CN102904007B - 一种双极化天线及具有该双极化天线的mimo天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双极化天线，其包括相互紧靠的第一介质基板与第二介质基板，第一介质基板上两相对侧表面上均包括一金属片及两馈线，第二介质基板远离第一介质基板一侧表面设置有第三金属片，第一介质基板上的两金属片上镂空有微槽结构，同时本发明天线还预设有供电子元件嵌入的空间。根据本发明的双极化天线，第一介质基板两表面的金属片以及第二介质基板的第三金属片均能达到使天线在较低工作频段工作时，仍能满足天线小型化、性能优良的要求，同时本发明天线可嵌入不同的电子元件，能方便的调节天线电磁参数，适应面广。另外本发明还提供一种具有多个上述的双极化天线的MIMO天线，该MIMO天线具有高隔离度。

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

本发明涉及无线通信领域，尤其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、性能差异性以及低频工作时，馈线较长、性能下降的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述不足，提出一种双极化天线及具有该双极化天线的MIMO天线。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，提出一种双极化天线，其包括包括具有两相对侧面的第一介质基板和第二介质基板；所述第一介质基板第一侧面设置有第一金属片以及围绕所述第一金属片设置的第一馈线和第二馈线，所述第一介质基板第二侧面设置有第二金属片以及围绕所述第二金属片设置的第三馈线和第四馈线，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；所述第二介质基板一侧表面与所述第一介质基板第二侧面重合，相对的另一侧表面设置有第三金属片；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，所述第三馈线和/或所述第四馈线与所述第三金属片电连接；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。

本发明还提供一种MIMO天线，所述MIMO天线包括多个如权利要求1所述的双极化天线。

根据本发明的双极化天线，第一介质基板两表面的金属片以及第二介质基板的第三金属片均能达到使天线在较低工作频段工作时，仍能满足天线小型化、性能优良的要求，同时本发明天线可嵌入不同的电子元件，能方便的调节天线电磁参数，适应面广。另外本发明还提供一种具有多个上述的双极化天线的MIMO天线，该MIMO天线具有高隔离度。

附图说明

图1为本发明双极化天线第一介质基板A面视角结构示意图；

图2为本发明双极化天线第一介质基板B面视角结构示意图；

图3为本发明双极化天线第二介质基板结构示意图；

图4为本发明双极化天线第一较佳实施方式正视图；

图5为本发明双极化天线第二较佳实施方式正视图；

图6为本发明双极化天线第三较佳实施方式正视图；

图7为本发明双极化天线第四较佳实施方式正视图；

图8为本发明双极化天线第五较佳实施方式正视图；

图9a为互补式开口谐振环结构的示意图；

图9b所示为互补式螺旋线结构的示意图；

图9c所示为开口螺旋环结构的示意图；

图9d所示为双开口螺旋环结构的示意图；

图9e所示为互补式弯折线结构的示意图；

图10a为图9a所示的互补式开口谐振环结构其几何形状衍生示意图；

图10b为图9a所示的互补式开口谐振环结构其扩展衍生示意图；

图11a为三个图9a所示的互补式开口谐振环结构的复合后的结构示意图；

图11b为两个图9a所示的互补式开口谐振环结构与图7所示为互补式螺旋线结构的复合示意图；

图12为四个图9a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至图3所示，本发明双极化天线包括第一介质基板1、第二介质基板2。第一介质基板1包括两相对的A面和B面，A面设置有第一金属片10，围绕第一金属片10设置有第一馈线11与第二馈线12。B面设置有第二金属片20，围绕第二金属片20设置有第三馈线21与第四馈线22。第一馈线11与第二馈线12均通过耦合方式馈入第一金属片10，第三馈线21与第四馈线22均通过耦合方式馈入第二金属片20。第一金属片10上镂空有第一微槽结构100以在第一金属片10上形成第一金属走线101，第二金属片20上镂空有第二微槽结构200以在第二金属片20上形成第二金属走线201。第二介质基板2一面与第一介质基板B面重合，相对该面的另一面设置有第三金属片30。第一馈线11与第三馈线21电连接，第二馈线12与第四馈线22电连接，第三馈线21与第四馈线22二者之一与第三金属片30电连接或者第三馈线21与第四馈线22均与第三金属片30电连接。所述双极化天线上还预设有供电子元件嵌入的空间6。

各馈线与其围绕的金属片之间的耦合方式可为感性耦合方式也可以为容性耦合方式。当馈线与其围绕的金属片之间存在可短接点时，二者即为感性耦合方式，当馈线与其围绕的金属片之间不相互接触时，则二者相对的部分构成耦合电容使得二者形成容性耦合。不同的耦合方式对本发明的影响效果较弱，因此不再赘述。

本发明第一微槽结构100与第二微槽结构200均可以是图9a所示的互补式开口谐振环结构、图9b所示的互补式螺旋线结构、图9c所示的开口螺旋环结构、图9d所示的双开口螺旋环结构、图9e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9a至图9e的基础上开设新的槽以形成新的微槽结构；以图9a所示的互补式开口谐振环结构为例，图10a为其几何形状衍生示意图，图10b为其几何形状衍生示意图。此处的复合是指，图9a至图9e的微槽结构多个叠加形成一个新的微槽结构，如图11a所示，为三个图9a所示的互补式开口谐振环结构复合后的结构示意图；如图11b所示，为两个图9a所示的互补式开口谐振环结构与图9b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9a至图9e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12所示，为多个如图9a所示的互补式开口谐振环结构组阵后的结构示意图。以下第一微槽结构100与第二微槽结构200均以图9c所示的开口螺旋环结构为例阐述本发明，但应知二者的结构可以是不同的。

