CN114336034A - 用于移动终端的自解耦mimo天线 - Google Patents

Abstract

一种用于移动终端的自解耦MIMO天线，属于电磁场与微波技术领域。本发明针对多个天线单元放置在狭小的移动终端空间内相互耦合严重的问题。包括：介质基板的两条长边对称向上90度弯折形成两条天线单元安放区，14个天线单元对称设置在天线单元安放区；每个天线单元的下开口矩形框固定在天线单元安放区的外侧表面，T型耦合馈电元件固定在天线单元安放区的内侧表面；T型耦合馈电元件连接微带线；两个矩形弯折结构线在下开口矩形框内对称设置于T型耦合馈电元件的两侧，并与下开口矩形框的上边框连接；下开口矩形框的每条侧边框连接一个倒L型结构线的水平段终端；50Ω同轴线穿过介质基板与天线地板与微带线连接实现馈电。本发明实现了天线的自解耦。

Description

用于移动终端的自解耦MIMO天线

技术领域

本发明涉及用于移动终端的自解耦MIMO天线，属于电磁场与微波技术领域。

背景技术

随着5G通信技术的日趋成熟，应用于移动终端的多输入多输出(Multiple InMultiple Out,MIMO)天线技术变得越来越重要。为了适应5G通信技术，移动终端也需要做出改进，这对移动终端天线的尺寸及性能等方面提出了更高的要求。现今5G与通信方面的新兴技术如大数据和人工智能的进一步融合，带动了整个社会的数字化、信息化转变，随之产生的新的需求将推动移动通信技术向6G方向演进。

为了保证移动终端天线通信的全向性，在天线设计时不仅仅要考虑与手机中的金属有一定的距离，还应该考虑远离一些其他的部件如电池、摄像头等，从而给天线留出足够的区域(简称净空区)。目前手机终端的发展趋势具备如下特点：净空区域越来越小，终端天线具有较低的剖面高度，天线变得更加复杂以及天线数量越来越多。移动终端发展带来的这些特点会导致原本并不大的天线放置空间越来越小，从而留给设计师们的自由度越来越小；同时，为了提高移动终端数据传输速率，移动终端MIMO天线的数目要足够多，至少要达到6个。然而数目如此多的天线单元放置在狭小的移动终端空间内又会导致天线单元之间的相互耦合非常严重，严重的耦合将会影响天线的性能，特别是会增加天线的相关性，导致天线的辐射效率降低，使得天线达不到预期的工作效果，从而导致通信效果变差。因此，如何减弱天线的耦合，保证天线性能是移动终端MIMO天线的重点研究内容。

由此在有限的空间内摆放多个天线单元的同时实现天线单元间高的隔离度成为当下关键的挑战。传统的去耦合技术，例如中和线去耦、缺陷地去耦合、地板枝节去耦合等虽然能实现隔离的增加，但是效果并不好；例如提高隔离度达到20dB时，由于隔离元件的引入，天线的效率会降低。

当前具有自隔离功能的天线受到关注，自隔离天线元件的独特之处在于天线元件本身既是天线辐射元件，又是隔离元件。在没有引入任何外部去耦结构的情况下，可实现良好的隔离效果。并且天线具有很高的效率。

发明内容

针对多个天线单元放置在狭小的移动终端空间内相互耦合严重的问题，本发明提供一种用于移动终端的自解耦MIMO天线。

本发明的一种用于移动终端的自解耦MIMO天线，包括天线地板和介质基板，

介质基板的两条长边对称向上90度弯折形成两条天线单元安放区，14个天线单元对称设置在两条天线单元安放区，每条天线单元安放区上的7个天线单元等间距设置；

每个天线单元包括下开口矩形框、两个倒L型结构线、两个矩形弯折结构线、T型耦合馈电元件和微带线；下开口矩形框固定在天线单元安放区的外侧表面，T型耦合馈电元件固定在天线单元安放区的内侧表面，并且对应于下开口矩形框的居中位置；T型耦合馈电元件连接微带线；两个矩形弯折结构线在下开口矩形框内对称设置于T型耦合馈电元件的两侧，并通过上终端与下开口矩形框的上边框连接；下开口矩形框的每条侧边框连接一个倒L型结构线的水平段终端，两个倒L型结构线在下开口矩形框内对应于T型耦合馈电元件的两侧镜向对称设置；

