CN113346225A - 一种宽带水平极化水平全向覆盖mimo天线对 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽带水平极化水平全向覆盖MIMO天线对，涉及天线工程技术领域。本发明主要是为了解决现有的路由器天线带宽较窄、水平极化缺失、MIMO性能受限的问题。天线对由两个单侧开口的金属腔体天线背向结合构成，实现了整体的水平全向覆盖，金属腔体天线辐射水平极化波，两个馈电端口之间保持比较高的隔离度，具备较好的MIMO性能。天线对通过高度缩短、辐射口面半封口等方法实现宽带和小型化。因此，本发明能够广泛应用到支持Wi‑Fi 6E的无线路由器等设备中。

Description

一种宽带水平极化水平全向覆盖MIMO天线对
技术领域
本发明属于天线技术领域，特别涉及一种宽带水平极化水平全向覆盖MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出)天线对。
背景技术
随着无线通信技术的发展，支持Wi-Fi功能的无线路由器进入到千家万户，Wi-Fi标准也在不断地发展和更新，传输速率日益提升。但随着室内需要接入无线网络的智能设备数量显著增多，过往的Wi-Fi标准面临着的信道容量和通信速率的压力越来越大。近年来，Wi-Fi 6和Wi-Fi 6E相继通过认证，其中Wi-Fi 6E增加了新的6GHz频段，能够显著提升信道容量，有效缓解传统2.4GHz和5GHz频段拥塞的问题。而新频段的加入往往意味着路由器天线数量的增加，美观度下降，生产成本也明显提升。另外，传统的无线路由器天线结构和尺寸限制决定了其难以覆盖6GHz频段的较宽频带。因此，为减少路由器天线数量，降低生产成本，设计一款能够同时覆盖5GHz和6GHz频段的小型天线十分必要。
传统的无线路由器天线主要包括单极子天线、偶极子天线以及其他基于这两种变形的天线。天线的形式以及尺寸的限制使得其难以覆盖新加入的6GHz频段。当前市场上的路由器基本都支持MIMO技术，一般情况下，通过增加天线数量，可以提升MIMO性能。但对于上述目前路由器天线中常用的垂直极化天线而言，两个垂直极化的天线在近距离情况下难以实现高隔离度，这使得在有限空间下，增加天线数量会引起隔离度的恶化，最终会直接限制MIMO性能的提升。此外，这样的天线结构决定其发射和接收的电磁波只能是垂直极化，而现实场景中人们对于手机的持握和放置往往是接近水平状态，此时手机发射和接收的电磁波是水平极化。这种路由器天线和手机天线之间的极化失配只能由电磁波在富散射环境中传播时发生极化旋转来解决，牺牲了通信速率和信号的传输范围。综上所述，当前的路由器天线仍然存在带宽、极化以及MIMO技术受限的问题。因此，设计一款宽带水平极化水平全向覆盖的MIMO天线对，既能够更好的适应Wi-Fi 6E标准的宽带需求，也能引入水平极化，提高通信速率和范围，又能够在原本相同的空间下，置入两倍数量的天线，显著增加天线数量，充分发挥新技术的优势。
金属腔体天线形状多变，模式更多，容易实现水平极化。但相同工作频率下，金属腔体天线相较于单极子天线和偶极子天线尺寸明显较大，用于无线路由器会占用更多空间，限制总体天线数量，又影响产品的整体美观度，但是减小腔体尺寸又会减小天线的工作带宽。所以，在新标准更宽的带宽要求下，设计一款小型化又能保持宽带性能的腔体天线极具需求和挑战。
发明内容
为了克服现有无线路由器天线的缺点，适应Wi-Fi 6E标准对天线的需求，解决现有的路由器天线带宽较窄、水平极化缺失、MIMO性能受限的问题，本发明的目的在于提供一种宽带水平极化水平全向覆盖MIMO天线对，能够同时覆盖5GHz和6GHz频段，且具备小型化特点，在既满足新标准带宽的同时，又能发挥水平极化的优势，在同样空间内有效增加天线数量，利用MIMO技术提升通信性能。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种宽带水平极化水平全向覆盖MIMO天线对，由完全相同的金属腔体天线一和金属腔体天线二背向对称结合构成，其特征在于，所述金属腔体天线一和金属腔体天线二的辐射口面分别位于二者的结合面的相对侧，除辐射口面之外，二者的其余侧面均为金属封闭面。
