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CN106450755A - 缝隙阵列加载4单元多频高隔离度微带mimo天线 - Google Patents

缝隙阵列加载4单元多频高隔离度微带mimo天线 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种缝隙阵列加载4单元多频高隔离度微带MIMO天线，涉及无源器件中天线研究领域，本发明的四单元天线单元具有T型馈电耦合线端口，采用在辐射贴片上周期性加载缝隙阵列实现极化分集，从而提高天线隔离度，四单元MIMO天线系统，不但抑制了天线之间的耦合，而且激励出更多的谐振频点，改善了高次模的方向图，并且天线的尺寸也得到了很大的减缩；耦合馈电线及以及辐射单元均采用微带线，使天线剖面较低，且易于加工；设计的天线具有多个频点频工作特性，具有稳定的极化分集特性，介质基板价格低廉，易于购买，总之，本发明制作成本低，易于加工，可批量生产，具有较大的实际应用价值。

Description

缝隙阵列加载4单元多频高隔离度微带MIMO天线
技术领域
本发明涉及无源器件中天线研究领域，尤其是一种WLAN的平面微带MIMO天线。
背景技术
随着无线通信技术和应用的不断发展，4G通信的普及、5G通信的到来和物联网的提出，都对无线通信系统的数据传输速率和信道容量提出了更高的要求。于是，早在1908年就由Marconi提出的多输入多输出(Multiple Input and Multiple Output，MIMO)无线通信系统才再次引起人们的关注，MIMO无线通信系统在无需额外增加系统带宽和发射功率的条件下，可以极大地提高无线信道容量和数据传输的可靠性，于是开始被广泛研究，并且已经在移动通信的基站处得到了应用。但是，随着天线数目的增加，特别是在有限的空间中，单元天线之间的距离会变得越来越小，当两个天线之间的距离小于半个载波波长时，天线单元的特性会受到严重的相互影响，单元天线之间的互耦合会变得非常显著，相关性系数变大，对整个MIMO通信系统的通信容量提高产生严重的影响。于是减小MIMO天线系统中天线单元之间的耦合是MIMO天线设计的关键也是研究的热点。
国内外学者对MIMO天线做出了很多研究，例如：Y.Gao等人设计了一个中心频率工作在5.2GHz，应用于WLAN，具有极小地板的两单元MIMO天线系统，经过修正，将两个天线之间耦合度降到-28dB以下；Shuai Zhang等人提出一种针对PIFA天线的去耦合技术，利用一种T型缝隙阻抗变换器，可以将单频以及双频工作的MIMO天线之间的耦合度得到有效地降低。但是以上的天线都具有天线体积较大的缺点，不利于当前器件小型化的需求，另外，天线单元的隔离度也相对较低，干扰较大，没有极化分集特性。因此如何设计出具有分集特性的小型化的高隔离度MIMO天线就成了我们研究的方向。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明旨在设计出具有极化分集特性的适用于手机终端的高隔离度MIMO天线，具有以下特性：电尺寸小，隔离度高，具有极化分集功能和便于集成加工。
本发明所设计的MIMO天线由六部分组成：1号天线单元、2号天线单元、3号天线单元、4号天线单元、介质基板5和接地板6。
所述1号天线单元-4号天线单元均由一个T型50欧姆端口馈电耦合线和长为Lpatch、宽为Wpatch的矩形辐射贴片组成，Lpatch的取值范围为33.5mm～36.5mm，Wpatch的取值范围为20mm～22mm，T型50欧姆端口馈电耦合线的耦合部分尺寸为Lport×Wport，Lport的取值范围为2.88mm～3.08mm，Wport的取值范围为1.92mm～2.08mm，T型50欧姆端口馈电耦合线的馈电线尺寸为Lfeed×Wfeed，Lfeed的取值范围为9.60mm～10.40mm，Wfeed的取值范围为1.09mm～1.11mm，T型50欧姆端口馈电耦合线的馈电线均垂直于矩形辐射贴片的长边Lpatch，且，T型50欧姆端口馈电耦合线的馈电线端距离矩形辐射贴片的长边Lpatch的距离为w，w的取值范围为1.9mm～2.1mm，矩形辐射贴片存在若干等距平行缝隙，缝隙方向与矩形辐射贴片任意边呈45°±2°度斜角，矩形辐射贴片和等距平行缝隙在垂直方向的宽度均为d，d的取值范围为1.35mm～1.47mm，1号天线单元、2号天线单元、3号天线单元和4号天线单元的四个矩形辐射贴片呈田字型分布，且1号天线单元、2号天线单元、3号天线单元和4号天线单元的四个矩形辐射贴片中间的十字型缝隙之间的距离均为g，g的取值范围0.08mm～1.02mm。
1号天线单元-4号天线单元印刷在长为Lsub，宽为Wsub的矩形介质基板5上，Lsub的取值范围为100mm～110mm，Wsub的取值范围为66mm～70mm，矩形介质基板5采用相对介电常数为4.4的聚四氟乙烯材料，矩形介质基板5的损耗角正切为0.02，厚度为Hsub，Hsub的取值范围为1.52mm～1.68mm。
接地板6贴在矩形介质基板5的正下方，其中矩形介质基板5印刷微带天线的一面为上方，另外一面为下方，接地板6的尺寸与矩形介质基板5的尺寸相同。
本发明有益效果是由于设计的四单元MIMO天线系统，天线单元具有T型馈电耦合线端口，采用在辐射贴片上周期性加载缝隙阵列实现极化分集，从而提高天线隔离度的有效措施，并且设计了四单元MIMO天线系统，不但抑制了天线之间的耦合，而且激励出更多的谐振频点，改善了高次模的方向图，并且天线的尺寸也得到了很大的减缩，在手机等移动终端的应用中，小尺寸可以极大地减小占用空间；耦合馈电线及以及辐射单元均采用微带线，使天线剖面较低，且易于加工；设计的天线具有多个频点频工作特性，具有稳定的极化分集特性，介质基板采用介电常数为4.4的FR4材料，价格低廉，易于购买。总之，本发明制作成本低，易于加工，可批量生产，具有较大的实际应用价值。
