点以及G点到H点之间的天线平行且长度相等；
所述T形馈电结构5两端点组成的天线MN设置于天线AA'的中间位置，且其轴线与偶极子辐射体4的轴线重合；所述天线AA'的中间位置上还设置有凸起结构6，所述T形馈电结构5的第三端与微带线7的一端L连接，所述微带线7的另一端L'为天线单元的输入输出连接端。
所述偶极子辐射体4的尺寸为23.2mm×5.6mm，所述天线AA'的尺寸为23.2mm×1mm，所述天线AB的尺寸为5.6×0.8mm，所述天线BC的尺寸为3.75m×1.5mm，所述天线CD的尺寸为3mm×0.3mm，所述天线DE的尺寸为4.1mm×0.5mm，所述天线EF的尺寸为3mm×0.3mm，所述天线FG的尺寸为3.65mm×1.5mm，所述天线GH的尺寸为3mm×0.7mm；所述凸起结构6的尺寸为6mm×0.6mm，其两端为I点和J点，天线IJ与天线AA'平行；所述天线MN的尺寸为7mm×1.2mm，所述微带线7的尺寸为5mm×1.5mm。
如图2所示，一种具有低SAR特征的八单元MIMO天线阵的S参数和天线效率的仿真结果，由于该天线是对称分布的，为简洁起见，只给出了天线单元Ant1到天线单元Ant6的仿真结果。从图2可知，天线Ant1和天线Ant2的-6dB阻抗带宽能够完全覆盖3400-3600MHz，且隔离度大于15dB，天线的效率在50％-70％。
如图3所示，一种具有低SAR特征的八单元MIMO天线阵的包络相关系数ECC的测试结果，该值是从测试的复合场中得到的，可以看出在期望的频带内天线端口的ECC小于0.1，完全满足智能手机的实际需求。
另外，使用本发明提供的八单元MIMO天线阵的SAR值进行仿真测试，八单元天线同时辐射时，其头SAR最大值为0.63W/kg，Body SAR最大值为0.28W/kg，远远低于国际指标。

Claims (5)

1.一种具有低SAR特征的八单元MIMO天线阵，其特征在于，包括长方形状的第一介质基板(1)以及垂直设置于第一介质基板(1)两平行边上的第二介质基板(2)和第三介质基板(3)；
所述第二介质基板(2)上设置有对称分布的天线单元Ant5-Ant8，所述天线单元Ant5-Ant6与天线单元Ant7-Ant8关于第二介质基板(2)的轴线对称；所述第三介质基板(3)上设置有对称分布的天线单元Ant1-Ant4，所述天线单元Ant1-Ant2与天线单元Ant3-Ant4关于第三介质基板(3)的轴线对称；所述天线单元Ant1与天线单元Ant2、天线单元Ant3与天线单元Ant4、天线单元Ant5与天线单元Ant6以及天线单元Ant7与天线单元Ant8之间的距离均为d；所述天线单元Ant2与天线单元Ant3以及天线单元Ant6与天线单元Ant7之间的距离为L；所述第二介质基板(2)与第三介质基板(3)关于过第一介质基板(1)轴线的平面对称；
所述天线单元Ant1-Ant8的结构相同，均包括偶极子辐射体(4)、T形馈电结构(5)、凸起结构(6)以及微带线(7)；所述偶极子辐射体(4)为带缺口的口字形结构，所述缺口设置于偶极子辐射体(4)的轴线上且偶极子辐射体(4)关于轴线对称；所述偶极子辐射体(4)上与缺口相对的边为天线AA'，所述偶极子辐射体(4)上不带缺口且与A点连接的一边为天线AB，所述偶极子辐射体(4)上B点到缺口的天线为BH；所述天线BH上设置有5个弯折点，所述5个弯折点分别为C点、D点、E点、F点和G点；所述B点到C点、D点到E点以及F点到G点之间的天线平行，所述C点到D点、E点到F点以及G点到H点之间的天线平行且长度相等；
所述T形馈电结构(5)两端点组成的天线MN设置于天线AA'的中间位置，且其轴线与偶极子辐射体(4)的轴线重合；所述天线AA'的中间位置上还设置有凸起结构(6)，所述T形馈电结构(5)的第三端与微带线(7)的一端L连接，所述微带线(7)的另一端L'为天线单元的输入输出连接端。
2.根据权利要求1所述的具有低SAR特征的八单元MIMO天线阵，其特征在于，所述第一介质基板(1)的尺寸为154mm×74mm×0.8mm，所述第二介质基板(2)和第三介质基板(3)的尺寸均为144mm×6.7mm×0.8mm，所述d为11mm，所述L为13.2mm。
3.根据权利要求1所述的具有低SAR特征的八单元MIMO天线阵，其特征在于，所述第一介质基板(1)分为第一预留区域、底板以及第二预留区域，所述第一预留区域和第二预留区域分布于底板的两侧，且尺寸均为74mm×5mm，所述底板尺寸为144mm×74mm，所述第二介质基板(2)和第三介质基板(3)设置于底板上。
4.根据权利要求1所述的具有低SAR特征的八单元MIMO天线阵，其特征在于，所述第一介质基板(1)、第二介质基板(2)和第三介质基板(3)所采用的材料均为FR4材料。
5.根据权利要求1所述的具有低SAR特征的八单元MIMO天线阵，其特征在于，所述偶极子辐射体(4)的尺寸为23.2mm×5.6mm，所述天线AA'的尺寸为23.2mm×1mm，所述天线AB的尺寸为5.6×0.8mm，所述天线BC的尺寸为3.75m×1.5mm，所述天线CD的尺寸为3mm×0.3mm，所述天线DE的尺寸为4.1mm×0.5mm，所述天线EF的尺寸为3mm×0.3mm，所述天线FG的尺寸为3.65mm×1.5mm，所述天线GH的尺寸为3mm×0.7mm；所述凸起结构(6)的尺寸为6mm×0.6mm，其两端为I点和J点，天线IJ与天线AA'平行；所述天线MN的尺寸为7mm×1.2mm，所述微带线(7)的尺寸为5mm×1.5mm。
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