所述金属腔体天线一和金属腔体天线二结合面为共用的金属片一，二者通过金属片一隔断。
所述辐射口面以金属片二进行半封口，以增强腔体谐振，使得天线在宽度较小的情况下也能实现宽带，并使电场向外辐射时能沿着金属片二向前后传播，增强前后方向的辐射，同时侧射性能基本保持不变，更好地覆盖水平面180度的范围。
所述半封口是金属片二从辐射口面两侧向中间延伸，减小辐射口面的尺寸。
穿过所述金属腔体天线一和金属腔体天线二设置有用于天线激励的水平的金属柱，以使腔体产生水平极化电场，所述金属柱为同轴线内导体，与辐射口面所处平面平行。
所述金属腔体天线一和金属腔体天线二在金属柱的至少一端所处面上设置有用于调节天线的阻抗匹配的圆孔，金属柱与圆孔同心。
若以结合面和辐射口面的垂直连线为x向，假定x向水平，则与x向垂直的水平方向为y向，与x向和y向垂直的方向为z向，金属腔体天线一和金属腔体天线二的x向的最大尺寸为宽度，y向的最大尺寸为深度，z向的最大尺寸为高度，宽度和高度分别影响腔体谐振的基模和三次模，通过减小腔体的高度减小三次模的谐振频率，使其逐渐靠近基模，实现宽带。
所述金属腔体天线一和金属腔体天线二的上下面均用金属片三封口，以有效阻止电磁波向上下两侧的辐射，提高侧射增益，减小两腔体之间的耦合。
所述金属腔体天线一和金属腔体天线二为长方体、圆柱或四棱柱形状，其上下两面采用渐收结构或无金属封闭。
所述金属腔体天线一和金属腔体天线二内充有介质。
所述金属腔体天线一和金属腔体天线二采用覆盖金属的PCB板制作。
与现有技术相比，本发明单个天线对即能够同时覆盖Wi-Fi 6E的5GHz和6GHz频段。引入水平极化能够适应更多的通信场景，提升通信质量。同时，在原本单个天线的空间内设计两个天线构成MIMO天线对，在保证路由器外观美观的同时，能够显著增加天线数量，提升信道容量。另外，全金属的结构使得天线效率高、成本低、易加工。因此，本发明设计的宽带水平极化水平全向覆盖MIMO天线对相较于传统的路由器天线具有非常多的优点，在无线通信技术新标准Wi-Fi 6E下具有更广泛的应用前景。
附图说明
图1为天线对结构示意图。
图2为实施例1天线对结构及尺寸示意图，单位均为毫米(mm)
图3为实施例1天线对S参数曲线，其中(a)为S11随半封口金属片宽度的变化曲线，(b)为最终设计的天线对阻抗匹配和隔离度曲线。
图4为实施例1天线对水平面方向图，其中(a)、(b)、(c)和(d)分别对应5.5GHz、6GHz、6.5GHz和7GHz。
图5为实施例2大尺寸天线对结构示意图。
图6为实施例3基于PCB板的天线对结构示意图。
图7为实施例4的天线对结构示意图(透视图)。
图8为实施例4的天线对结构示意图(俯视图)。
图9为实施例5的圆柱天线对结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1所示，本发明一种宽带水平极化水平全向覆盖MIMO天线对，由完全相同的金属腔体天线一1和金属腔体天线二8背向结合构成，且二者共用结合面，沿结合面镜像对称，构成一个整体，即MIMO天线对。其中“背向”指的是金属腔体天线一1和金属腔体天线二8的辐射口面位于相反侧，即，二者的辐射口面(即图1中的阴影区域)分别位于结合面的相对侧。
为便于描述，本发明中，定义结合面与辐射口面的垂直连线方向为x向，并假定x向水平，与x向垂直的水平方向为y向，与x向和y向垂直的方向为z向，由此，金属腔体天线一1和金属腔体天线二8的上下面即“垂直于z向的两个面”，其余面可定义为“侧面”，在本发明中，除辐射口面之外，金属腔体天线一1和金属腔体天线二8的其余侧面均为金属封闭面，在图1中，包括垂直x向的一个侧面和垂直y向的两个侧面，分别以金属片一5和金属片四4封闭。
