CN113851831A - 一种基于贴片电容解耦的5g移动端小型化紧布置mimo天线 - Google Patents
一种基于贴片电容解耦的5g移动端小型化紧布置mimo天线 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于集总贴片电容解耦的5G移动端小型化紧布置MIMO天线,适用于移动通信领域,包括:一块介质基板、一块***金属地板、地板上两个用于增加隔离度的谐振缝隙及四个紧布置天线模块;四个天线模块的物理尺寸相同,位于金属地板同一平面内且呈镜像对称关系;每个天线模块均包含一个矩形贴片,两个金属条带,五个贴片电容,两个馈电微带线和相应的两个馈电端口;此外,在单元内部引入附加去耦结构单元,在地板长边沿的中间部分引入两个地板缝隙作为谐振器,从而达到提高天线内部和天线模块间隔离度的目标。本发明结构非常简单,且具有高效率,小型化,便于加工,制作成本低廉等优点,因此在5G移动终端中具有良好的应用前景。
Description
技术领域:
本发明涉及MIMO天线设计,特别涉及一种基于贴片电容解耦的5G移动端小型化紧布置MIMO天线,其属于移动通信领域。
背景技术:
MIMO是一种提高信道容量的有效技术并被认为是第五代(5G)移动通信***的关键技术之一。然而,MIMO天线单元之间的互耦合,会影响不同数据流之间的正交性,从而降低MIMO***的信道容量。为了减轻不需要的互耦,近年来广泛研究了各种去耦技术,例如电磁带隙、中和线、寄生去耦元件、解耦网络,带谐振槽的LC槽,条带或集总组件。
在5G移动终端中,大约8个MIMO天线单元在低于6GHz的频谱下运行,应容纳在尺寸有限的环境中,并与2G/3G/4G天线共存。然而,在5G移动终端中MIMO天线的占用空间过多,无法适应实际尺寸受限的环境。
为了解决上述问题并适应智能手机中尺寸受限的环境,将五个金属条带平面化竖直放置,与上方矩形贴片形成分布式电容集成在一起作为天线模块,通过对称的金属条带来减少天线整体尺寸。在保障天线的综合性能的基础上,设计出满足实际应用需求的MIMO小型化天线是亟待研究解决的问题。
同时,现在平面化设计的MIMO小型化天线也是一个热点,这种天线结构简单,且具有节约空间,成本低廉的优点,新颖且实用。
发明内容:
本发明是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种基于贴片电容解耦的5G移动端小型化紧布置MIMO天线,其将四个天线模块与地面相连,单个单元内部通过电容解耦,两天线模块之间通过谐振缝隙降低隔离度,并具有良好的阻抗匹配。
本发明所采用的技术方案有:一种基于贴片电容解耦的5G移动端小型化紧布置MIMO天线,包括介质基板5以及印刷在介质基板5上表面上的***金属地板6,在介质基板5上印刷有结构和尺寸相同且镜像对称的有第一天线模块1、第二天线模块2、第三天线模块3和第四天线模块4、第一地板缝隙1j-1以及第二地板缝隙1j-2,所述第一天线模块1包括矩形贴片1d、第一贴片电容1a-1、第二贴片电容1a-2、第三贴片电容1b-1、第四贴片电容1b-2、第五贴片电容1c、第一金属条带1e-1、第二金属条带1e-2、第一馈电微带线1i-1以及第二馈电微带线1i-2,所述第一金属条带1e-1和第二金属条带1e-2均与***金属地板6相连接,第一金属条带1e-1与第一贴片电容1a-1相连,第二金属条带1e-2与第二贴片电容1a-2相连,所述第一馈电微带线1i-1和第二馈电微带线1i-2位于第一金属条带1e-1和第二金属条带1e-2之间,且第一馈电微带线1i-1和第二馈电微带线1i-2分别与第一馈电端口1f和第二馈电端口1g相连,所述第一馈电微带线1i-1与第三贴片电容1b-1相连,第二馈电微带线1i-2与第四贴片电容1b-2相连,在所述天线模块1中间还引入由金属条带形成的附加去耦结构单元1h。
进一步地,所述第一贴片电容1a-1、第二贴片电容1a-2、第三贴片电容1b-1、第四贴片电容1b-2以及第五贴片电容1c的电容值不相同。
