CN102800947B - 一种双极化天线及具有该双极化天线的mimo天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双极化天线，包括介质基板、第一金属片以及第二金属片，围绕第一金属片设置有第一馈线、第二馈线，围绕第二金属片设置有第三馈线、第四馈线，第一金属片上镂空有第一微槽结构以在第一金属片上形成第一金属走线，第二金属片上镂空有第二微槽结构以在第二金属片上形成第二金属走线，第一馈线与第三馈线电连接，所述第二馈线与第四馈线电连接，所述天线预设有供电子元件嵌入的空间。根据本发明的双极化天线，介质基板两面均设置有金属片，充分利用了天线的空间面积，在此环境下天线能在较低工作频率下工作，同时满足天线小型化、低工作频率、宽带多模的要求。另外本发明还涉及一种具有多个上述的双极化天线的MIMO天线。

Description

一种双极化天线及具有该双极化天线的MIMO天线

技术领域

本发明属于通信领域，具体地，涉及一种双极化天线及具有该双极化天线的MIMO天线。

背景技术

双极化天线是一种新型天线技术，传统的双极化天线是通过组合了+45°和-45°两副极化方向相互正交的天线并同时工作在收发双工模式下，因此其最突出的优点是节省单个定向基站的天线数量；一般GSM数字移动通信网的定向基站(三扇区)要使用9根天线，每个扇形使用3根天线(空间分集，一发两收)，如果使用双极化天线，每个扇形只需要1根天线；同时由于在双极化天线中，±45°的极化正交性可以保证+45°和-45°两副天线之间的隔离度满足互调对天线间隔离度的要求(≥30dB)，因此双极化天线之间的空间间隔仅需20-30cm；另外，双极化天线具有电调天线的优点，在移动通信网中使用双极化天线同电调天线一样，可以降低呼损，减小干扰，提高全网的服务质量。如果使用双极化天线，由于双极化天线对架设安装要求不高，不需要征地建塔，只需要架一根直径20cm的铁柱，将双极化天线按相应覆盖方向固定在铁柱上即可，从而节省基建投资，同时使基站布局更加合理，基站站址的选定更加容易。

天线在不同的产品中工作的环境及电磁特性存在较大的差异性，将会导致天线性能在设计和使用中存在较大的差异，所以要求设计出的天线必须具有较强的适应性及通用性。综上所述，原有的技术在使用中将就会遇到通用性及性能差异性的问题。

发明内容

本发明要解决的一个技术问题是，针对天线在不同产品中工作环境及电磁特性存在较大的差异性，导致天线性能在设计和使用中存在较大的差异，提供一种双极化天线，该天线具有较强的适应性及通用性。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种双极化天线，所述天线包括介质基板、附着在介质基板相对两表面的第一金属片及第二金属片，围绕第一金属片设置有第一馈线、第二馈线，围绕第二金属片设置有第三馈线、第四馈线，所述第一馈线及第二馈线均通过耦合方式馈入所述第一金属片，所述第三馈线及第四馈线均通过耦合方式馈入所述第二金属片，所述第一金属片上镂空有第一微槽结构以在第一金属片上形成第一金属走线，所述第二金属片上镂空有第二微槽结构以在第二金属片上形成第二金属走线，所述第一馈线与第三馈线电连接，所述第二馈线与第四馈线电连接，所述天线预设有供电子元件嵌入的空间。

进一步地，所述空间设置在第一馈线、第二馈线、第一馈线与第一金属片之间、第二馈线与第一金属片之间及第一金属片这五个位置的至少一个上。

进一步地，所述空间设置在第三馈线、第四馈线、第三馈线与第二金属片之间、第四馈线与第二金属片之间及第二金属片这五个位置的至少一个上。

进一步地，所述空间设置在第一金属片上的第一金属走线上，或者所述空间设置在第一微槽结构上。

进一步地，所述空间设置在第二金属片上的第二金属走线上，或者所述空间设置在第二微槽结构上。

进一步地，所述电子元件为感性电子元件、容性电子元件或者电阻。

进一步地，所述空间为形成在所述天线上的焊盘。

进一步地，所述感性电子元件电感值的范围在0-5uH之间。

进一步地，所述容性电子元件电容值的范围在0-2pF之间。

实施本发明的双极化天线，相对于现有的天线，具有以下有益效果：通过在天线上设置供电子元件嵌入的空间，可以通过改变嵌入的电子元件的性能对天线的性能进行微调，设计出满足适应性及通用性的要求的天线。另外，介质基板两面均设置有金属片，充分利用了天线的空间面积，在此环境下天线能在较低工作频率下工作，满足天线小型化、低工作频率、宽带多模的要求。