图1所示的结构中，金属腔体天线一1和金属腔体天线二8均采用长方体形状，腔体的五面封闭，但也可采用其它形状，如圆柱或四棱柱形状等，其上下两面可以采用渐收结构或无金属封闭。金属腔体天线一1和金属腔体天线二8内可以存在介质，介质可以是空气或者其他。在具体工艺上，金属腔体天线一1和金属腔体天线二8均可以采用覆盖金属的PCB板制作。
在本发明中，结合面即金属片一5，金属腔体天线一1和金属腔体天线二8通过金属片一5隔断。金属片二2可从辐射口面两侧向中间延伸，以减小辐射口面的尺寸。穿过金属腔体天线一1和金属腔体天线二8分别设置y向的金属柱6，金属柱6为同轴线内导体，与辐射口面所处平面平行，用于天线激励，使腔体产生水平极化电场。金属腔体天线一1和金属腔体天线二8在金属柱6的至少一端所处面上设置有用于调节天线的阻抗匹配的圆孔7，金属柱6与圆孔7同心。
以金属腔体天线一1和金属腔体天线二8的x向的最大尺寸为宽度，y向的最大尺寸为深度，z向的最大尺寸为高度，宽度和高度分别影响腔体谐振的基模和三次模，减小腔体的高度，能够显著减小三次模的谐振频率，使其逐渐靠近基模，实现宽带。另外，金属腔体天线一1和金属腔体天线二8的上下面可用金属片三3封口，以有效阻止电磁波向上下两侧的辐射，提高侧射增益，减小两天线腔之间的耦合。
为进一步减小天线尺寸，腔体宽度被明显变窄，但没有封口时，在所需工作频率下谐振较差，整个天线以金属柱6单极子辐射为主，本发明的辐射口面以金属片二2进行半封口，可以显著增强腔体谐振，拓展带宽，使得天线在宽度较小的情况下也能实现宽带，此外通过设置金属片二2也更有利于支持口面上的水平电场，使电场向外辐射时能沿着金属片二2向前后传播，增强前后方向的辐射，同时侧射性能基本保持不变，更好地覆盖水平面180度的范围。此半封口设计对于拓展带宽和水平面覆盖都具有非常重要的作用。
由此，本发明MIMO天线对尺寸远小于相同频率下两个宽度未变窄，未半封口的腔体天线直接结合。两个馈电端口之间具有较高的隔离度。本发明通过高度缩短、辐射口面半封口等方法实现宽带和小型化，所得到的MIMO天线对具有水平极化和水平全向覆盖的特点，用于无线路由器能够显著提升通信性能，能够广泛应用到支持Wi-Fi 6E的无线路由器等设备中。
以下是本发明的几个具体实施例。
实施例1
天线对的整体结构如图2所示，由两个相同金属腔体天线组成，中间被金属片一分隔开，由两侧阴影所示的辐射口面向外辐射。天线对在x向、y向和z向的尺寸分别为10.6毫米、12.9毫米和60毫米。本实施例天线为空气介质，亦可以用其他介质来替代。中间的金属圆柱为同轴线内导体，半径为0.6毫米，两天线均由此点激励，工作在基模和三次模，通过两侧的开口向外辐射。金属柱正对一半径为1.7毫米的圆孔，用于调节阻抗匹配，两者同心。辐射口面有用于部分封口的金属片二，用于加强腔体谐振模式，增加天线带宽，从图3中的(a)可以看出，随着金属片二变宽，辐射口面的减小，天线带宽逐渐增加，本设计最终选用的金属片二的尺寸为3.3毫米，对应的开口宽度为4毫米，如图中阴影所示。天线两个端口的隔离度如图3中的(b)所示，在整个带宽内隔离度达到-19dB以上。天线的辐射方向图如图4所示，从图4中(a)、(b)、(c)和(d)可以看出，同一频率下，两天线分别水平面覆盖180度范围，两者结合实现水平面的全向覆盖，具备较好的MIMO性能。
实施例2
天线对的整体结构如图5所示。由两个相同的去除侧壁的金属腔体天线向背结合而成，两天线分别由两侧阴影所示的辐射口面向外辐射，馈电方式与实施例1相同。天线对的整体宽度相较于实施例1明显变宽，能够在没有半封口的金属片二2的情况下，使腔体激励起基模和三次模，保证天线的工作带宽。相较于实施例1牺牲了天线对尺寸，但天线对仍具备水平极化和水平全向覆盖的特点，两端口之间仍具有较高的隔离度。
实施例3