进一步地,所述第一天线模块1、第二天线模块2、第三天线模块3和第四天线模块4均关于介质基板5的两条中垂线镜像对称,尺寸均为16*6mm2。
进一步地,所述第一矩形贴片1d长为16mm,宽为0.5mm,所述第一金属条带1e-1和第二金属条带1e-2的长为4.5mm,宽为0.8mm,第一贴片电容1a-1和第二贴片电容1a-2的长为1mm,宽为0.8mm,电容值为0.1pF。
进一步地,所述第三贴片电容1b-1和第四贴片电容1b-2的一端焊接在矩形贴片1d上,另一端焊接在第一馈电微带线1i-1和第二馈电微带线1i-2上,所述第一馈电微带线1i-1和第二馈电微带线1i-2的长为4mm,宽为0.8mm,第三贴片电容1b-1和第四贴片电容1b-2电容值为0.5pF。
进一步地,所述第一馈电端口1f和第二馈电端口1g连接第一馈电微带线1i-1和第二馈电微带线1i-2进行馈电。
进一步地,所述附加去耦结构单元1h的一端与***金属地板6相连,另一端与第五贴片电容1c相焊接,附加去耦结构单元1h的长为4.5mm,宽为0.8mm,第五进一步地,所述第一地板缝隙1j-1以及第二地板缝隙1j-2是在***金属地板6上挖除两个宽为0.5mm的弯曲开口型“口”字缝隙而做成。
进一步地,所述第一天线模块1、第二天线模块2、第三天线模块3和第四天线模块4与***金属地板6在同一平面上,都印刷在介质基板5上。
本发明具有如下有益效果:
(1)天线模块的尺寸很小,仅为16×6mm2,可有效减小MIMO天线阵列所占用的自由空间体积。
(2)两个天线单元间的端口隔离度很高,在3400-3600MHz频段内实现了24dB的隔离度。
(3)解耦电路尺寸较小,且相当于分布式电容,降低了天线制作成本和解耦电路的复杂度。
附图说明:
图1为本发明MIMO天线的三维结构图。
图2为本发明MIMO天线中第一天线模块的平面结构图。
图3为本发明MIMO天线的S参数曲线。
图4为本发明MIMO天线中不同天线模块之间的隔离度。
图5为本发明MIMO天线中不同端口激励时的辐射效率。
具体实施方式:
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
本发明基于贴片电容解耦的5G移动端小型化紧布置MIMO天线,包括介质基板5以及印刷在介质基板5上表面上的***金属地板6,在介质基板5上印刷有结构和尺寸相同且镜像对称的第一天线模块1、第二天线模块2、第三天线模块3和第四天线模块4、第一地板缝隙1j-1以及第二地板缝隙1j-2,第一天线模块1包括矩形贴片1d、第一贴片电容1a-1、第二贴片电容1a-2、第三贴片电容1b-1、第四贴片电容1b-2、第五贴片电容1c、第一金属条带1e-1、第二金属条带1e-2、第一馈电微带线1i-1以及第二馈电微带线1i-2,其中第一贴片电容1a-1、第二贴片电容1a-2、第三贴片电容1b-1、第四贴片电容1b-2以及第五贴片电容1c的电容值不相同。第一金属条带1e-1和第二金属条带1e-2均与***金属地板6相连接,第一金属条带1e-1与第一贴片电容1a-1相连,第二金属条带1e-2与第二贴片电容1a-2相连。第一馈电微带线1i-1和第二馈电微带线1i-2位于第一金属条带1e-1和第二金属条带1e-2之间,且第一馈电微带线1i-1和第二馈电微带线1i-2分别与第一馈电端口1f和第二馈电端口1g相连,第一馈电微带线1i-1与第三贴片电容1b-1相连,第二馈电微带线1i-2与第四贴片电容1b-2相连。在天线模块1中间还引入由金属条带形成的附加去耦结构单元1h。
其中第一天线模块1、第二天线模块2、第三天线模块3、第四天线模块4具有相同物理结构,尺寸均为16*6mm2。
介质基板5的厚度为0.8mm,介质基板5的上表面是***金属地板6和四个天线模块。
其中天线模块1上的矩形贴片1d长为16mm,宽为0.5mm,矩形贴片1d两端与第一金属条带1e-1和第二金属条带1e-2的一端通过焊接第一贴片电容1a-1和第二贴片电容1a-2相连,第一金属条带1e-1和第二金属条带1e-2的另一端与***金属地板6相连,第一金属条带1e-1和第二金属条带1e-2的长为4.5mm,宽为0.8mm,第一贴片电容1a-1和第二贴片电容1a-2的长为1mm,宽为0.8mm,电容值为0.1pF。
