WO2018205393A1 - 一种极化和方向图各异的四单元mimo天线 - Google Patents

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博卡卡·阿伯德哈克
聂丽瑛
王豹
张瑾
刘中华
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    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Definitions

  • the present invention relates to the field of microwave millimeter wave passive device technologies, and in particular, to a four-unit MIMO antenna with different polarization and pattern.
  • Multi-band miniaturized MIMO Multiple-Input Multiple-Output
  • the MIMO antenna can increase the channel capacity by using multi-antenna technology, thereby effectively increasing the data transmission rate of the system.
  • the present invention aims to provide a four-unit M1 MO antenna with different polarization and pattern to overcome the low isolation, heavy weight, large volume, and processing of the existing MIMO antenna design.
  • the present invention provides a four-element MIMO antenna having different polarization and pattern, including a dielectric substrate, a floor printed on the back surface of the dielectric substrate, a MIMO antenna printed on the front surface of the dielectric substrate, and a spacer;
  • the MIMO antenna is formed by rotating the four identical antenna elements 90 degrees centrally; the isolation strips are vertically above the dielectric substrate, and the center of the isolation strips coincides with the center of the MIMO antenna.
  • each of the antenna unit structures is composed of a feeding microstrip line, a symmetric matching slot, a radiating metal patch, a loaded L-shaped slit, and a patch short-circuited metal post; the feeding microstrip line is inserted from the side
  • the symmetrical matching groove is formed in the radiant metal patch; the short metal post of the patch is located on both sides of the symmetric matching groove; the loaded L-shaped slit is located on the radiant metal patch, and the metal post is short-circuited near the patch, and the feeding microstrip line Parallel, the other side is shorted away from the patch metal post, perpendicular to the feed microstrip line.
  • the spacer strip is composed of a cross-shaped metal strip, a cross-shaped metal microstrip line printed on the surface of the dielectric substrate, and a short-circuited metallized through-hole; the cross-shaped metal strip passes through the cross-shaped metal microstrip line and the short-circuit metal The through hole is connected to the floor.
  • the present invention has the following beneficial effects:
  • the structure is compact, and the MIMO antenna is formed by rotating the same antenna unit at a 90-degree center.
  • the method of loading the chip to short the metal column makes the antenna relative to the conventional one-half wavelength patch.
  • the antenna area is reduced by half;
  • the antenna is more integrated, the weight is lighter, the cost is lower, and the processing cycle is shorter;
  • the original miniaturized antenna is additionally added with a working frequency band, thereby having dual-band characteristics, and the same working performance can be ensured in both frequency bands, by adjusting the length of the matching slot. , can achieve a better match between the two frequency bands.
  • FIG. 1 is a schematic structural diagram of a four-element MIMO antenna with different polarization and pattern according to the present invention, wherein:
  • dielectric substrate 1 floor 2, MIMO antenna 3, isolation strip 4;
  • a cross-shaped metal strip 41, a cross-shaped metal microstrip line 42, and a short-circuited metallized through hole 43 are identical to each other.
  • this embodiment provides a four-unit MIMO antenna with different polarization and pattern, including a dielectric substrate 1, a floor printed on the back surface of the dielectric substrate 1, and a MIMO antenna printed on the front surface of the dielectric substrate 1. 3 and the isolation strip 4; the MIMO antenna 3 is formed by four identical antenna units rotated 90 degrees; the isolation strip 4 stands vertically above the dielectric substrate 1 and has a center coincident with the center of the MIMO antenna 3.
  • Each of the antenna unit structures is composed of a feeding microstrip line 31, a symmetric matching slot 32, a radiating metal patch 33, a loading L-shaped slit 34, and a patch shorting metal post 35, and the loading L-shaped slit 34 is close to
  • the outermost edges of the MIMO antenna 3 and the cross-shaped metal strips 43, the length of the L-shaped slits 34 can be varied according to the desired frequency.
  • the feeding microstrip line 31 is inserted into the radiating metal patch 33 from the side to form a symmetric matching slot 32; the patch shorting metal post 35 is located on both sides of the symmetric matching slot 32; the loading L-shaped slit 34 is located in the radiating metal patch On the sheet 33, the metal post 35 is short-circuited near the patch, parallel to the feeding microstrip line 31, and the other side is short-circuited to the metal post 35 away from the patch.
  • the spacer strip 4 is composed of a cross-shaped metal strip 41, a cross-shaped metal microstrip line 42 printed on the surface of the dielectric substrate 1, and a short-circuited metallized through-hole 43; the cross-shaped metal strip 41 passes through the cross-shaped metal microstrip line 42 and The short-circuited metallized through hole 43 is connected to the floor 2.
  • the MIMO antenna 3 is formed by four identical antenna units rotated 90 degrees, and realizes linear polarization in four directions of 0 degrees, 90 degrees, 180 degrees, and 270 degrees;
  • the short-circuited metal post 35 reduces the antenna size by half compared to the conventional half-wavelength patch antenna, thereby achieving miniaturization;
  • the antenna has dual-band characteristics by loading the L-shaped slit 34 on the antenna unit, two bands
  • the impedance matching can be matched by adjusting the length of the symmetric matching groove 32.
  • the isolation strip 4 the cross-shaped metal strip 41 is connected to the floor 2 through the cross-shaped metal microstrip line 42 and the short-circuited metallized through hole 43 by isolation.
  • the reflection of strip 4 effectively reduces port isolation in both frequency bands, while the maximum radiation direction of the pattern is offset from the normal direction of the substrate plane by 30 degrees.
  • a four-element MIMO antenna with different polarization and pattern the size of the whole MIMO antenna system is: 36mm x 36 mm x 4mm, printed antenna
  • the dielectric substrate is F4B with a thickness of 1.96 mm, a relative dielectric constant of 2.55, and a loss tangent of 0.002.
  • the radiating piece size of a single antenna unit is 12mmxl2mm, the total length of the feeding line is 9.7mm, the total length of the L-shaped loading slit is 18.5mm, and the distance of the edge of the patch is 2mm.
  • the metal strip printed on both sides of the substrate replaces the cross-shaped metal.
  • the strip-shaped base plate is made of F4 B with a thickness of 0.8 mm.
  • the height of the spacer strip is 2 mm and the length is 26 mm.
  • the test results show that the two operating bands of the antenna are: 3.4 71GHz-3.529GHz and 5.678GHz-5.721GHz, the peak gain range is 2.65dBi-2.85dBi, the peak efficiency in the low frequency band is 63%, and the peak efficiency in the high frequency band is 65%; isolation in the low frequency band is greater than 18.4dB, and isolation in the high frequency band is greater than 22.7dB.