天线对的整体结构如图6所示。金属片四4为PCB板，天线用微带线进行馈电，其他的金属片亦可用PCB板来替代。两个金属腔体天线分别由两侧阴影所示的辐射口面向外辐射，辐射口面仍具有半封口的特点，在天线宽度较窄的情况下能够显著加强腔体谐振模式，增加天线带宽。该实施例天线对所辐射电磁波也为水平极化，两端口能够保持较高的隔离度，方向图也能够实现水平全向覆盖。
实施例4
天线对的整体结构如图7和图8所示。天线的金属片三3用渐收的棱锥代替，辐射口面也向两尖端延长。棱锥形状的渐收结构也能够降低腔体三次模谐振频率，并阻止电磁波沿着腔体向上下两侧辐射，削弱两个腔体之间的耦合。半封口的辐射口面也能够增强腔体谐振模式，增加天线带宽。水平极化的电磁波由阴影所示的半封口的辐射口面向外辐射，两个天线的方向图一同覆盖水平全向。该实施例天线两端口也能够保持较高的隔离度，具备较好的MIMO性能。
实施例5
天线对的整体结构如图9所示。单个天线的结构为半圆柱形，在圆弧侧开口，两个天线结合构成一个完整的圆柱体，中间由金属片一5分隔。圆弧弯曲的特性使得阴影所示的辐射口面处有近似于从两侧半封口的特点，能够加强腔体谐振，拓展工作带宽。天线辐射水平极化电磁波，整体的天线对能够实现水平全向覆盖，两天线端口也能保持比较高的隔离度。

Claims (10)

1.一种宽带水平极化水平全向覆盖MIMO天线对，由完全相同的金属腔体天线一(1)和金属腔体天线二(8)背向对称结合构成，其特征在于，所述金属腔体天线一(1)和金属腔体天线二(8)的辐射口面分别位于二者的结合面的相对侧，除辐射口面之外，二者的其余侧面均为金属封闭面。
2.根据权利要求1所述宽带水平极化水平全向覆盖MIMO天线对，其特征在于，所述金属腔体天线一(1)和金属腔体天线二(8)结合面为共用的金属片一(5)，二者通过金属片一(5)隔断。
3.根据权利要求1所述宽带水平极化水平全向覆盖MIMO天线对，其特征在于，所述辐射口面以金属片二(2)进行半封口，以增强腔体谐振，并使电场向外辐射时能沿着金属片二(2)向前后传播，增强前后方向的辐射，同时侧射性能基本保持不变，更好地覆盖水平面180度的范围。
4.根据权利要求3所述宽带水平极化水平全向覆盖MIMO天线对，其特征在于，所述半封口是金属片二(2)从辐射口面两侧向中间延伸，减小辐射口面的尺寸。
5.根据权利要求1所述宽带水平极化水平全向覆盖MIMO天线对，其特征在于，穿过所述金属腔体天线一(1)和金属腔体天线二(8)设置有用于天线激励的水平的金属柱(6)，以使腔体产生水平极化电场，所述金属柱(6)为同轴线内导体，与辐射口面所处平面平行。
6.根据权利要求5所述宽带水平极化水平全向覆盖MIMO天线对，其特征在于，所述金属腔体天线一(1)和金属腔体天线二(8)在金属柱(6)的至少一端所处面上设置有用于调节天线的阻抗匹配的圆孔(7)，金属柱(6)与圆孔(7)同心。
7.根据权利要求1所述宽带水平极化水平全向覆盖MIMO天线对，其特征在于，以结合面和辐射口面的垂直连线为x向，x向水平，与x向垂直的水平方向为y向，与x向和y向垂直的方向为z向，金属腔体天线一(1)和金属腔体天线二(8)的x向的最大尺寸为宽度，y向的最大尺寸为深度，z向的最大尺寸为高度，宽度和高度分别影响腔体谐振的基模和三次模，通过减小腔体的高度减小三次模的谐振频率，使其逐渐靠近基模，实现宽带。
8.根据权利要求1所述宽带水平极化水平全向覆盖MIMO天线对，其特征在于，所述金属腔体天线一(1)和金属腔体天线二(8)的上下面均用金属片三(3)封口，以有效阻止电磁波向上下两侧的辐射，提高侧射增益，减小两腔体之间的耦合。
9.根据权利要求1所述宽带水平极化水平全向覆盖MIMO天线对，其特征在于，所述金属腔体天线一(1)和金属腔体天线二(8)为长方体、圆柱或四棱柱形状，其上下两面采用渐收结构或无金属封闭。
10.根据权利要求1所述宽带水平极化水平全向覆盖MIMO天线对，其特征在于，所述金属腔体天线一(1)和金属腔体天线二(8)采用覆盖金属的PCB板制作。
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