本发明所要解决的另一个问题是提供一种MIMO天线。

本发明解决上述技术问题所采用的方案是：一种MIMO天线，所述MIMO天线包括多个上述的双极化天线。

根据本发明的MIMO天线，除了具备双极化天线本身的特点外，还具有很高的隔离度，多个天线之间的抗干扰能力强。

附图说明

图1是本发明的双极化天线的立体图；

图2为图1的另一视角图；

图3是本发明的双极化天线第一实施例的结构示意图；

图4是本发明的双极化天线第二实施例的结构示意图；

图5是本发明的双极化天线第三实施例的结构示意图；

图6是本发明的双极化天线第四实施例的结构示意图；

图7是本发明的双极化天线第五实施例的结构示意图；

图8a为互补式开口谐振环结构的示意图；

图8b所示为互补式螺旋线结构的示意图；

图8c所示为开口螺旋环结构的示意图；

图8d所示为双开口螺旋环结构的示意图；

图8e所示为互补式弯折线结构的示意图；

图9a为图8a所示的互补式开口谐振环结构其几何形状衍生示意图；

图9b为图8a所示的互补式开口谐振环结构其扩展衍生示意图；

图10a为三个图8a所示的互补式开口谐振环结构的复合后的结构示意图；

图10b为两个图8a所示的互补式开口谐振环结构与图8b所示为互补式螺旋线结构的复合示意图；

图11为四个图8a所示的互补式开口谐振环结构组阵后的结构示意图。

具体实施方式

如图1及图2所示，本发明的所述双极化天线包括介质基板1、附着在介质基板1相对两表面的第一金属片4及第二金属片7，围绕第一金属片4设置有第一馈线2、第二馈线3，围绕第二金属片7设置有第三馈线8、第四馈线9，所述第一馈线2及第二馈线3均通过耦合方式馈入所述第一金属片4，所述第三馈线8及第四馈线9均通过耦合方式馈入所述第二金属片7，所述第一金属片4上镂空有第一微槽结构41以在第一金属片上形成第一金属走线42，所述第二金属片7上镂空有第二微槽结构71以在第二金属片上形成第二金属走线72，所述第一馈线2与第三馈线8电连接，所述第二馈线3与第四馈线9电连接，所述天线100预设有供电子元件嵌入的空间6。此种设计等效于增加了天线物理长度(实际长度尺寸不增加)，这样就可以在极小的空间内设计出工作在极低工作频率下的射频天线。解决传统天线在低频工作时天线受控空间面积的物理局限。

如图1及2所示，所述第一馈线2与第三馈线8通过在介质基板1上开的金属化通孔10电连接，所述第二馈线3与第四馈线9通过在介质基板1上开的金属化通孔20电连接。

图1至图7中，第一金属片画剖面线的部分为第一金属走线，第一金属片上的空白部分(镂空的部分)表示第一微槽结构。另外，第一馈线与第二馈线也用剖面线表示。同样的，图2中，第二金属片画剖面线的部分为第二金属走线，第二金属片上的空白部分(镂空的部分)表示第二微槽结构。另外，第三馈线与第四馈线也用剖面线表示。

图1所示为本发明的双极化天线的立体图，图2为其另一视角图。综合两个图可以看出，介质基板的a表面及b表面上附着的结构相同。即第一馈线、第二馈线、第一金属片在b表面的投影分别与第三馈线、第四馈线、第二金属片重合。当然，这只是一个优选的方案，a表面与b表面的结构根据需要也可以不同。

第一馈线2与第二馈线3均围绕第一金属片4设置以实现信号耦合。另外第一金属片4与第一馈线2与第二馈线3可以接触，也可以不接触。当第一金属片4与第一馈线2接触时，第一馈线2与第一金属片4之间感性耦合；当第一金属片4与第一馈线2不接触时，第一馈线2与金属片4之间容性耦合。同样，当第一金属片4与第二馈线3接触时，第二馈线3与第一金属片4之间感性耦合；当第一金属片4与第二馈线3不接触时，第二馈线3与第一金属片4之间容性耦合。