附图说明
图1是本发明4单元MIMO天线的俯视图。
图2是本发明天线的散射参数随频率变化曲线图。
图3是本发明天线的辐射方向图特性，图3(a)是MIMO天线在2.4GHz的辐射方向图，图3(b)是MIMO天线在3.4GHz的辐射方向图，图3(c)是MIMO天线在5.4GHz的辐射方向图。
其中：1-1号天线单元，2-2号天线单元，3-3号天线单元，4-4号天线单元，5-聚四氟乙烯介质基板，6-地板，Port1-馈电端口1，Port2-馈电端口2，Port3-馈电端口3，Port4-馈电端口4，Lsub-矩形介质基板的长度，Wsub-矩形介质基板的宽度，Hsub-矩形介质基板的高度,g-任意两相邻辐射贴片之间的距离，Lpatch-矩形辐射贴片的长，Wpatch-矩形辐射贴片的宽，Lport-天线单元馈电耦合线端口馈电部分长度，Wport-天线单元馈电耦合线端口馈电部分宽度，Lfeed-天线单元馈电耦合线耦合部分长度，Wfeed-天线单元馈电耦合线耦合部分宽度，w-开缝范围与辐射贴片边缘距离，d-相邻缝隙之间的距离。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明所设计的MIMO天线由六部分组成：1号天线单元-4号天线单元，介质基板5和接地板6，如图1所示，具体的结构尺寸参数如表1所示，表1中参数单位为mm。
表1
变量 数值 变量 数值
Lsub 105.00±5.00 Wsub 68.00±2.00
Hsub 1.60±0.08 g 1.00±0.02
Lpatch 35.00±1.50 Wpatch 21.00±1.00
Lport 2.98±0.10 Wport 2.00±0.08
Lfeed 10.00±0.40 Wfeed 1.10±0.05
w 2.00±0.10 d 1.41±0.06
表1中的字母代表图中的几何尺寸参数，在图1中有对应的标示。
Lsub-矩形介质基板的长度，Wsub-矩形介质基板的宽度，Hsub-矩形介质基板的高度,g-各辐射贴片的距离，Lpatch-矩形辐射贴片的长，Wpatch-矩形辐射贴片的宽，Lport-天线单元馈电耦合线端口馈电部分长度，Wport-天线单元馈电耦合线端口馈电部分宽度，Lfeed-天线单元馈电耦合线耦合部分长度，Wfeed-天线单元馈电耦合线耦合部分宽度，w-开缝范围与辐射贴片边缘距离，d-相邻缝隙之间的距离，Port1-馈电端口1，Port2-馈电端口2，Port3-馈电端口3，Port4-馈电端口4。
具体的实施方法为：1号天线单元-4号天线单元均由一个T型50欧姆端口馈电耦合线和长为Lpatch、宽为Wpatch的矩形辐射贴片组成，Lpatch的取值范围为33.5mm～36.5mm，Wpatch的取值范围为20mm～22mm，T型50欧姆端口馈电耦合线的耦合部分尺寸为Lport×Wport，Lport的取值范围为2.88mm～3.08mm，Wport的取值范围为1.92mm～2.08mm，T型50欧姆端口馈电耦合线的馈电线尺寸为Lfeed×Wfeed，Lfeed的取值范围为9.60mm～10.40mm，Wfeed的取值范围为1.09mm～1.11mm，T型50欧姆端口馈电耦合线的馈电线均垂直于矩形辐射贴片的长边Lpatch，且，T型50欧姆端口馈电耦合线的馈电线端距离矩形辐射贴片的长边Lpatch的距离为w，w的取值范围为1.9mm～2.1mm，矩形辐射贴片存在若干等距平行缝隙，缝隙方向与矩形辐射贴片任意边呈45°±2°度斜角，矩形辐射贴片和等距平行缝隙在垂直方向的宽度均为d，d的取值范围为1.35mm～1.47mm，在本实施例中，等距平行缝隙倾斜方向如图1所示，即左上角矩形辐射贴片和右下角矩形辐射贴片的缝隙倾斜方向与矩形辐射贴片的下边长和左边长呈等边三角形，右上角辐射贴片和左下角辐射贴片的缝隙倾斜方向与矩形辐射贴片的下边长和右边长呈等边三角形，1号天线单元、2号天线单元、3号天线单元和4号天线单元的四个矩形辐射贴片呈田字型分布，且1号天线单元、2号天线单元、3号天线单元和4号天线单元的四个矩形辐射贴片中间的十字型缝隙之间的距离均为g，g的取值范围0.08mm～1.02mm；
1号天线单元-4号天线单元印刷在长为Lsub，宽为Wsub的矩形介质基板5上，Lsub的取值范围为100mm～110mm，Wsub的取值范围为66mm～70mm，矩形介质基板5采用相对介电常数为4.4的聚四氟乙烯材料，矩形介质基板5的损耗角正切为0.02，厚度为Hsub，Hsub的取值范围为1.52mm～1.68mm，聚四氟乙烯材料特性具有较高的机械性能和介电性能，较好的绝缘性能、耐热性及耐潮性，幷有良好的机械加工性，便于加工，生产成本较低。
接地板6贴在矩形介质基板5的正下方，其中矩形介质基板5印刷微带天线的一面为上方，另外一面为下方，接地板6的尺寸与矩形介质基板5的尺寸相同。
用电磁仿真软件HFSS对天线模型进行仿真优化，确定尺寸参数，得到天线的散射参数图，附图中图2为天线散射参数随频率变化曲线图，由图可以看出，该天线分别在2.4GHz、3.4GHz、5.4GHz频点上谐振，图3为MIMO天线在2.4GHz的辐射方向图，图3(b)为MIMO天线在3.4GHz的辐射方向图，图3(b)为MIMO天线在5.4GHz的辐射方向图，可以看出，本发明设计的MIMO天线具有极化分集和高隔离度的特性，并且此天线具有多谐振频点的特性，从而验证本发明的可实施性。