第三贴片电容1b-1、第四贴片电容1b-2的一端焊接在矩形贴片1d上,另一端焊接在第一馈电微带线1i-1和第二馈电微带线1i-2上,第一馈电微带线1i-1和第二馈电微带线1i-2的长为4mm,宽为0.8mm,第三贴片电容1b-1、第四贴片电容1b-2的电容值为0.5pF。
第一馈电端口1f和第二馈电端口1g分别连接第一馈电微带线1i-1和第二馈电微带线1i-2进行馈电。
天线模块1中间的附加去耦结构单元1h,一端与***金属地板6相连,另一端与第五贴片电容1c相焊接,附加去耦结构单元1h的长为4.5mm,宽为0.8mm,第五贴片电容1c的电容值为0.4pF。附加去耦金属条带1h提高了单元内部的隔离度。
第一地板缝隙1j-1和第二地板缝隙1j-2是在***金属地板6上挖除两个宽为0.5mm的弯曲开口型“口”字缝隙而做成。有效切断了相邻端口间的电流,从而达到提高端口间隔离度的目的。
第一天线模块1、第二天线模块2、第三天线模块3和第四天线模块4与***金属地板6在同一平面上,都印刷在介质基板5上。
下面通过一个覆盖5G Sub-6GHz应用中3.5GHz频段的MIMO天线具体实施例予以详细说明:
本发明MIMO天线的三维结构图如1所示,包括介质基板5以及印刷在介质基板5上表面上的***金属地板6,在介质基板5上印刷有结构和尺寸相同且镜像对称的第一天线模块1、第二天线模块2、第三天线模块3和第四天线模块4,以及挖除两个第一地板缝隙1j-1和第二地板缝隙1j-2。最下面是一块FR4介质基板5(εr=4.4,tanδ=0.02),体积为150×75×0.8mm3。FR4介质基板5上表面是***金属地板6(150×63mm2),在***金属地板6长边沿的中间部分引入两个地板缝隙作为谐振器,从而达到提高天线内部和天线模块间隔离度的目标。
在介质基板5上是尺寸为16×6mm2的第一天线模块1,第一天线模块1包含最上方矩形贴片,矩形贴片两端与第一金属条带1e-1和第二金属条带1e-2的一端通过焊接贴片电容相连,第一金属条带1e-1和第二金属条带1e-2的另一端与***金属地板相连。
中心的第三贴片电容1b-1和第四贴片电容1b-2的一端焊接在矩形贴片上,另一端焊接在第一馈电微带线1i-1和第二馈电微带线1i-2上。中间附加去耦结构单元1h的一端与***金属地板相连,另一端与第五贴片电容1c相焊接,附加去耦金属条带提高了单元内部的隔离度。
第一地板缝隙1j-1和第二地板缝隙1j-2是在***金属地板上挖除两个宽为0.5mm的弯曲开口型“口”字缝隙而做成。有效切断了相邻端口之间的电流,从而达到提高端口间隔离度的目的。
本实施例的中心工作频率选定为3.5GHz,工作带宽为3400-3600MHz,该频段为5G移动通信在6GHz以下的新增频段。
图2为本实施例MIMO天线中的第一天线模块平面结构图。
图3为本实施例MIMO天线的S参数曲线。两个子天线单元均谐振在3.5GHz附近。S11是第一馈电端口1f的反射系数,其-6dB带宽约为14.3%,S22是第二馈电端口1g的反射系数,其-6dB带宽约为14.9%。两个端口重合的带宽覆盖了3400-3600MHz频带。在该频带内,两个端口的隔离度由S12表示,3.5GHz频率处隔离度达到24dB。
图4为本发明MIMO天线中不同天线模块之间S参数。任意两个天线模块之间的隔离度均在10.5dB以上。
图5为本实施例MIMO天线的总效率。在3400-3600MHz的频段范围内,第一馈电端口1f激励时的总效率达到82%,第二馈电端口1g激励时的总效率优于69%。