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  • Waveguide Aerials (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

本发明公开了一种极化和方向图各异的四单元MIMO天线，包括介质基板、印刷在介质基板背面的地板、印刷在介质基板正面的MIMO天线及隔离条；所述MIMO天线由四个相同的天线单元90度中心旋转排布而成；所述隔离条垂直立于介质基板的上方，且所述隔离条的中心与MIMO天线的中心重合。本发明的MIMO天线由四个相同的天线单元90度中心旋转排布而成，采用加载贴片短路金属柱的方法，使天线相对于传统的二分之一波长贴片天线面积减小一半，结构紧凑；使用微带印刷技术，天线集成程度更高，重量更轻，成本更低，加工周期更短；通过使用垂直的隔离条，降低了天线端口之间的相关系数，和其他去耦合技术比起来，在保证高的隔离效果的基础上，结构更紧凑。

Description

一种极化和方向图各异的四单元 MIMO天线 技术领域
[0001] 本发明涉及微波毫米波无源器件技术领域， 尤其涉及一种极化和方向图各异的 四单元 MIMO天线。
背景技术
[0002] 随着现代通信***的快速发展， 人们对设备之间的数据传输速率要求越来越高 ， 同吋， 为了适应微波毫米波电路的商业化要求， 通信设备还必须具有小型化 、 轻量化、 低成本的特点。 而多频带小型化 MIMO (Multiple-Input Multiple-Output, 多通道通信技术） 天线正是在这种形势下产生的一种结构紧凑、 成本低的 天线。 MIMO天线可以通过使用多天线技术增加信道容量， 从而有效地增加*** 的数据传输速率。
[0003] 然而， 对通信设备小型化的要求， 给天线设计留出的空间非常有限。 将多个天 线近距离地放置在一起可以有效地减小整个天线***的尺寸， 但是， 有限空间 内天线之间的互耦很强， 各天线之间具有很高的相关系数， 从而使 MIMO天线的 分集性能急剧恶化。 现有的小型化多天线设计中去耦合技术有很多种， 比如利 用缺陷地结构、 引入电磁带隙结构、 去耦合匹配网络、 利用蘑菇云结构等， 但 是这些技术都有一定的缺陷， 比如缺陷地会破坏地板结构， 限制了天线的适用 范围， 后面三种方法都会使天线的占用空间增大， 不适用于小型化设计。 此外 ， 这些技术多是针对两个天线去耦合设计， 对于多个天线或者多个频段的去耦 合问题， 实际实施起来变得更加复杂。 因此， 高隔离度的小型化 MIMO天线设计 中还有很多亟待解决的问题。
技术问题
[0004] 为了解决现有技术的问题， 本发明旨在提供一种极化和方向图各异的四单元 Ml MO天线， 以克服现有 MIMO天线设计隔离度低， 重量重、 体积大、 加工成本高 、 不易集成的缺点。
问题的解决方案 技术解决方案
[0005] 为此， 本发明提供一种极化和方向图各异的四单元 MIMO天线， 包括介质基板 、 印刷在介质基板背面的地板、 印刷在介质基板正面的 MIMO天线及隔离条； 所 述 MIMO天线由四个相同的天线单元 90度中心旋转排布而成； 所述隔离条垂直立 于介质基板的上方， 且所述隔离条的中心与 MIMO天线的中心重合。
[0006] 进一步地， 每一所述天线单元结构均由馈电微带线、 对称匹配槽、 辐射金属 贴片、 加载 L型缝隙及贴片短路金属柱组成； 馈电微带线从侧面插设于辐射金属 贴片中形成对称匹配槽； 贴片短路金属柱位于对称匹配槽的两侧； 加载 L型缝隙 位于辐射金属贴片上， 一边靠近贴片短路金属柱， 与馈电微带线平行， 另一边 远离贴片短路金属柱， 与馈电微带线垂直。
[0007] 进一步地， 所述隔离条由十字形金属条、 印刷在介质基板表面的十字形金属微 带线及短路金属化通孔组成； 十字形金属条通过十字形金属微带线以及短路金 属化通孔与地板相连接。
发明的有益效果
有益效果
[0008] 与现有技术相比， 本发明具有以下有益效果：
[0009] 1、 结构紧凑， 其 MIMO天线由四个相同的天线单元 90度中心旋转排布而成， 采用加载贴片短路金属柱的方法， 使天线相对于传统的二分之一波长贴片天线 面积减小一半；
[0010] 2、 使用微带印刷技术， 天线集成程度更高， 重量更轻， 成本更低， 加工周期 更短；
[0011] 3、 通过使用垂直的隔离条， 降低了天线端口之间的相关系数， 和其他去耦合 技术比起来， 在保证高的隔离效果的基础上， 结构更紧凑；