Claims (1)

1.一种缝隙阵列加载4单元多频高隔离度微带MIMO天线，包括1号天线单元、2号天线单元、3号天线单元、4号天线单元、介质基板(5)和接地板(6)，其特征在于：
所述1号天线单元-4号天线单元均由一个T型50欧姆端口馈电耦合线和长为Lpatch、宽为Wpatch的矩形辐射贴片组成，Lpatch的取值范围为33.5mm～36.5mm，Wpatch的取值范围为20mm～22mm，T型50欧姆端口馈电耦合线的耦合部分尺寸为Lport×Wport，Lport的取值范围为2.88mm～3.08mm，Wport的取值范围为1.92mm～2.08mm，T型50欧姆端口馈电耦合线的馈电线尺寸为Lfeed×Wfeed，Lfeed的取值范围为9.60mm～10.40mm，Wfeed的取值范围为1.09mm～1.11mm，T型50欧姆端口馈电耦合线的馈电线均垂直于矩形辐射贴片的长边Lpatch，且，T型50欧姆端口馈电耦合线的馈电线端距离矩形辐射贴片的长边Lpatch的距离为w，w的取值范围为1.9mm～2.1mm，矩形辐射贴片存在若干等距平行缝隙，缝隙方向与矩形辐射贴片任意边呈45°±2°度斜角，矩形辐射贴片和等距平行缝隙在垂直方向的宽度均为d，d的取值范围为1.35mm～1.47mm，1号天线单元、2号天线单元、3号天线单元和4号天线单元的四个矩形辐射贴片呈田字型分布，且1号天线单元、2号天线单元、3号天线单元和4号天线单元的四个矩形辐射贴片中间的十字型缝隙之间的距离均为g，g的取值范围0.08mm～1.02mm；
1号天线单元-4号天线单元印刷在长为Lsub，宽为Wsub的矩形介质基板(5)上，Lsub的取值范围为100mm～110mm，Wsub的取值范围为66mm～70mm，矩形介质基板(5)采用相对介电常数为4.4的聚四氟乙烯材料，矩形介质基板(5)的损耗角正切为0.02，厚度为Hsub，Hsub的取值范围为1.52mm～1.68mm；
接地板(6)贴在矩形介质基板(5)的正下方，其中矩形介质基板(5)印刷微带天线的一面为上方，另外一面为下方，接地板(6)的尺寸与矩形介质基板(5)的尺寸相同。
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