CN201845871U

CN201845871U - 一种两单元宽带mimo天线阵

Info

Publication number: CN201845871U
Application number: CN2010205853440U
Authority: CN
Inventors: 褚庆昕; 李健凤
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2010-10-29
Filing date: 2010-10-29
Publication date: 2011-05-25
Anticipated expiration: 2020-10-29

Abstract

本实用新型提供一种两单元宽带MIMO天线阵，包括相对介电常数为1-100，厚度0.2-5mm的介质基板以及MIMO天线的天线单元(15a)与天线单元(15b)，其特征是：天线单元(15a)与天线单元(15b)沿相反方向相互垂直，地板上嵌有隙缝，每个天线单元的两个辐射单元构成的双带线结构(17a，17b)，能有效地改善阻抗带宽，以达到宽带宽的目的。本实用新型克服现有的两单元MIMO天线中无法实现的小互耦、宽带宽、小尺寸、性能不稳定等问题，其结构紧凑，尺寸小，成本低，特性好；由于本实用新型的天线单元采用平面排列，很容易地印制在电路板上，因此本实用新型比较三维结构的MIMO天线阵更适合集成到移动终端设备***中。

Description

一种两单元宽带MIMO天线阵

技术领域

本实用新型涉及移动通信技术，具体涉及一种两单元宽带MIMO天线阵，克服现有的两单元MIMO天线中无法实现的小互耦、宽带宽、小尺寸、性能不稳定等问题，其结构紧凑，尺寸小，成本低，特性好。由于本实用新型的天线单元采用平面排列，很容易地印制在电路板上，因此本实用新型比较三维结构的MIMO天线阵更适合集成到移动终端设备***中。

背景技术

无线通信是当今世界最活跃的科研领域之一。它突破了有线通信的物理限制，使得用户可以自由地在任何无线电波能够到达的地方进行通信，这大大拓宽了通信的空间与活力。目前无线通信面临的主要问题是如何提供更高的数据传输速率。由于无线通信借以提高数据传输速率的传统资源传统——频率带宽和发射功率——目前已经濒临饱和，因此依靠增加这两种资源的损耗来提高传输速率是行不通的。第三代移动通信(3G)已经在包括我国在内的多个国家内被商业应用。但是由于3G主要采用的还是传统的无线通信技术，能够提供的数据传输率还是偏低(384kbit/s-2Mbit/s)，运营商无法给出“杀手”业务来吸引用户，3G在全世界的大规模商业应用举步维艰。近年来，一种新的不需要损失频带和发射功率资源就可以大幅度提高数据传输率的无线通信技术——MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出)技术——引起了广泛的关注。目前，MIMO技术已经被视作***移动通信技术(4G)的重要组成部分。

MIMO天线技术是MIMO无线通信技术的主要核心技术之一，它是指同时在收发双端采用多元阵列天线。传统的无线通信***是指同时在收发双端采用一个发射天线和一个接收天线的天线***，即所谓的单输入单输出(SISO)天线***。SISO天线***在信道容量上具有一个通信上不可突破的颈瓶——Shannon容量限制，不管采用哪种调制技术、编码策略或者其他方法，无线信道总是给无线通信工程做了一个实际的物理限制。

在不增加频谱带宽和发射功率的条件下，使用多天线分集技术，提高发射/接收信号信噪比，以增大***的容量，这是目前无线通信***的发展趋势。近年来，主要通过多元发射天线阵列，单元接收单天线(MISO天线***)来实现分集增益。因为移动终端设备的空间有限，SIMO(单输入多输出)天线***的应用造成移动终端的处理复杂，故其可行性低。但是无论是MISO或SIMO***，当天线数目达到一定数目时，信道容量的改善非常小。而MIMO***才是真正能通过分集增益来实现大幅度提高信道容量的无线通信***，而且其信道容量随着天线数目的增加而增大。

对于手持设备来说，将多个天线集成在小空间中，会引起很大的互耦，天线的性能就随之下降，就无法实现信道容量随着天线数目的增加以线性比例增大。如何在减小天线阵列尺寸，同时减小天线单元间的耦合是MIMO天线设计的难点。目前减小耦合的主要方法有：采用EBG地板结构，在地板上嵌入细缝，加入反射单元，或者增加地板分支。