50Ω同轴线穿过介质基板与天线地板与微带线连接实现馈电。

根据本发明的用于移动终端的自解耦MIMO天线，所述矩形弯折结构线包括上终端段和方波结构段，方波结构段包括两个波峰和一个波谷，波谷靠近T型耦合馈电元件；上终端段的底端连接方波结构段，上终端段与波谷线段处于同一竖直线上。

根据本发明的用于移动终端的自解耦MIMO天线，倒L型结构线的竖直段底端与下开口矩形框的侧边框底端处于同一水平线上。

根据本发明的用于移动终端的自解耦MIMO天线，矩形弯折结构线的底端位于倒L型结构线的竖直段底端之上。

根据本发明的用于移动终端的自解耦MIMO天线，介质基板为FR-4介质基板。

根据本发明的用于移动终端的自解耦MIMO天线，天线地板和介质基板的底面尺寸相同，均为150mm×75mm×0.8mm。

根据本发明的用于移动终端的自解耦MIMO天线，下开口矩形框的上边框长度L＝14.6mm，侧边框长度H＝6.8mm。

根据本发明的用于移动终端的自解耦MIMO天线，T型耦合馈电元件的水平段长度t＝3.9mm，竖直段长度h＝3.2mm。

根据本发明的用于移动终端的自解耦MIMO天线，矩形弯折结构线上终端段的长度w₃＝0.4mm，方波结构段的波峰或波谷宽度w₁＝1.8mm，高度w₂＝0.9mm；

倒L型结构线的竖直段长度l₁＝3.3mm，水平段长度l₃＝0.9mm，倒L型结构线的线宽度l₂＝0.5mm；

微带线长度L_f＝12.9mm，微带线线宽1.8mm；

矩形弯折结构线的上终端段与下开口矩形框的侧边框距离p＝3.6mm。

根据本发明的用于移动终端的自解耦MIMO天线，每条天线单元安放区上的相邻天线单元间距为7.6mm。

本发明的有益效果：本发明工作于5G低频段3.4-3.6GHz。本发明所述天线具有小型化，高隔离度以及高信道容量的特点，同时具有自解耦特性，因此不需要加入额外的解耦元件，适用于5G多天线移动终端。

本发明利用两个矩形弯折结构线和两个倒L型结构线延长了天线上的电流路径，增加了天线的有效长度，实现了天线结构的小型化。天线单元的下开口矩形框关于中心对称，电流在其顶部中心抵消形成间隙区，从而实现天线的自解耦。

附图说明

图1是天线单元的结构示意图；图中的单向箭头表示电流方向；

图2是本发明所述用于移动终端的自解耦MIMO天线的整体结构示意图；图中Ant1至Ant14表示14个天线单元；

图3是本发明所述天线的S参数仿真结果；其中S₁₁为Ant1的输入反射系数或者回波损耗，对应反射功率或者入射功率，表示输入的能量有多少被天线反射回去，反射值越小天线的辐射性能越好；S₂₂为Ant2的输入反射系数或者回波损耗；S₃₃为Ant3的输入反射系数或者回波损耗；S₄₄为Ant4的输入反射系数或者回波损耗；S₄₃为Ant4与Ant3之间的隔离度；S₃₂为Ant3与Ant2之间的隔离度；S₃₁为Ant3与Ant1之间的隔离度；S₂₁为Ant2与Ant1之间的隔离度；隔离度值(单位：dB)越小，说明天线单元之间的隔离越好，越不容易相互影响；