第三馈线8与第四馈线9均围绕第二金属片7设置以实现信号耦合。另外第二金属片7与第三馈线8、第四馈线9可以接触，也可以不接触。当第二金属片7与第三馈线8接触时，第三馈线8与第二金属片7之间感性耦合；当第二金属片7与第三馈线8不接触时，第三馈线8与金属片7之间容性耦合。同样，当第二金属片7与第四馈线9接触时，第三馈线8与二金属片7之间感性耦合；当二金属片7与第四馈线9不接触时，第四馈线9与第二金属片7之间容性耦合。

本发明中，所述介质基板两相对表面的第一金属片与第二金属片可以连接，也可以不连接。在第一金属片与第二金属片不连接的情况下，所述第一金属片与第二金属片之间通过容性耦合的方式馈电；此种情况下，通过改变介质基板的厚度可以实现第一金属片与第二金属片的谐振。在第一金属片与第二金属片电连接的情况下(例如通过导线或金属化通孔的形式连接)，所述第一金属片与第二金属片之间通过感性耦合的方式馈电。

本发明中的所述第一微槽结构41及第二微槽结构71可以是图8a所示的互补式开口谐振环结构、图8b所示的互补式螺旋线结构、图8c所示的开口螺旋环结构、图8d所示的双开口螺旋环结构、图8e所示的互补式弯折线结构中的一种或者是通过前面几种结构衍生、复合或组阵得到的微槽结构。衍生分为两种，一种是几何形状衍生，另一种是扩展衍生，此处的几何形状衍生是指功能类似、形状不同的结构衍生，例如由方框类结构衍生到曲线类结构、三角形类结构及其它不同的多边形类结构；此处的扩展衍生即在图8a至图8e的基础上开设新的槽以形成新的微槽结构；以图8a所示的互补式开口谐振环结构为例，图9a为其几何形状衍生示意图，图9b为其几何形状衍生示意图。此处的复合是指，图8a至图8e的微槽结构多个叠加形成一个新的微槽结构，如图10a所示，为三个图8a所示的互补式开口谐振环结构复合后的结构示意图；如图10b所示，为两个图8a所示的互补式开口谐振环结构与图8b所示为互补式螺旋线结构共同复合后的结构示意图。此处的组阵是指由多个图8a至图8e所示的微槽结构在同一金属片上阵列形成一个整体的微槽结构，如图11所示，为多个如图8a所示的互补式开口谐振环结构组阵后的结构示意图。以下均以图8c所示的开口螺旋环结构为例阐述本发明。

我们知道，通过改变馈线的馈电位置可以得到不同极化方式的天线，因此，本发明中，通过改变第一馈线与第三馈线、第二馈线与第四馈线馈电位置的不同可以得到双极化天线。优选地，第一馈线与第三馈线的馈电方式为水平极化，第二馈线与第四馈线的馈电方式为垂直极化，每种极化方式根据不同的需要可以实现如下功能，例如，有以下几种情况：

(1)水平极化与垂直极化中的一种极化方式只用于接收电磁波，另一种极化方式用于发射电磁波。

(2)水平极化与垂直极化中的一种极化方式只用于接收电磁波，另一种极化方式用于发射和接收电磁波。

(3)水平极化与垂直极化中的两种极化方式均用于发射和接收电磁波。

下面分五个实施例来详细介绍本发明。应当理解的是，本发明的下述五个实施例中，介质基板的相对两面结构相同，因此，下述五个实施例中，均只描述了介质基板一表面的结构。

第一实施例

如图3所示，在本实施例中，在第一馈线2及第二馈线3上分别预设有嵌入感性电子元件和/或电阻的空间51、空间52，预设的嵌入电子元件空间的位置可以是第一馈线2及第二馈线3上的任意位置，并且可以有多个。可在空间51及空间52中嵌入感性电子元件，以改变第一馈线2及第二馈线3上的电感值。运用公式：可知电感值的大小和工作频率的平方成反比，所以当需要的工作频率为较低工作频率时，通过适当的嵌入电感或感性电子元件实现。本实施例中，加入的感性电子元件的电感值范围在0-5uH之间，若太大交变信号将会被感性元件消耗从而影响到天线的辐射效率。本实施例的所述双极化天线具有多个频段的良好辐射特性，五个主要辐射频率从900MHz一直分布到5.5GHz，几乎涵盖了GSM、CDMA、蓝牙、W-Lan(IEEE802.11协议)、GPS、TD-LTE等各个主要的通信频率，具有非常高的集成度且可通过对第一馈线及第二馈线上的电感值进行调节达到改变天线工作频率的目的。当然，也可以在空间51及空间52中嵌入两个电阻，以改善天线的辐射电阻。当然，空间51、52也可以是分别嵌入一个电阻以及一个感性电子元件，既实现了工作频率的调节，又能改善天线的辐射电阻。当然空间51与空间52中也可以只在其中加入电子元件，另一个空间用导线短接。