但是，在现有的MIMO天线设计中，主要考虑的也是如何减小天线单元间的互耦问题，主要采用以上四种方法之一来减小互耦。可是减小互耦的同时往往会影响了阻抗匹配，造成阻抗带宽过窄，天线阵列性能不稳定。而本实用新型的MIMO天线单元采用双带线结构，它能有助于减小两天线单元间的互耦，同时引入了部分电容，改善阻抗匹配，达到宽阻抗带宽的目的。本实用新型解决了MIMO天线的窄带宽、隔离度低、尺寸大、性能不稳定等问题。

由于MIMO无线通信***的信道容量与收发天线数目成线性关系，但是信道容量与MIMO***的性能、MIMO天线阵列的性能稳定性以及天线单元间的相关性有关。MIMO天线阵列的性能越稳定，天线单元间的相关性越低，MIMO***的性能就越好，MIMO天线***的优越性就越能显示出来。MIMO无线通信***在世界各地所分配的频率不一样，宽带宽、隔离度高、性能稳定的MIMO天线***的设计十分重要。目前为了减小天线单元间的互耦，已经发展形成了多种提高隔离度的方法。

美国专利US7411554B2，《MIMO antenna operable in multiband》提出了如图1的两单元MIMO天线。图1中：(101)为MIMO天线，(105)为天线单元，(110)为辐射单元，(111)为辐射单元(110)的馈电部分，(115)为辐射单元(110)的弯曲部分，(130)为转换控制器，(150)为地板，(151)为匹配部分。该发明两单元间的大距离将互耦的影响控制在一定的范围内，通过转换控制器(130)的开或关控制MIMO天线工作在低频率或者高频率，但是这会增加制作的复杂度和制造成本。由于这发明中的天线都占据了介质基板的大部分面积，在介质基板上集成其他电路元件，非常困难。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种两单元宽带MIMO天线阵，克服现有的两单元MIMO天线中无法实现的小互耦、小尺寸、宽带宽的问题。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：两单元宽带MIMO天线阵，包括介质基板(11)以及MIMO天线的天线单元(15a)与天线单元(15b)，其中，所述介质基板(11)包括介质基板背面(12)和介质基板正面(13)，地板(14)印制在介质基板背面(12)上，天线单元(15a)与天线单元(15b)沿相反方向相互垂直，所述地板(14)上嵌有隙缝(16)。在理论上，两个相互垂直的天线是失配的，即相互接收不到来自对方的信号，所以，本实用新型中的MIMO天线阵列通过采用相互垂直的天线单元设计，即可减小空间波引起的互耦；而在两天线单元之间的地板上嵌入隙缝(16)，该隙缝(16)对于分布在地板(14)上的表面电流有陷流作用，故可以减小地板表面波引起的互耦。在达到同时减小空间波和表面波引起的互耦的效果下，也在保证高隔离度的前提下，使得两天线单元间的距离可以大为缩小，以达到大幅度地减小了天线阵的尺寸的发明目的。此外，由于大部分的地板(14)表面电流分布在细缝的周围，地板(14)上其他地方的分布电流很小，故减小地板(14)尺寸，即使在***介质基板上放置导电器件，MIMO天线的性能受到影响小，本实用新型的性能稳定。

所述介质基板(11)采用相对介电常数为1-100，厚度0.2-5mm的介质基板。

优选的技术方案是：所述天线单元(15a)与天线单元(15b)沿相反方向倾斜45度，以形成相互垂直的姿态。

优选的技术方案是：所述天线单元(15a)设置有印制在介质基板正面(13)的辐射带(21a)、印制在介质基板背面(12)的辐射带(31a)以及辐射带(21a)的馈电端口(22a)；所述天线单元(15b)设置有印制在介质基板正面(13)的辐射带(21b)、印制在介质基板背面(12)的辐射带(31b)，以及辐射带(21b)的馈电端口(22b)；所述辐射带(31a)和辐射带(31b)均接入地板(14)进行短路；

辐射带(21a)与辐射带(31a)具有用于给辐射带(31a)提供馈电的重叠部分(17a)，辐射带(21b)与辐射带(31b)具有用于给辐射带(31b)提供馈电的重叠部分(17b)，重叠部分(17a)与重叠部分(17b)构成双带线结构。双带线结构(17a)和(17b)的作用：一方面给辐射单元(31a)和(31b)提供有效的耦合馈电，另一方面它也引入了部分电容，有利于改善阻抗匹配，增加了阻抗带宽。能量被有效地辐射出去，隔离度也得到一定的提高。