在第一金属片10与第二金属片20上镂刻形成第一微槽结构100和第二微槽结构200的方式可为蚀刻、钻刻、光刻、电子刻、离子刻等工艺，其中蚀刻为优选工艺，其主要步骤是在设计好合适的微槽结构后，然后通过蚀刻设备，利用溶剂与金属的化学反应去除掉预设微槽结构的箔片部分即可得到形成有上述微槽结构的金属片。上述金属箔片的材质可以是铜、银等金属。

当天线工作于低频段时，低频段的电磁波对应的波长较长，根据天线设计原理，天线馈线的电辐射长度将要随之增长使得馈线物理长度变长，而较长的馈线不仅不利于天线整体的小型化同时也使得馈线损耗增大使得天线整体性能下降。

本发明从两方面在不改变馈线物理长度的前提下增加馈线的有效辐射面积。第一方面是通过设置于第一介质基板1上的第一金属片10与第二金属片20，通过两个金属片相互之间的耦合关系增加馈线的辐射面积。第一介质基板1两相对表面的第一金属片10与第二金属片20可以连接，也可以不连接。在第一金属片10与第二金属片20不连接的情况下，第一金属片10与第二金属片20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10与第二金属片20的谐振。在第一金属片10与第二金属片20电连接的情况下(例如通过导线或金属化通孔的形式连接)，第一金属片10与第二金属片20之间通过感性耦合的方式馈电。同时，第一馈线11与第三馈线21通过形成于第一介质基板上的金属化通孔13电连接，第二馈线12与第四馈线22通过形成于第一介质基板上的金属化通孔14电连接。

第二方面，设置于第二介质基板2的第三金属片30与设置于第一介质基板B面的第三馈线21和/或第四馈线22耦合，并对第二金属片20上形成的第二微槽结构200耦合馈电。第二介质基板2上形成有金属化通孔23，金属化通孔23可以与第一介质基板上的金属化通孔在一垂直面上也可相互错开。金属化通孔23电连接第三馈线21和/或第四馈线22与第三金属片30。第三金属片30耦合馈电的面积易于调节，针对不同那个的工作频段只需简单的调整第三金属片30的耦合馈电面积即可。

同时，本领域普通技术人员可知。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。

在确定本发明各馈线的馈电位置后，可通过在天线空间6内嵌入不同的电子元件以调整天线的电磁参数和匹配不同的响应频段。天线空间6的位置可为多种，电子元件也可为多种，不同的空间6的嵌入位置和不同的电子元件对应不同的天线电磁参数。下面通过五个实施方式详细描述。由于本发明中，第一介质基板的AB两面结构相同，因此仅描述第一介质基板一表面的结构。

第一较佳实施方式

如图4所示，在本较佳实施方式中，在第一馈线11及第二馈线12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11及第二馈线12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11及第二馈线12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。本较佳实施方式中，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。本较佳实施方式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。

第二较佳实施方式

如图5所示，在本较佳实施方式中，在第一馈线11与第一金属片10之间、第二馈线12与第一金属片10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11与第一金属片10之间、第二馈线12与第一金属片10之间的任意位置。图4中空间53和空间54为本较佳实施方式中嵌入容性电子元件的空间，第一馈线11、第二馈线12与第一金属片10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11、第二馈线12与第一金属片10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。本较佳实施方式中，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11、第二馈线12与第一金属片10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。

第三较佳实施方式

如图6所示，在本较佳实施方式中，在第一金属片的第一金属走线101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；与较佳实施方式一相同，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。

第四较佳实施方式

如图6所示，在本较佳实施方式中，在第一微槽结构100上预留有嵌入容性电子元件的空间，并且所述空间连接两侧的第一金属走线101。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。

第五较佳实施方式

如图7所示，在本较佳实施方式中，在第一馈线11、第二馈线12、第一馈线11与第一金属片10之间、第二馈线12与第一金属片10之间及第一金属片10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10上的空间包括设置在第一金属走线101上的空间以及设置在第一微槽结构100上且连接两侧的第一金属走线101的空间。具体地，本较佳实施方式中的空间包括第一馈线11上的空间61，第二馈线12上的空间62，第一馈线11与第一金属片10之间的空间63，第二馈线12与第一金属片10之间的空间64，第一金属走线101上的空间65、66，第一微槽结构100上的空间67，当然，本较佳实施方式中给出的位置并不是唯一性的，本较佳实施方式中，在上述的空间中加入电子元件以调节天线的性能，其原理与较佳实施方式一至四的原理类似，本较佳实施方式不再描述。

本发明的双极化天线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，第一介质基板与第二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较佳实施方式进行了描述，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，所述天线包括具有两相对侧面的第一介质基板和第二介质基板；所述第一介质基板第一侧面设置有第一金属片以及围绕所述第一金属片设置的第一馈线和第二馈线，所述第一介质基板第二侧面设置有第二金属片以及围绕所述第二金属片设置的第三馈线和第四馈线，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；所述第二介质基板一侧表面与所述第一介质基板第二侧面重合，相对的另一侧表面设置有第三金属片；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，所述第三馈线和/或所述第四馈线与所述第三金属片电连接；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，且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，且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。