本MIMO天线中使用了平面化设计的天线模块,结构非常简单,且具有高效率,小型化,便于加工,制作成本低廉等优点,因此在5G移动终端中具有良好的应用前景。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进,这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于贴片电容解耦的5G移动端小型化紧布置MIMO天线,其特征在于:包括介质基板(5)以及印刷在介质基板(5)上表面上的***金属地板(6),在介质基板(5)上印刷有结构和尺寸相同且镜像对称的有第一天线模块(1)、第二天线模块(2)、第三天线模块(3)和第四天线模块(4)、第一地板缝隙(1j-1)以及第二地板缝隙(1j-2),所述第一天线模块(1)包括矩形贴片(1d)、第一贴片电容(1a-1)、第二贴片电容(1a-2)、第三贴片电容(1b-1)、第四贴片电容(1b-2)、第五贴片电容(1c)、第一金属条带(1e-1)、第二金属条带(1e-2)、第一馈电微带线(1i-1)以及第二馈电微带线(1i-2),所述第一金属条带(1e-1)和第二金属条带(1e-2)均与***金属地板(6)相连接,第一金属条带(1e-1)与第一贴片电容(1a-1)相连,第二金属条带(1e-2)与第二贴片电容(1a-2)相连,所述第一馈电微带线(1i-1)和第二馈电微带线(1i-2)位于第一金属条带(1e-1)和第二金属条带(1e-2)之间,且第一馈电微带线(1i-1)和第二馈电微带线(1i-2)分别与第一馈电端口(1f)和第二馈电端口(1g)相连,所述第一馈电微带线(1i-1)与第三贴片电容(1b-1)相连,第二馈电微带线(1i-2)与第四贴片电容(1b-2)相连,在所述天线模块(1)中间还引入由金属条带形成的附加去耦结构单元(1h)。
2.如权利要求1所述的基于贴片电容解耦的5G移动端小型化紧布置MIMO天线,其特征在于:所述第一贴片电容(1a-1)、第二贴片电容(1a-2)、第三贴片电容(1b-1)、第四贴片电容(1b-2)以及第五贴片电容(1c)的电容值不相同。
3.如权利要求1所述的基于贴片电容解耦的5G移动端小型化紧布置MIMO天线,其特征在于:所述第一天线模块(1)、第二天线模块(2)、第三天线模块(3)和第四天线模块(4)均关于介质基板(5)的两条中垂线镜像对称,尺寸均为16*6mm2。
4.如权利要求1所述的基于贴片电容解耦的5G移动端小型化紧布置MIMO天线,其特征在于:所述第一矩形贴片(1d)长为16mm,宽为0.5mm,所述第一金属条带(1e-1)和第二金属条带(1e-2)的长为4.5mm,宽为0.8mm,第一贴片电容(1a-1)和第二贴片电容(1a-2)的长为1mm,宽为0.8mm,电容值为0.1pF。
5.如权利要求1所述的基于贴片电容解耦的5G移动端小型化紧布置MIMO天线,其特征在于:所述第三贴片电容(1b-1)和第四贴片电容((1b-2)的一端焊接在矩形贴片(1d)上,另一端焊接在第一馈电微带线(1i-1)和第二馈电微带线(1i-2)上,所述第一馈电微带线(1i-1)和第二馈电微带线(1i-2)的长为4mm,宽为0.8mm,第三贴片电容(1b-1)和第四贴片电容((1b-2)电容值为0.5pF。
6.如权利要求1所述的基于贴片电容解耦的5G移动端小型化紧布置MIMO天线,其特征在于:所述第一馈电端口(1f)和第二馈电端口(1g)连接第一馈电微带线(1i-1)和第二馈电微带线(1i-2)进行馈电。
7.如权利要求1所述的基于贴片电容解耦的5G移动端小型化紧布置MIMO天线,其特征在于:所述附加去耦结构单元(1h)的一端与***金属地板(6)相连,另一端与第五贴片电容(1c)相焊接,附加去耦结构单元(1h)的长为4.5mm,宽为0.8mm,第五贴片电容(1c)电容值为0.4pF。
8.如权利要求1所述的基于贴片电容解耦的5G移动端小型化紧布置MIMO天线,其特征在于:所述第一地板缝隙(1j-1)以及第二地板缝隙(1j-2)是在***金属地板(6)上挖除两个宽为0.5mm的弯曲开口型“口”字缝隙而做成。
9.如权利要求1所述的基于贴片电容解耦的5G移动端小型化紧布置MIMO天线,其特征在于:所述第一天线模块(1)、第二天线模块(2)、第三天线模块(3)和第四天线模块(4)与***金属地板(6)在同一平面上,都印刷在介质基板(5)上。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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