CN103915685B - 一种基于印刷电路板的小尺寸宽带宽的四单元mimo天线 - Google Patents
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Abstract
一种基于印刷电路板的小尺寸宽带宽的四单元MIMO天线，包括基板、四个双臂共地型的偶极子单元、四个齿形地支结构以及四条微带型馈电线，由微带电路进行馈电，通过引入地面齿形枝节，天线辐射单元的匹配和辐射单元间的互耦得到了改善，在实施例中实现了51%的带宽覆盖（2.30GHz-3.80GHz），且全频段内辐射单元间的互耦小于-10dB，借助齿形枝节的反射作用，天线辐射单元的辐射方向图呈定向工作特性，有效的减小了辐射单元方向图间的相关性，提高了天线的空间分集增益，该设计尺寸小巧，带宽宽，且基于传统的印刷电路板工艺，造价低廉，可很好地应用在采用MIMO技术的小型宽带无线通信设备中。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，特别涉及一种基于印刷电路板的小尺寸宽带宽的四单元MIMO天线。
背景技术
近年来，无线接入技术取得了快速发展，丰富的网络资源对无线接入技术的带宽提出了新的要求。由于频谱规划的限制和富多径接入环境的广泛存在，如何在现有的频率资源和时间资源下提高信道的容量，成为了研究的热点。在这一背景下，MIMO技术应运而生，它在现有的频域和时域资源之上提出了利用空域资源的概念，利用发射接收端的多个发送接收天线，在空间中，尤其是富多径环境中，形成多个有效传输信道，从而在不占用额外的频域和时域资源的前提下，成倍的提高无线通信的速率。得益于其优异的性能，MIMO技术在3G、4G等无线通讯技术中已广泛部署，而许多新兴的无线接入技术，如802.11标准和WiMax标准等，也已经把MIMO技术列入其中。
考虑到MIMO系统的有效性很大程度取决于空间中的无线信道特征，MIMO天线的设计对MIMO系统的性能起着至关重要的作用。MIMO天线的评价标准主要包括MIMO天线的尺寸、单元个数，带宽、互耦、增益、方向图特性等。传统的MIMO天线多应运于无线通信基站等环境，其物理尺寸不受限，因此，可以采用多种方式来拓展带宽，增加增益，减小天线单元间互耦，提高MIMO天线的性能。然而，随着MIMO技术逐步应用于802.11和WiMax无线终端上，其小型化，宽带化的趋势，对MIMO天线的设计提出了更高的要求。一方面，人们希望能在这些终端中使用更多的天线单元，以提高系统的分集增益，另一方面，人们又希望在有限的设备体积内，获得更宽的带宽和更低的信道相关性，以提高MIMO系统的性能。考虑到这些特性在天线设计中相互制约，此消彼长，如何在低互耦，辐射方向图低相关的前提下，实现天线的小型化，宽带化，成为了MIMO系统设计和天线设计领域的一项新的挑战。
为了在有限的空间中安排下更多的天线单元，天线辐射单元的尺寸必须要进行小型化，常规的技术包括使用高电介质常数的材料作为基材，或是对天线单元使用折叠线，弯折线等手段。然而前者制作工艺流程复杂，成本较高不利于普及，而后者会对天线增益和效率带来损失，同时会对天线单元的带宽产生负面作用。在带宽拓展方面，常见的实现方式有合并谐振模式，引入超材料，以及采用超宽带单元等。然而，这些方式一般需要与波长相比拟的尺寸来实现，在小型多辐射单元的MIMO天线中应用较为困难。值得注意的是，MIMO系统的性能与天线辐射单元间的耦合密切相关，MIMO天线小型化和宽带化会进一步提高天线辐射单元间的耦合。传统的解耦方式，如采用解耦网络，或引入扼流分支、扼流槽的方式，往往是针对点频进行处理，在宽带宽下难以应用。而如果采用具有正交模式的单元作为天线的辐射单元，如槽天线与单极子天线的组合，虽然可以获得较理想的互耦特性，但会造成天线的辐射特性不一致，方向图和增益特性不理想。