CN108767453A - 一种柔性超宽带mimo天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种柔性超宽带MIMO天线，用于提高超宽带MIMO天线的隔离度，扩展天线的频段范围，包括柔性薄膜介质板(1)，以及印制在该介质板上表面的辐射单元(2)和下表面的辐射地板(3)；辐射单元(2)采用由四个第一辐射贴片(21)组成的中心对称结构，其中第一辐射贴片(21)的外形由多条圆弧曲线拼接而成，每个第一辐射贴片(21)各连接一个馈电线(4)；辐射地板(3)采用由四个第二辐射贴片(31)组成的中心对称结构，其中第二辐射贴片(31)由第一矩形贴片(311)和第二矩形贴片(312)拼接而成。本发明的体积小，隔离度高，频带范围宽，易于设备集成，适用于无线通信技术领域。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种柔性超宽带MIMO天线，适用于无线通信技术领域。
背景技术
近年来，随着无线通信技术的发展，频谱资源短缺的问题愈发严重，而超宽带天线对解决频谱资源短缺有一定的作用。超宽带天线是一种相对带宽大于20％的天线，相对带宽是指天线在能满足设计指标要求的频率范围内的主要性能参数，如输入阻抗、方向图、增益、主瓣宽度和副瓣电平等，一般情况下，天线性能参数是随频率而变化的。同时无线通信技术的快速发展，对于通信设备的功能要求越来越多，使得同一通信设备上集成的器件也越来越多，为了尽可能的降低成本，减小通信设备体积，天线作为通信设备中重要的器件，小型化的需求显得尤为迫切。
柔性天线由于其低成本，体积小，易集成和设计的灵活性等优点在无线通信领域引起广泛关注，而喷墨方式作为一种高效的电子电路制作方法，因为其工作周期短，良好的生产多功能性和低成本，在柔性天线设计中有广泛的应用潜能。
对于频谱资源短缺的问题，超宽带MIMO天线作为一种多输入多输出天线无疑是一种不错的选择，超宽带MIMO天线是由多个天线单元组成的，由于各个单元之间的相互耦合，其阻抗带宽和隔离度是超宽带MIMO天线的主要性能参数，在保证相对带宽大于20％的前提下，尽可能的提高隔离度，可以有效提高MIMO天线的抗多径衰落能力，能够在不需要增加频谱范围和发射功率的情况下，增加通信容量。
由于传统的超宽带MIMO天线频段范围小，体积大，隔离度低的缺点，会影响超宽带MIMO天线的性能，限制超宽带MIMO天线的应用范围。增加带宽简单有效的方法是增加介质的厚度和降低基片的相对介电常数值，但是介质厚度过大会引起表面波的明显激励，并可能会在厚度方向激发一些高次模，这会降低辐射效率，使辐射方向图恶化。MIMO天线可以通过增加单元间隔来提高隔离度，但是过高的单元间隔不仅会影响MIMO天线的阻抗带宽，恶化辐射方向图，而且会增加MIMO天线的体积，而减小超宽带MIMO天线的体积，又会改变阻抗带宽，同时影响天线性能。因此，如何保证超宽带MIMO天线在小型化的前提下，扩展频带范围，提高隔离度是一个亟待解决的关键问题。
超宽带MIMO天线中各个单元添加独立的馈电端口，通过馈电端口输入激励信号，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。例如申请公布号为CN 106282871 A，名称为“一种紧凑型四单元超宽带MIMO天线”的专利申请，公开了一种紧凑型四单元超宽带MIMO天线，设置了四种相同的辐射单元和四个相同的倒L形地板枝节，分别放在介质板的四个顶角位置，且L形地板枝节的长边与辐射单元重合，构成双面双微带线结构，介质板长边一侧的相邻辐射单元之间地板上设置有两组地板缝隙，在频段3～10GHz频段内S11参数都小于-10dB，隔离度在3～10GHz频带内仅在15dB左右，该天线实现了小型化和超宽带特性，但存在的缺陷是隔离度较低，频段范围较窄。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种柔性超宽带MIMO天线，用于提高超宽带MIMO天线的隔离度，并扩展天线的频段范围。