图4是天线单元表面电流分布示意图；

图5是当前激励天线单元与相邻天线单元的表面电流分布示意图；

图6是天线S参数与倒L型结构线的竖直段长度之间的关系示意图；

图7是天线S参数与倒L型结构线的线宽度之间的关系示意图；

图8是天线S参数与倒L型结构线的水平段长度之间的关系示意图；

图9是本发明所述天线在谐振频点3.5GHz的XOY面方向图；其中Gain_θ表示俯仰角的增益，Gain_

表示方位角的增益；根据俯仰角和方位角的增益仿真结果可以确定其具有全向辐射的性能；

图10是本发明所述天线在谐振频点3.5GHz的XOZ面方向图；

图11是本发明所述天线在谐振频点3.5GHz的YOZ面方向图；

图12是本发明所述天线在工作频带内的效率仿真结果；天线1至天线4分别对应Ant1至Ant4；由于14个天线单元整体结构对称，因此可通过天线1至天线4进行效率的分析；

图13是本发明所述天线的增益仿真结果；

图14是本发明所述天线的包络相关系数ECC的仿真结果图；

图15是本发明所述天线的信道容量仿真结果图；

图16是本发明所述用于移动终端的自解耦MIMO天线的实物图；

图17是本发明所述天线的反射系数的仿真与实测结果对比图；

图18是本发明所述天线的传输系数的仿真与实测结果对比。

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它实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

具体实施方式一、结合图1和图2所示，本发明提供了一种用于移动终端的自解耦MIMO天线，包括天线地板和介质基板，介质基板的两条长边对称向上90度弯折形成两条天线单元安放区，14个天线单元对称设置在两条天线单元安放区，每条天线单元安放区上的7个天线单元等间距设置；

每个天线单元包括下开口矩形框、两个倒L型结构线、两个矩形弯折结构线、T型耦合馈电元件和微带线；下开口矩形框固定在天线单元安放区的外侧表面，T型耦合馈电元件固定在天线单元安放区的内侧表面，并且对应于下开口矩形框的居中位置；T型耦合馈电元件连接微带线；两个矩形弯折结构线在下开口矩形框内对称设置于T型耦合馈电元件的两侧，并通过上终端与下开口矩形框的上边框连接；下开口矩形框的每条侧边框连接一个倒L型结构线的水平段终端，两个倒L型结构线在下开口矩形框内对应于T型耦合馈电元件的两侧镜向对称设置；下开口矩形框的两个侧边框底端接地；

T型耦合馈电元件在基板的内侧对外侧的天线单元耦合馈电。T型耦合馈电元件通过微带线与50Ω同轴线相连，50Ω同轴线穿过介质基板与天线地板与微带线连接实现馈电。

进一步，结合图1所示，所述矩形弯折结构线包括上终端段和方波结构段，方波结构段包括两个波峰和一个波谷，波谷靠近T型耦合馈电元件；上终端段的底端连接方波结构段，上终端段与波谷线段处于同一竖直线上。

所述方波结构如图1中所示，其中方波结构段包括三个矩形框。

再进一步，结合图1所示，倒L型结构线的竖直段底端与下开口矩形框的侧边框底端处于同一水平线上。经过仿真和优化分析，倒L枝节的竖直方向长度l1在取3.3mm时有较好的性能，另外为了尽可能的延长天线的电流路径，倒L型结构也要尽可能长一些，因此选择两结构的底端位于同一水平线上。

本实施方式中，矩形弯折结构线的底端位于倒L型结构线的竖直段底端之上。经过仿真优化，当弯折线长度改变时，天线的谐振频率和匹配程度也会改变，因此，使矩形弯折结构线的底端位于倒L型结构线的竖直段底端之上，是经过仿真优化后得到的最优解。

倒L型结构线进一步延长了天线单元上的电流路径。

本实施方式为解决移动终端天线净空区越来越小与所需天线数目越来越多之间的矛盾而提出，通过对天线单元的结构以及馈电方式进行对称设计，以及对天线单元使用了弯折线以及倒L型结构线实现了天线单元的小型化。