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于印刷电路板的小尺寸宽带宽的四单元MIMO天线，该天线为方型结构，采用了具有宽带辐射特性的双臂共地型的偶极子作为辐射单元，四个辐射单元呈90度旋转对称式的排列在印刷电路板上，并由微带线进行馈电，由于四个辐射单元为共地设计，在小尺寸下，实现了低频的良好匹配，同时，双臂共地型偶极子的设计有效的避免了不平衡（微带线）到平衡（偶极子）中所需的转换，进一步减小了天线所需的尺寸。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于印刷电路板的小尺寸宽带宽的四单元MIMO天线，包括：
基板1，为双面印刷电路板；
刻在基板1反面12中心部分的圆片状的金属地5；
刻在基板1反面12且连接在金属地5上的旋转对称的四个双臂共地型的偶极子单元2；
刻在基板1反面12且连接在金属地5上的旋转对称的四个齿形地支结构3，每个偶极子单元2与每个齿形地支结构3间隔分布；
刻在基板1金属材质的正面11上的四条微带型馈电线4，微带型馈电线4与偶极子单元2在垂直方向上相对应，且基板1上开有用于连接二者的四排通孔6，同时在基板1的中心部位开有用于连接微带型馈电线4与外围馈电线缆的四个馈电通孔7，以使得当射频信号通过馈电通孔7馈入微带型馈电线4后，沿微带型馈电线4跨过偶极子单元2的双臂间的缝隙到达通孔6，并在偶极子单元2的双臂上激励起辐射电流，形成辐射。
采用这一设计进行馈电，可以保证偶极子单元2上电流的平衡性，而且无需额外的不平衡到平衡转换结构；同时，输入阻抗也可以由微带型馈电线4的线宽线长来做调节。
所述四个偶极子单元2、四个齿形地支结构3以及四条微带型馈电线4均呈90度旋转对称。
所述四个偶极子单元2分别指向0度，90度，180度和270度；四个齿形地支结构3分别指向45度，135度，225度和315度。此时，四个偶极子单元2产生的辐射方向图分别指向0度，90度，180度和270度。
所述基板1为正方形，每个偶极子单元2由两条规格一致的L形的金属臂组成，每条金属臂均与金属地5连接，且连接金属地5的两个金属臂之间有中心缝隙，偶极子单元2的两个金属臂关于该中心缝隙对称。
所述齿形地支结构3为带有一个长方形开口的带状结构，带状结构的开口一端朝外，另一端与金属地5连接。
齿形地支结构3起三重作用：第一，齿形地支结构3拓展了金属地5的尺寸，改善了天线的低频的匹配特性；第二，齿形地支结构3阻碍了来源于空间中的耦合分量，并可以扼制来源于金属地5上的耦合分量，从而达到减小单元间的互耦的作用；第三，齿形地支结构3对空间辐射场起到了一定的反射作用，使得双臂共地型的偶极子单元2的辐射方向图呈现定向的特征。
在具体实施过程中，基板1、偶极子单元2、齿形地支结构3、微带型馈电线4的各项尺寸，包括厚度、介电常数、线宽、线长、齿宽、齿长、位置可进行灵活的调节，这些参数将用于天线阻抗的匹配以及天线单元间耦合的消除。在进行优化设计后，该天线将呈现小尺寸，宽带宽和定向辐射的工作特性。
与现有技术相比，本发明的天线采用了具有宽带辐射特性的双臂共地型偶极子作为辐射单元，并采用微带进行馈电，在天线结构上，该MIMO天线的四个天线辐射单元为旋转对称式分布，以一个单元为参考，四个单元分别指向0度，90度，180度和270度。为了缓解由紧凑排列辐射单元带来的强互耦，本发明在两个单元间的地上伸出了齿形地支。该地支一方面有效的阻碍了相邻辐射单元间的空间耦合，另一方面，增大了天线金属地的尺寸，改善了天线的匹配特性。而地支上的齿形结构，有效的抑制来自天线金属地的耦合，并进一步改善天线在高频部分的匹配。同时，这一地支结构对空间的辐射场起到了反射的作用，天线单元的辐射方向图在整个工作频段呈定向特征，且波束具有旋转对称性，有效的提高天线的空间分集增益，减小辐射单元间方向图的相关性。