本实用新型相比现有技术具有以下优点及有益效果：

1、与已有的MIMO天线阵比较，本实用新型所引入了两种提高隔离度的结构。一种用于减小空间波引起的互耦，一种用于减小表面波引起的互耦；

2、已有MIMO天线阵设计，主要致力于减小天线间的互耦，所以它们的阻抗带宽一般都非常窄。而本实用新型中，引入了双带线结构，它可以有效地改善阻抗带宽。适当地调整双带线结构，就可以得到很好的阻抗带宽，满足多功能手持设备***的要求；

3、与已有的MIMO天线阵比较，本实用新型对放置在其周围的导电元件具有很好的鲁棒性，具有更高的稳定性；

4、与已有的MIMO天线阵比较，本实用新型具有更宽的阻抗带宽，更小的尺寸，更简单的结构，从而可以降低生产成本，适用于各种多功能小型手持设备中。

附图说明

图1是现有美国专利US7411554B2提出的两单元MIMO天线结构示意图；

图2是两单元宽带MIMO天线阵的结构图；

图3是两单元宽带MIMO天线阵的正面图；

图4是两单元宽带MIMO天线阵的背面图；

图5是两单元宽带MIMO天线阵的回波损耗电磁仿真与实验测试曲线比较图，图中□□□表示仿真|S₁₁|(|S₂₂|)曲线，○○○表示实验测试|S₁₁|曲线，△△△表示实验测试|S₂₂|曲线；

图6是两单元宽带MIMO天线阵隔离度的电磁仿真与实验测试曲线比较图，图中□□□表示仿真|S₁₂|(|S₂₁|)曲线，○○○表示实验测试|S₁₂|(|S₂₁|)曲线

图7是图3所示的两单元宽带MIMO天线阵列的介质基板正面放置金属盒(61)的示意图；

图8是图3与图8所示两单元MIMO天线阵列的电磁仿真比较图，图中□□□表示没有加金属盒时的|S₁₁|曲线，○○○表示加金属盒后的|S₁₁|曲线(S＝1mm)，△△△表示没有加金属盒时的|S21|曲线，***表示加金属盒后|S₂₁|曲线(S＝1mm)。

其中：(11)为相对介电常数为1-100，厚度0.2-5mm的介质基板，(12)为介质基板背面，(13)为介质基板正面，(14)为印制在介质基板背面(12)的地板，(15a、15b)分别为MIMO天线的天线单元1与天线单元2，(16)为地板(14)上的隙缝，(17a，17b)分别天线单元(15a)与天线单元(15b)的两辐射带重叠的部分即上文提及的双带线结构，(21a，21b)分别天线单元(15a)与天线单元(15b)印制在介质基板正面(13)的辐射带，(22a，22b)分别为两天线单元的馈电端口1和馈电端口2，辐射带(21a)和(21b)分别由端口(22a)和端口(22b)馈电，(31a，31b)分别为天线单元(15a)与天线单元(15b)印制在介质基板背面的辐射带，它们分别由双带线结构(17a)与(17b)耦合馈电，而且它们的终端与地板(14)短路，(41)为谐振点1650MHz，(42)为谐振点2300MHz，(43)为谐振点3400MHz，(44)为谐振点4500MHz，(45)为谐振点5200MHz，(61)为金属盒，(62)为金属盒与两天线单元的馈电端口之间的距离S。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例1

图2所示为本实用新型提出的小型宽带的两单元MIMO天线的结构，它包含了两个相互垂直的天线单元(15a和15b)。因为在理论上，相互垂直的天线单元是失配的，它们接收不到来自对方的信号，故本实用新型把两天线单元分别向不同的方向倾斜45度，形成相互垂直的姿态，这有利于减小空间波带来的互耦。地板(14)印制在介质基板(11)的背面(12)，地板(14)的表面波会引起互耦，为了减小地板(14)表面波带了的天线单元间的互耦，在地板上嵌入了隙缝(16)。对地板(14)表面电流/波，隙缝(16)有陷流作用，它把大部分的地板(14)表面电流限制在自己的周围，阻碍了大部分地板(14)表面电流从一个馈电端口流向另一个馈电端口，从而减小天线单元间的互耦。