[0012] 采用加载 L型缝隙方法， 使原本小型化天线额外增加了一个工作频段， 从而具 有双频段特性， 并且在两个频段内都可以同吋保证好的工作性能， 通过调整匹 配槽的长度， 可以使两个频段同吋达到较好的匹配状态。
对附图的简要说明
附图说明 [0013] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案， 下面将对实施例描述中所需要 使用的附图作简单地介绍， 显而易见地， 下面描述中的附图仅仅是本发明的一 些实施例， 对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动的前提下， 还 可以根据这些附图获得其他的附图。
[0014] 图 1是本发明所述一种极化和方向图各异的四单元 MIMO天线的结构示意图， 其中：
[0015] 介质基板 1、 地板 2、 MIMO天线 3、 隔离条 4;
[0016] 馈电微带线 31、 对称匹配槽 32、 辐射金属贴片 33、 加载 L型缝隙 34、 贴片短路 金属柱 35;
[0017] 十字形金属条 41、 十字形金属微带线 42、 短路金属化通孔 43。
实施该发明的最佳实施例
本发明的最佳实施方式
[0018] 为使本发明的目的、 技术方案和优点更加清楚， 下面将结合附图对本发明实施 方式作进一步地详细描述。
[0019] 参见图 1， 本实施例提供一种极化和方向图各异的四单元 MIMO天线， 包括介 质基板 1、 印刷在介质基板 1背面的地板 2、 印刷在介质基板 1正面的 MIMO天线 3 及隔离条 4; 所述 MIMO天线 3由四个相同的天线单元 90度旋转排布而成； 所述隔 离条 4垂直立于介质基板 1的上方， 其中心与 MIMO天线 3的中心重合。
[0020] 每一所述天线单元结构均由馈电微带线 31、 对称匹配槽 32、 辐射金属贴片 33、 加载 L型缝隙 34及贴片短路金属柱 35组成， 加载 L型缝隙 34靠近 MIMO天线 3的最 外边缘和十字形金属条 43， L型缝隙 34的长度可以根据所需频率进行改变。
[0021] 馈电微带线 31从侧面插设于辐射金属贴片 33中形成对称匹配槽 32; 贴片短路金 属柱 35位于对称匹配槽 32的两侧； 加载 L型缝隙 34位于辐射金属贴片 33上， 一边 靠近贴片短路金属柱 35， 与馈电微带线 31平行， 另一边远离贴片短路金属柱 35
， 与馈电微带线 31垂直。
[0022] 隔离条 4由十字形金属条 41、 印刷在介质基板 1表面的十字形金属微带线 42及短 路金属化通孔 43组成； 十字形金属条 41通过十字形金属微带线 42以及短路金属 化通孔 43与地板 2相连接。 [0023] 其工作原理为： MIMO天线 3由四个相同的天线单元 90度旋转排布而成， 实现 了 0度、 90度、 180度和 270度四个方向的线极化； 通过加载贴片短路金属柱 35， 使天线尺寸相比于传统半波长贴片天线减小了一半， 从而达到小型化的目的； 通过在天线单元上加载 L型缝隙 34使天线具有双频带特性， 两个频带的阻抗匹配 通过调整对称匹配槽 32的长度可以同吋达到匹配； 隔离条 4中， 十字形金属条 41 通过十字形金属微带线 42以及短路金属化通孔 43与地板 2相连接， 通过隔离条 4 的反射作用有效地降低了两个频带内的端口隔离度， 同吋， 使方向图最大辐射 方向与基板平面的法向方向具有 30度的偏离。
[0024] 为进一步说明上述技术方案的可实施性， 下面给出一个具体设计实例， 一种极 化和方向图各异的四单元 MIMO天线， 整个 MIMO天线***的尺寸为： 36mmx36 mmx4mm， 印刷天线的介质基板采用厚度为 1.96mm的 F4B， 相对介电常数为 2.55 ，损耗角正切为 0.002。 单个天线单元的辐射片尺寸为 12mmxl2mm， 馈线总长度 为 9.7mm， L型加载缝隙总长度为 18.5mm， 贴片边缘距离为 2mm， 隔离条中， 由 印刷在基板两面的金属带代替十字形金属条， 十字形基板采用厚度为 0.8mm的 F4 B， 隔离条高度为 2mm， 长 26mm。 测试结果表明， 天线的两个工作频带为： 3.4 71GHz-3.529GHz和 5.678GHz-5.721GHz， 峰值增益范围为 2.65dBi-2.85dBi， 低频 带内峰值效率为 63%， 高频带内峰值效率为 65%; 低频带内隔离度大于 18.4dB， 高频带内隔离度大于 22.7dB。
[0025] 以上所述仅为本发明的较佳实施例， 并不用以限制本发明， 凡在本发明的精神 和原则之内， 所作的任何修改、 等同替换、 改进等， 均应包含在本发明的保护 范围之内。