实施例二

如图4所示，在本实施例中，在第一馈线2与第一金属片4之间、第二馈线3与第一金属片4之间预设有嵌入容性电子元件的空间53、空间54，预设的嵌入电子元件空间的位置可以是第一馈线2与第一金属片4之间、第二馈线3与第一金属片4之间的任意位置。图4中空间53和空间54为本实施例中嵌入容性电子元件的空间，第一馈线2、第二馈线3与第一金属片4之间本身具有一定的电容，这里通过嵌入容性电子元件调节第一馈线2、第二馈线3与第一金属片4之间的信号耦合，运用公式：可知电容值的大小和工作频率的平方成反比，所以当需要的工作频率为较低工作频率时，通过适当的嵌入电容或感性电子元件实现。本实施例中，加入的容性电子元件的电容值范围通常在0-2pF之间，不过随着天线工作频率的变化嵌入的电容值也可能超出0-2pF的范围。当然，也可以在第一馈线2、第二馈线3与第一金属片4之间预设多个空间。同样，在未连接有电子元件的空间中，采用导线短接。

实施例三

如图5所示，在本实施例中，在第一金属片的第一金属走线42上预留有嵌入感性电子元件和/或电阻的空间，嵌入电子元件的空间不仅仅局限于图中给出的空间55和空间56，其他位置只要满足条件均可。此处嵌入感性电子元件的目的是增加第一金属片内部谐振结构的电感值，从而对天线的谐振频率及工作带宽起到调节的作用；与实施例一相同，此处嵌入电阻的目的是改善天线的辐射电阻。至于是嵌入感性电子元件还是电阻，则根据需要而定。另外在未嵌入电子元件的空间中，采用导线短接。

实施例四

如图6所示，在本实施例中，在第一微槽结构41上预留有嵌入容性电子元件的空间，并且所述空间连接第一微槽结构41两侧的第一金属走线42。嵌入电子元件的空间不仅仅局限与图5中给出的空间57，其他位置只要满足条件均可。嵌入容性电子元件可以改变第一金属片的谐振性能，最终改善天线的Q值及谐振工作点。作为公知常识，我们知道，通频带BW与谐振频率w0和品质因数Q的关系为：BW＝wo/Q，此式表明，Q越大则通频带越窄，Q越小则通频带越宽。另有：Q＝wL/R＝1/wRC，其中，Q是品质因素；w是电路谐振时的电源频率；L是电感；R是串的电阻；C是电容，由Q＝wL/R＝1/wRC公式可知，Q和C呈反比，因此，可以通过加入容性电子元件来减小Q值，使通频带变宽。

实施例五

如图7所示，在本实施例中，在第一馈线2、第二馈线3、第一馈线2与第一金属片4之间、第二馈线3与第一金属片4之间及金属片4这五个位置上都设置供电子元件嵌入的空间。其中，第一金属片4上的空间包括设置在第一金属走线42上的空间以及设置在第一微槽结构41上且连接两侧的第一金属走线42的空间。具体地，本实施例中的空间包括第一馈线2上的空间61，第二馈线3上的空间62，第一馈线2与第一金属片4之间的空间63，第二馈线3与第一金属片4之间的空间64，第一金属走线42上的空间65、66，微槽结构41上的空间67，当然，本实施例中给出的位置并不是唯一性的，本实施例中，在上述的空间中加入电子元件以调节天线的性能，其原理与实施例一至四的原理类似，本实施例不再描述。

本发明的双极化天线100上空间的预留位置并不限于上述五种形式，空间只要设置在双极化天线上即可。例如，空间还可以设置在介质基板上。

本发明的所述电子元件为感性电子元件、容性电子元件或者电阻。在天线的预留空间中加入此类电子元件后，可以改善天线的各种性能。并且通过加入不同参数的电子元件，可以实现天线性能参数的可调。因此，本发明的双极化天线在不加入任何元件之前可以是一样的结构，只是通过在不同位置加入不同的电子元件，以及电子元件的参数(电感值、电阻值、电容值)，来实现不同天线的性能参数。即实现了通用性。可以大幅降低生产成本。