图3所示为MIMO天线的正面图，图4所示为MIMO天线的背面图。天线单元(15a)由辐射单元(21a)和(31a)组成，辐射单元(15b)由辐射单元(21b)和(31b)组成。其中辐射单元(21a)和(21b)印制在介质基板(11)的正面(13)，它们分别由馈电端口(22a)和(22b)直接馈电。辐射单元(31a)和(31b)被印制在介质基板(11)的背面(12)，它们的末端与地板(14)短路。

辐射单元(21a)和(31a)，辐射单元(21b)和(31b)相互重叠的部分构成了双带线结构(17a)和(17b)，通过双带线结构(17a)和(17b)分别给辐射单元(31a)和(31b)耦合馈电。双带线结构(17a)和(17b)的作用：一方面给辐射单元(31a)和(31b)提供有效的耦合馈电，另一方面它引入了部分电容，有利于改善阻抗匹配。辐射单元(31a)和(31b)在频率2300MHz(42)和4500MHz(44)处发生谐振，增加了阻抗带宽。能量被有效地辐射出去，隔离度也得到一定的提高。辐射单元(21a，21b)在频率1650MHz(41)，3400MHz(43)和5200MHz(45)产生了3个谐振点，谐振单元(31a，31b)在频率2300MHz(42)和4500MHz(44)处发生谐振。这5个谐振点相互作用，形成了如图6所示的宽阻抗带宽。

本实用新型的尺寸非常小，原因在于该MIMO天线的性能稳定，地板尺寸的减小，对天线特性影响小。为了证明该两单元MIMO天线的性能稳定，如图7所示，在图2所示的MIMO天线阵列的介质基板正面放置了一个金属盒(61)，金属盒(61)与两个馈电端口(22a，22b)之间的距离为S(62)。如图8所示，当S减小到1mm时，图7所示MIMO天线阵列与没有放置金属盒(61)的MIMO天线阵列(如图2所示)相比较，回波损耗与隔离度受到的影响都非常小。可以得知MIMO天线阵列对放置在阵列周围的导电元件有很好的鲁棒特性，天线性能稳定，这对实际的应用，非常重要。本申定义：|S₁₁|，|S₂₂|分别代表天线单元(15a)与天线单元(15b)的回波损耗的模，|S₁₂|(|S₂₁|)代表天线单元2(1)对天线单元1(2)的耦合的模。|S₁₁|、|S₂₂|、|S₁₂|、|S₂₁|统称散射参数。

实施例：小型宽带两单元MIMO天线阵列具有尺寸小，带宽宽，性能稳定等优点。通过调整细缝的尺寸，可以实现高隔离度。为了改善阻抗匹配，双带线结构被采用，通过调整双带线的尺寸，可以实现宽阻抗带宽；本实用新型的仿真和实测响应曲线如图5和图6所示。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.两单元宽带MIMO天线阵，其特征在于：包括介质基板(11)以及MIMO天线的天线单元(15a)与天线单元(15b)，其中，所述介质基板(11)包括介质基板背面(12)和介质基板正面(13)，地板印制在介质基板背面(12)上，天线单元115a)与天线单元(15b)沿相反方向相互垂直，所述地板(14)上嵌有隙缝(16)。

2.根据权利要求1所述的两单元宽带MIMO天线阵，其特征是：所述介质基板(11)采用相对介电常数为1-100，厚度0.2-5mm的介质基板。

3.根据权利要求1所述的两单元宽带MIMO天线阵，其特征是：所述天线单元(15a)与天线单元(15b)沿相反方向倾斜45度。

4.根据权利要求1所述的两单元宽带MIMO天线阵，其特征是：所述天线单元(15a)设置有印制在介质基板正面(13)的辐射带(21a)、印制在介质基板背面(12)的辐射带(31a)以及辐射带(21a)的馈电端口(22a)；所述天线单元(15b)设置有印制在介质基板正面(13)的辐射带(21b)、印制在介质基板背面(12)的辐射带(31b)，以及辐射带(21b)的馈电端口(22b)；所述辐射带(31a)和辐射带(31b)均接入地板(14)；

辐射带(21a)与辐射带(31a)形成用于给辐射带(31a)提供耦合馈电的重叠部分(17a)，辐射带(21b)与辐射带(31b)形成用于给辐射带(31b)提供耦合馈电的重叠部分(17b)，重叠部分(17a)与重叠部分(17b)即是上述的双带线结构。