一种柔性超宽带MIMO天线，包括柔性薄膜介质板1，以及印制在该介质板上表面的辐射单元2和下表面的辐射地板3；所述辐射单元2采用由四个第一辐射贴片21组成的中心对称结构，所述第一辐射贴片21的外形由多条圆弧曲线拼接而成，每个第一辐射贴片21各连接一个馈电线4；所述辐射地板3采用由四个第二辐射贴片31组成的中心对称结构，所述第二辐射贴片31由第一矩形贴片311和第二矩形贴片312拼接而成。
上述一种柔性超宽带MIMO天线，所述辐射地板3，其相邻的第二辐射贴片31正交，形成十字行带结构，组成第二辐射贴片31的第一矩形贴片311的宽度W1小于第二矩形贴片312的宽度Wg。
上述一种柔性超宽带MIMO天线，所述第一辐射贴片21，其外形采用由椭圆圆弧211、两条第一圆弧212、两条第二圆弧213和第三圆弧214拼接而成的钳形结构，其中椭圆圆弧211的长半轴r3等于2倍短半轴r4，第二圆弧213的半径r1小于第三圆弧214的半径r2，第二圆弧213的圆心角θ1小于第三圆弧214的圆心角θ2。
上述一种柔性超宽带MIMO天线，所述辐射单元2，其中心对称轴与辐射地3的中心对称轴重合，其中四个第一辐射贴片21位于四个第二辐射贴片31形成的空白处在空间上对应的位置，且第三圆弧214与第二矩形贴片312相切，第一圆弧212与第一矩形贴片311相切。
上述一种柔性超宽带MIMO天线，所述馈电线4，与椭圆圆弧211的短轴正交，同时与第三圆弧214相切，而且该馈电线4的长度L3与第二矩形贴片312的长度Lg相等。
上述一种柔性超宽带MIMO天线，所述柔性薄膜介质板1，其上表面印制的辐射单元2和下表面印制的辐射地板3，采用喷墨方式实现。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、本发明的辐射地板采用由四个第二辐射贴片组成的中心对称结构，其中第二辐射贴片由第一矩形贴片和第二矩形贴片拼接而成，且辐射地板中相邻的第二辐射贴片正交，形成十字行带结构，该十字行带结构可以改变天线的阻抗特性，从而抑制单元间的相互耦合，有效提高天线的隔离度，使天线的隔离度在频段3.27～13GHz内大于25dB。
2、本发明的辐射单元由四个第一辐射贴片组成，且第一辐射贴片采用外形由多条圆弧曲线拼接而成的钳形对称结构，该钳形对称结构不仅可以延长电流的传导路径，增加多个谐振点，获得紧凑的天线结构，而且可以扩展天线的频带范围，使天线的阻抗带宽在频带3.07GHz～13GHz内大于10dB。
3、本发明采用Kapton柔性薄膜介质板，使用喷墨方式在柔性薄膜介质板上下表面分别印制辐射单元和辐射地板，属于首次在柔性薄膜介质板上实现印制超宽带MIMO天线，使天线易与设备集成。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明辐射地板的结构示意图；
图3是本发明第一辐射贴片的结构示意图；
图4是本发明辐射单元的结构示意图；
图5是本发明辐射地板采用十字形带结构和未采用十字形带结构的S11仿真结果图；
图6是本发明辐射地板采用十字形带结构和未采用十字形带结构的S21、S31、S41仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述：
参照图1，本发明提出的一种柔性超宽带MIMO天线，包括柔性薄膜介质板1、辐射单元2、辐射地板3和馈电线4。
辐射单元2采用由四个第一辐射贴片21组成的中心对称结构，印制在柔性薄膜介质板1的上表面，且该辐射单元2的中心对称轴与辐射地板3的中心对称轴重合。辐射地板3采用由四个第二辐射贴片31组成的中心对称结构，印制在柔性薄膜介质板1的下表面。柔性薄膜介质板1采用Kapton柔性薄膜材料，相对介电常数εr＝3.4，整体尺寸为65mm×65mm×0.125mm。
参照图2，第二辐射贴片31由第一矩形贴片311和第二矩形贴片312拼接而成，第一矩形贴片311的宽度W1＝2.0mm，长度L1＝22.9mm，第二矩形贴片312的宽度Wg＝10.6mm，长度Lg＝5.6mm，且辐射地板3中相邻的第二辐射贴片31正交，形成十字行带结构，该结构可以改变天线的阻抗特性，从而抑制单元间的相互耦合，有效提高天线的隔离度。