本实施方式实现天线自解耦的原理：

结合图1所示电流流通路径，天线的对称结构使电流在天线的顶部中心抵消，形成一个间隙区域，实现天线的自解耦。首先天线单元的主体设计为一个中心对称的倒U型结构，在中心处利用一个T型耦合馈电元件馈电，来自T型元件的耦合电流，有两条电流路径，一条是沿着倒U型结构(下开口矩形框)传递，另一条是到达倒U型结构与弯折线的交点后流向弯折线，电流在倒U型结构的顶部中心抵消，使天线单元自身形成两个相同对称的L加弯折线结构，使沿着天线和地面的电流形成了两个闭合的回路，确保了沿天线和接地平面流动的电流将被限制在受激天线元件的区域(或限制在天线区域内)，耦合电流并没有流向附近的天线单元，使天线可以实现良好的隔离。其中在天线单元上引入弯折线结构以及在倒U型结构的竖直臂上加载了倒L型结构，弯折线结构使得在天线的尺寸没有增大的情况下，增加了天线的有效长度，而倒L型结构增加了天线的电流路径，弯折线结构和倒L型结构可以很好的实现天线单元的小型化，在实际应用中具有重要的意义。

作为示例，介质基板为FR-4介质基板。

本发明的天线整体结构分为三部分，中间的一层是FR-4介质板层，最下面一层是天线地板，最顶层是微带线。

作为示例，天线地板和介质基板的底面尺寸相同，均为150mm×75mm×0.8mm。

通过调节倒L型结构线的参数可以改变天线的匹配谐振频率以及隔离度，对天线性能进行优化。

作为示例，下开口矩形框的上边框长度L＝14.6mm，侧边框长度H＝6.8mm。

T型耦合馈电元件的水平段长度t＝3.9mm，竖直段长度h＝3.2mm。

矩形弯折结构线上终端段的长度w₃＝0.4mm，方波结构段的波峰或波谷宽度w₁＝1.8mm，高度w₂＝0.9mm；

通过调节L型结构线的尺寸可以改善天线单元之间的隔离效果，还会改变天线阻抗匹配以及改变天线谐振频率；为了实现最好的匹配效果，最终优化后的倒L型结构线的竖直段长度l₁＝3.3mm，水平段长度l₃＝0.9mm，倒L型结构线的线宽度l₂＝0.5mm；

微带线长度L_f＝12.9mm，微带线线宽1.8mm；

矩形弯折结构线的上终端段与下开口矩形框的侧边框距离p＝3.6mm。

每条天线单元安放区上的相邻天线单元间距为7.6mm。

结合图3所示，天线的-6dB的阻抗带宽覆盖了工作频段3.4-3.6GHz，天线的隔离度大于13.5dB。对于天线单元间距仅为近似十二分之一波长的移动终端MIMO天线隔离来说，此隔离度符合要求。

图4所示，电流在下开口矩形框的顶部中心抵消形成了一个间隙区，图5所示，可以看出耦合电流几乎没有流向未激励单元，天线单元之间具有良好的隔离度。

倒L型结构线的加载除了可以实现天线的小型化设计，对其尺寸进行调节还可以改善天线的匹配，隔离度等指标，实现天线性能的优化。天线S参数与倒L型枝节的尺寸参数之间的关系如图6至图8所示，可以看出，当l₁的长度从3.5mm减小到3.3mm时，天线的谐振频点上升，带宽变宽，但是天线之间的隔离度慢慢变差。所以在一定范围内，倒L型枝节越长，天线的匹配特性越好。当l₂的长度从0.4mm增加到0.6mm时，天线单元之间的隔离度逐渐变好，天线的谐振频点下降，并且天线单元的带宽几乎没有受到影响，所以在一定范围内，倒L型枝节线宽度越短越好。水平段长度l₃减小时，天线的匹配变差谐振频点上移，并且天线单元之间的隔离效果先变好后变差，在l₃为0.9mm时天线的隔离效果最好。

天线在谐振频点3.5GHz处的方向图如图9至图11所示，天线在3.5GHz时产生的辐射均能够覆盖全方向，也就是说包括14个天线单元的自隔离MIMO天线为全向天线，满足移动终端MIMO天线的设计要求。