在实施例中，该四单元天线的尺寸仅为0.29λ×0.29λ，而带宽覆盖达到了2.30GHz-3.80GHz，覆盖了WiMAX标准中的2.30-2.36GHz，2.50-2.90GHz和3.30-3.80GHz三个频带和802.11标准中的2.40-2.48GHz频段。同时，天线单元间的互耦在整个带宽范围小于-10dB,且具有低相关，定向的辐射特性。该设计尺寸小巧，结构简单，带宽宽，造价低，可以很好的集成在使用MIMO技术的小型无线通信设备中。在制作工艺上，本发明采用了传统的双面印刷电路板工艺，价格低廉。可以很好的应用于需求小尺寸，宽带宽的MIMO终端设备。
附图说明
图1为本发明的三维结构示意图。
图2为本发明的二维结构示意图，其中包括(a)正面,(b)侧面和(c)背面视角。
图3为本发明的一个实施例，其中包括(a)正面,(b)侧面和(c)背面视角的具体尺寸。该具体实施例应用于采用MIMO技术的WiMAX，802.11无线接入设备。
图4为该具体实施例下该天线设计的(a)S参数以及四个频点的(b-e)方向图特性。
具体实施方式
本发明提供了一种基于印刷电路板的四单元MIMO天线，具有小尺寸，宽带宽和定向辐射等优良特性。根据设计示意，实施方式中给出了一个覆盖WiMAX标准额三频（2.30-2.36GHz，2.50-2.90GHz和3.30-3.80GHz）和以及802.11标准的单频（2.40-2.48GHz）无线接入MIMO天线的具体设计实例，下面结合附图予以说明：
参阅图1，图2，该MIMO天线基于双面印刷电路板工艺的基板1，其正面11为金属材质，刻有四条呈90度旋转对称的微带型馈电线4，反面12中心部分刻有圆片状的金属地5、四个双臂共地型的偶极子单元2以及四个齿形地支结构3。四个偶极子单元2和四个齿形地支结构3均呈90度旋转对称，且都连接在金属地5上，每个偶极子单元2与每个齿形地支结构3间隔分布。基板1中采用印刷电路板的通孔工艺，预留了用于连接微带型馈电线4和偶极子单元2的四排通孔6，以及用于连微带型馈电线4与外围馈电线缆的四个馈电通孔7。通孔6位于基板1的边缘，连接微带型馈电线4的远端与偶极子单元2的远端，馈电通孔7位于基板1的中心部位，连接微带型馈电线4的近端与偶极子单元2的近端。每个偶极子单元2由两条规格一致的L形的金属臂组成，每条金属臂都连接在金属地5上，该连接端即为“偶极子单元2的近端”，且连接金属地5的两个臂之间有中心缝隙，两个金属臂关于该中心缝隙对称。借助这一馈电结构，在馈电时，微波信号由同轴线通过馈电通孔7馈入微带型馈电线4，跨过偶极子单元2双臂间的中心缝隙，到达通孔6，并在两个偶极子单元2上激励起辐射电流，形成辐射。采用这一设计进行馈电，可以保证偶极子单元2上电流的平衡性，而且无需额外的不平衡到平衡转换结构，减小了天线的尺寸。同时，对输入端口的阻抗匹配通过调节微带型馈电线4的线宽线长来进行，以适用于不同的馈入阻抗。
在设计中，齿形地支结构3对天线性能的提升起到了关键的作用，该结构位于每两个偶极子单元2之间，齿形地支结构3为带有一个长方形开口的带状结构，带状结构的开口一端朝外，另一端与金属地5连接。齿形地支结构3拓展了金属地5的尺寸，改善了偶极子单元2的匹配特性。同时，齿形地支结构3的存在，使得相邻辐射单元间的空间形成了阻断，有效的扼制辐射单元间的互耦。除此之外，齿形地支结构3与金属地5会对辐射场的空间传播形成阻碍，从而使得双臂共地型的偶极子单元2的辐射方向图呈现定向的特征，减小了相邻单元辐射方向图间的相关性。