参照图3，第一辐射贴片21采用外形由一条椭圆圆弧211，两条第一圆弧212，两条第二圆弧213和第三圆弧214拼接而成的钳形对称结构，其中椭圆圆弧211的长半轴r3＝15.0mm，短半轴r4＝7.5mm，第二圆弧212的半径r1＝2.4mm，第三圆弧213的半径r2＝11.4mm，圆心角θ2＝67°，该钳形结构不仅可以延长电流的传导路径，增加多个谐振点，有效扩宽带宽，获得紧凑的天线结构，而且可以扩展天线的频带范围。
参照图4，辐射单元2中四个第一辐射贴片21位于四个第二辐射贴片31形成的空白处在空间上对应的位置，其中第一辐射贴片21具体结构如图4所示，其中第三圆弧214与第二矩形贴片312相切，第一圆弧212与第一矩形贴片311相切，同时每个第一辐射贴片21各连接一个馈电线4，馈电线4的长度L3＝5.6mm，宽度W3＝0.3mm，且馈电线4与第三圆弧214相交，同时与椭圆圆弧211的短轴正交，通过对馈电线4输入激励信号，在辐射单元2与辐射地板2之间激励起射频电磁场，并通过辐射单元2四周与辐射地板3之间的缝隙向外辐射。
本发明的效果可结合仿真结果作进一步说明：
1、仿真内容
1.1利用商业仿真软件HFSS_13.0对上述辐射地板采用十字形带结构和未采用十字形带结构的S11参数进行仿真计算，结果如图5所示。
1.2利用商业仿真软件HFSS_13.0对上述辐射地板采用十字形带结构和未采用十字形带结构的S21、S31、S41参数进行仿真计算，结果如图6所示。
2、仿真结果分析
参照图5，以S11<-10dB为标准，辐射地板采用十字行带结构的天线的阻抗带宽为3.07GHz～13GHz，未采用十字行带结构的天线的阻抗带宽为3.27GHz～13GHz。
参照图6，辐射地板采用十字行带结构的天线的隔离度在频段3.27GHz～13GHz内大于25dB，未采用十字行带结构的天线的隔离度仅在频段6GHz～13GHz内大于25dB，因此辐射地板采用十字行带结构的天线可以有效增加天线的隔离度。
以上仿真结果说明，本发明天线具有理想的阻抗带宽和隔离度，并且实物测试结果与仿真结果吻合。
Claims (6)
1.一种柔性超宽带MIMO天线，其特征在于，包括柔性薄膜介质板(1)，以及印制在该介质板上表面的辐射单元(2)和下表面的辐射地板(3)；所述辐射单元(2)采用由四个第一辐射贴片(21)组成的中心对称结构，所述第一辐射贴片(21)的外形由多条圆弧曲线拼接而成，每个第一辐射贴片(21)各连接一个馈电线(4)；所述辐射地板(3)采用由四个第二辐射贴片(31)组成的中心对称结构，所述第二辐射贴片(31)由第一矩形贴片(311)和第二矩形贴片(312)拼接而成。
2.根据权利要求1所述的一种柔性超宽带MIMO天线，其特征在于，所述辐射地板(3)，其相邻的第二辐射贴片(31)正交，形成十字行带结构，组成第二辐射贴片(31)的第一矩形贴片(311)的宽度W1小于第二矩形贴片(312)的宽度Wg。
3.据权利要求1所述的一种柔性超宽带MIMO天线，其特征在于，所述第一辐射贴片(21)，其外形采用由椭圆圆弧(211)、两条第一圆弧(212)、两条第二圆弧(213)和第三圆弧(214)拼接而成的钳形结构，其中椭圆圆弧(211)的长半轴r3等于2倍短半轴r4，第二圆弧(213)的半径r1小于第三圆弧(214)的半径r2，第二圆弧(213)的圆心角θ1小于第三圆弧(214)的圆心角θ2。
4.根据权利要求3所述的一种柔性超宽带MIMO天线，其特征在于，所述辐射单元(2)，其中心对称轴与辐射地板(3)的中心对称轴重合，其中四个第一辐射贴片(21)位于四个第二辐射贴片(31)形成的空白处在空间上对应的位置，且第三圆弧(214)与第二矩形贴片(312)相切，第一圆弧(212)与第一矩形贴片(311)相切。
5.根据权利要求4所述的一种柔性超宽带MIMO天线，其特征在于，所述馈电线(4)，与椭圆圆弧(211)的短轴正交，同时与第三圆弧(214)相切，而且该馈电线(4)的长度L3与第二矩形贴片(312)的长度Lg相等。
6.根据权利要求1所述的一种柔性超宽带MIMO天线，其特征在于，所述柔性薄膜介质板(1)，其上表面印制的辐射单元(2)和下表面印制的辐射地板(3)，采用喷墨方式实现。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20181106 |