天线在工作频带内的效率如图12所示，可以看出在工作频段3.4-3.6GHz内，所有天线单元的效率高于45％。满足终端MIMO天线效率大于40％的要求。

天线的增益如图13所示，从图中可以看到天线的增益大于3.2dBi。该天线可以实现良好的辐射性能，有利于在实际场景中的使用。

天线的包络相关系数ECC的计算结果如图14所示，从图中可以看到天线单元之间的ECC中天线2和天线3的值最大，但是最大值仍小于0.33，其他单元的ECC值更小，移动终端MIMO天线对ECC的要求是小于0.5，所以优化后的天线满足设计要求。

天线的信道容量计算结果如图15所示，本发明所述自隔离天线的信道容量值达到了55.5-59bps/Hz，具有很好的信息传输能力。

由图17对反射系数的仿真与实测结果可以看出，谐振点稍有偏移，但是偏移量较小，基本与仿真结果一致，满足性能要求。由图18所示，本发明的实测结果要优于仿真结果，天线单元间的隔离度大于14.5dB。因此总体来说，实测结果与仿真结果吻合。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。

Claims (10)

1.一种用于移动终端的自解耦MIMO天线，包括天线地板和介质基板，其特征在于，

介质基板的两条长边对称向上90度弯折形成两条天线单元安放区，14个天线单元对称设置在两条天线单元安放区，每条天线单元安放区上的7个天线单元等间距设置；

每个天线单元包括下开口矩形框、两个倒L型结构线、两个矩形弯折结构线、T型耦合馈电元件和微带线；下开口矩形框固定在天线单元安放区的外侧表面，T型耦合馈电元件固定在天线单元安放区的内侧表面，并且对应于下开口矩形框的居中位置；T型耦合馈电元件连接微带线；两个矩形弯折结构线在下开口矩形框内对称设置于T型耦合馈电元件的两侧，并通过上终端与下开口矩形框的上边框连接；下开口矩形框的每条侧边框连接一个倒L型结构线的水平段终端，两个倒L型结构线在下开口矩形框内对应于T型耦合馈电元件的两侧镜向对称设置；

50Ω同轴线穿过介质基板与天线地板与微带线连接实现馈电。

2.根据权利要求1所述的用于移动终端的自解耦MIMO天线，其特征在于，

所述矩形弯折结构线包括上终端段和方波结构段，方波结构段包括两个波峰和一个波谷，波谷靠近T型耦合馈电元件；上终端段的底端连接方波结构段，上终端段与波谷线段处于同一竖直线上。

3.根据权利要求2所述的用于移动终端的自解耦MIMO天线，其特征在于，

倒L型结构线的竖直段底端与下开口矩形框的侧边框底端处于同一水平线上。

4.根据权利要求3所述的用于移动终端的自解耦MIMO天线，其特征在于，矩形弯折结构线的底端位于倒L型结构线的竖直段底端之上。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的用于移动终端的自解耦MIMO天线，其特征在于，介质基板为FR-4介质基板。

6.根据权利要求5所述的用于移动终端的自解耦MIMO天线，其特征在于，

天线地板和介质基板的底面尺寸相同，均为150mm×75mm×0.8mm。

7.根据权利要求6所述的用于移动终端的自解耦MIMO天线，其特征在于，

下开口矩形框的上边框长度L＝14.6mm，侧边框长度H＝6.8mm。

8.根据权利要求7所述的用于移动终端的自解耦MIMO天线，其特征在于，

T型耦合馈电元件的水平段长度t＝3.9mm，竖直段长度h＝3.2mm。

9.根据权利要求8所述的用于移动终端的自解耦MIMO天线，其特征在于，

矩形弯折结构线上终端段的长度w₃＝0.4mm，方波结构段的波峰或波谷宽度w₁＝1.8mm，高度w₂＝0.9mm；

倒L型结构线的竖直段长度l₁＝3.3mm，水平段长度l₃＝0.9mm，倒L型结构线的线宽度l₂＝0.5mm；

微带线长度L_f＝12.9mm，微带线线宽1.8mm；

矩形弯折结构线的上终端段与下开口矩形框的侧边框距离p＝3.6mm。

10.根据权利要求9所述的用于移动终端的自解耦MIMO天线，其特征在于，

每条天线单元安放区上的相邻天线单元间距为7.6mm。

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