Claims

权利要求书
[权利要求 1] 一种极化和方向图各异的四单元 MIMO天线， 其特征在于， 包括介质 基板、 印刷在介质基板背面的地板、 印刷在介质基板正面的 MIMO天 线及隔离条； 所述 MIMO天线由四个相同的天线单元 90度中心旋转排 布而成； 所述隔离条垂直立于介质基板的上方， 且所述隔离条的中心 与 MIMO天线的中心重合。
[权利要求 2] 根据权利要求 1所述的一种极化和方向图各异的四单元 MIMO天线， 其特征在于， 每一所述天线单元结构均由馈电微带线、 对称匹配槽、 辐射金属贴片、 加载 L型缝隙及贴片短路金属柱组成； 馈电微带线从 侧面插设于辐射金属贴片中形成对称匹配槽； 贴片短路金属柱位于对 称匹配槽的两侧； 加载 L型缝隙位于辐射金属贴片上， 一边靠近贴片 短路金属柱， 与馈电微带线平行， 另一边远离贴片短路金属柱， 与馈 电微带线垂直。
[权利要求 3] 根据权利要求 1所述的一种极化和方向图各异的四单元 MIMO天线， 其特征在于， 所述隔离条由十字形金属条、 印刷在介质基板表面的十 字形金属微带线及短路金属化通孔组成； 十字形金属条通过十字形金 属微带线以及短路金属化通孔与地板相连接。
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