本发明的所述空间可以是焊盘，也可以是一个空缺。焊盘的结构可以参见普通的电路板上的焊盘。当然，其尺寸的设计根据不同的需要会有所不同。

另外，本发明中，介质基板由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制成。优选地，由高分子材料制成，具体地可以是FR-4、F4B等高分子材料。

本发明中，第一金属片及第二金属片为铜片或银片。优选为铜片，价格低廉，导电性能好。

本发明中，第一馈线、第二馈线、第三馈线及第四馈线选用与第一金属片及第二金属片同样的材料制成。优选为铜。

本发明中，关于天线的加工制造，只要满足本发明的设计原理，可以采用各种制造方式。最普通的方法是使用各类印刷电路板(PCB)的制造方法，当然，金属化的通孔，双面覆铜的PCB制造也能满足本发明的加工要求。除此加工方式，还可以根据实际的需要引入其它加工手段，比如RFID(RFID是RadioFrequencyIdentification的缩写，即射频识别技术，俗称电子标签)中所使用的导电银浆油墨加工方式、各类可形变器件的柔性PCB加工、铁片天线的加工方式以及铁片与PCB组合的加工方式。其中，铁片与PCB组合加工方式是指利用PCB的精确加工来完成天线微槽结构的加工，用铁片来完成其它辅助部分。另外，还可以通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法来加工。

本发明还提供了一种MIMO天线，所述的MIMO天线由多个上述的双极化天线100组成。此处的MIMO即是指多输入多输出。即MIMO天线上的所有单个的双极化天线100同时发射，同时接收。MIMO天线可以在不需要增加带宽或总发送功率损耗的前提下大幅度增加系统的信息吞吐量及传输距离。另外本发明的MIMO天线还具有很高的隔离度，多个天线之间的抗干扰能力强。

本发明的MIMO天线，其每个双极化天线100的第一馈线与第三馈线电连接后再与一个接收/发射机连接，每个双极化天线100的第二馈线与第四馈线电连接后再与另一个接收/发射机连接，所有的接收/发射机均连接到一个基带信号处理器上。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种双极化天线，其特征在于，所述天线包括介质基板、附着在介质基板相对两表面的第一金属片及第二金属片，围绕第一金属片设置有第一馈线、第二馈线，围绕第二金属片设置有第三馈线、第四馈线，所述第一馈线及第二馈线均通过耦合方式馈入所述第一金属片，所述第一馈线与所述第三馈线的馈电方式为水平极化，所述第二馈线与所述第四馈线的馈电方式为垂直极化，所述第三馈线及第四馈线均通过耦合方式馈入所述第二金属片，所述第一金属片上镂空有第一微槽结构以在第一金属片上形成第一金属走线，所述第二金属片上镂空有第二微槽结构以在第二金属片上形成第二金属走线，所述第一馈线与第三馈线电连接，所述第二馈线与第四馈线电连接，所述天线预设有供电子元件嵌入的空间，其中，

所述空间设置在第一馈线、第二馈线、第一馈线与第一金属片之间、第二馈线与第一金属片之间及第一金属片这五个位置的至少一个上，且所述电子元件为感性电子元件、容性电子元件或者电阻，所述空间为形成在所述天线上的焊盘，其中，所述感性电子元件电感值的范围在0-5uH之间；

或者，所述空间设置在第三馈线、第四馈线、第三馈线与第二金属片之间、第四馈线与第二金属片之间及第二金属片这五个位置的至少一个上，且所述电子元件为感性电子元件、容性电子元件或者电阻，所述空间为形成在所述天线上的焊盘，其中，所述感性电子元件电感值的范围在0-5uH之间。

2.根据权利要求1所述的双极化天线，其特征在于，所述空间设置在第一金属片上的第一金属走线上，或者所述空间设置在第一微槽结构上。

3.根据权利要求1所述的双极化天线，其特征在于，所述空间设置在第二金属片上的第二金属走线上，或者所述空间设置在第二微槽结构上。

4.根据权利要求1所述的双极化天线，其特征在于，所述容性电子元件电容值的范围在0-2pF之间。

5.一种MIMO天线，其特征在于，所述MIMO天线包括多个如权利要求1所述的双极化天线。