图3给出了该天线的详细设计。其中图3(a)给出了基板1正面11的微带型馈电线4的相关尺寸参数,单位为毫米(mm)，图3(b)给出了基板1的厚度及尺寸等相关参数，图3(c)给出了基板1背面12上双臂共地型的偶极子单元2，圆片形金属地5，以及四个齿形地支3的相关尺寸参数。基板1基于FR-4介质，电介质常数4.4，损耗角0.03，整体尺寸仅为38mm×38mm×2mm（0.29λ×0.29λ×0.02λ）。采用该参数设计的实施例的S参数特性由图4(a)给出，可以看到，在WiMAX标准的三个频带内（2.30-2.36GHz，2.50-2.90GHz和3.30-3.80GHz），以及802.11标准的一个频带内（2.40-2.48GHz），天线的反射系数S11<-10dB,与相邻辐射单元的互耦S14及S12<-10dB，与相对辐射单元的互耦S13<-15dB。
除此之外，该天线S11<-10dB带宽的实际覆盖为51%（2.30-3.80GHz），带内单元间互耦合小于-10dB，性能优异。图4(b-e)给出了单一单元在四个不同频点的辐射方向图(方向图截面为电场幅值最大面，即E面)，这些频点为上述四个频段的中心频率。可以看到，在各个频点，辐射单元的方向图都为定向波束，平均增益为2.12dBi,最大增益为2.65dBi。由于单元具有旋转对称性，其辐射方向图也具有旋转对称性。以其中一个方向图作为参考，四个方向图的指向方向分别为0度，90度，180度，270度。得益于其小型化，宽带宽的特性，这一MIMO天线非常适用于采用MIMO技术的小型宽带无线接入设备。
综上所述，本发明提供了一种基于传统印刷电路板工艺的四单元MIMO天线设计。这一设计通过微带线对具有宽带辐射特性的双臂共地型的偶极子单元进行馈电，并引入齿形地支结构，用于改善辐射单元的匹配，减少辐射单元间的互耦合，获得了宽带宽，低互耦的特性。与此同时，齿形地支结构会对场的空间辐射进行反射，单元的辐射方向图在整个工作带宽内呈现了定向辐射的特征。由于该天线的四单元的排布采用了旋转对称结构，每个天线的辐射特性相同，且波束具有旋转对称性。综合而言，该四单元MIMO天线设计在小尺寸下实现了宽带宽，低互耦，定向辐射的优异特性。
Claims (4)
1.一种基于印刷电路板的小尺寸宽带宽的四单元MIMO天线，其特征在于，包括：
基板(1)，为双面印刷电路板；
刻在基板(1)反面(12)中心部分的圆片状的金属地(5)；
刻在基板(1)反面(12)且连接在金属地(5)上的旋转对称的四个双臂共地型的偶极子单元(2)；
刻在基板(1)反面(12)且连接在金属地(5)上的旋转对称的四个齿形地支结构(3)，每个偶极子单元(2)与每个齿形地支结构(3)间隔分布，所述齿形地支结构(3)为带有一个长方形开口的带状结构，带状结构的开口一端朝外，另一端与金属地(5)连接；
刻在基板(1)金属材质的正面(11)上的四条微带型馈电线(4)，微带型馈电线(4)与偶极子单元(2)在垂直方向上相对应，且基板(1)上开有用于连接二者的四排通孔(6)，同时在基板(1)的中心部位开有用于连接微带型馈电线(4)与外围馈电线缆的四个馈电通孔(7)，以使得当射频信号通过馈电通孔(7)馈入微带型馈电线(4)后，沿微带型馈电线(4)跨过偶极子单元(2)的双臂间的缝隙到达通孔(6)，并在偶极子单元(2)的双臂上激励起辐射电流，形成辐射。
2.根据权利要求1所述的基于印刷电路板的小尺寸宽带宽的四单元MIMO天线，其特征在于，所述四个偶极子单元(2)、四个齿形地支结构(3)以及四条微带型馈电线(4)均呈90度旋转对称。
3.根据权利要求1所述的基于印刷电路板的小尺寸宽带宽的四单元MIMO天线，其特征在于，所述四个偶极子单元(2)分别指向0度，90度，180度和270度；四个齿形地支结构(3)分别指向45度，135度，225度和315度。
4.根据权利要求1所述的基于印刷电路板的小尺寸宽带宽的四单元MIMO天线，其特征在于，所述基板(1)为正方形，每个偶极子单元(2)由两条规格一致的L形的金属臂组成，每条金属臂均与金属地(5)连接，且连接金属地(5)的两个金属臂之间有中心缝隙，偶极子单元(2)的两个金属臂关于该中心缝隙对称。
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