CN110828999B - 基于复合左右手传输线结构的双频双极化二单元mimo天线 - Google Patents

Abstract

一种基于复合左右手传输线结构的双频双极化二单元MIMO天线，包括两个相对独立的第一天线单元和第二天线单元，第二天线单元的结构与第一天线单元相同，并且两个天线单元关于矩形介质板长边的中轴线呈镜像对称布置。通过在微带馈电单极子天线末端加载一个由电容C和电感L构成的复合左右手传输线结构，将天线变为一个双频双极化天线。在此基础上，将上述单元天线布置于一块矩形介质基板两侧，构成一个二单元MIMO天线，因为极化方向不同，两个单元天线间端口耦合系数较小。本发明能够在多个不同频点上谐振，端口的隔离度较高，适应于一个集成系统中多种不同功能数据的通信。

Description

基于复合左右手传输线结构的双频双极化二单元MIMO天线

技术领域

本发明涉及一种平面二单元MIMO天线结构，具体涉及一种基于复合左右手传输线结构的双频双极化二单元MIMO天线，能够在两个不同频带内分析实现线极化和圆极化。

背景技术

自上个世纪八十年代以来，尤其是进入二十一世纪以后，无线通信技术在全球范围内取得了空前的飞速发展，从2G、3G技术到现在的4G、5G技术，移动通信网络正在快速地更新换代中。无线移动智能终端已经完全不是传统意义上的移动电话机，基于多媒体业务为主的数据业务逐渐取代了单一的语音业务，视频通信、移动购物、游戏娱乐才是智能终端新的重要功能。5G无线移动通信即将普及，如果说4G在一定程度上改变了人们的生活的话，5G将不但颠覆人们的生活方式，更重要的是将改变社会生产方式。无线通信与人们的现代生活越来越密不可分，人们对传输速率和数据容量提出了越来越高的要求。

在无线通信系统中，天线是必不可少的重要组成部分，天线的设计技术也随着系统的发展而不断进步和提高，比如天线的多频带、宽频带、多极化、小型化、低剖面、便于系统集成等是发展趋势，也是相关人员在设计天线过程中必须考虑的。天线的多频化能够同时覆盖多个频段，在有限的排布空间内，实现替代多个不同频段工作的天线，所以说天线的双频及多频集成特性也必然是通信行业的发展方向；天线的双极化或多极化能够减少收发信号传播中的多径衰落现象，获得独立的两路信号，提高信道的传输容量和信号质量。

平面天线是一种低剖面天线结构，平面天线很容易实现圆极化，椭圆极化等不同极化形式，而且易与PCB电路板中其他电路集成，这是平面天线能够广泛应用于智能移动设备中的重要原因之一。MIMO(Multiple Input and Multiple Output)技术是一种新型的智能天线技术，其充分利用了通信系统的空间维信息，拓展了传统仙农(Shannon)理论的应用，它提供了阵列天线应用的新思路并更着重于空时联合处理。通过在接收端和发射端空时二维甚至空时频三维的联合设计和优化的编码、调制，系统能极大改善通信链路的容量和通信可靠性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中单极子天线的谐振频点不足以及不同频点处有不同极化形式的问题，提供一种基于复合左右手传输线结构的双频双极化二单元MIMO天线，能够在多个不同频点上谐振，端口隔离度较高，适应于一个集成系统中多种不同功能数据的通信。

为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：

一种基于复合左右手传输线结构的双频双极化二单元MIMO天线，包括两个相对独立的第一天线单元和第二天线单元，两个天线单元共用同一块矩形介质板和同一块矩形金属接地板，矩形金属接地板是一个印刷于矩形介质板下表面边缘处的金属结构；在矩形介质板的上表面，第一天线单元包括第一馈电矩形贴片，第一馈电矩形贴片的一个短边与介质基板上表面下边沿重合，以及依次连接在第一馈电矩形贴片末端的第一水平导线矩形贴片和第一平行板电容器贴片，在矩形介质板的下表面，第一天线单元包括与第一平行板电容器贴片位置相同的第一下表面矩形金属贴片，第一下表面矩形金属贴片向两个天线单元之间连接第二水平导线矩形贴片，第二水平导线矩形贴片的末端连接第一竖直导线矩形贴片，第一竖直导线矩形贴片的末端连接回矩形金属接地板；所述的第一下表面矩形金属贴片形成第一平行板电容器贴片的极板，所述的第一水平导线矩形贴片、第二水平导线矩形贴片以及第一竖直导线矩形贴片形成导线电感；第二天线单元的结构与第一天线单元相同，并且两个天线单元关于矩形介质板长边的中轴线呈镜像对称布置。

作为优选，所述的矩形介质板的自身长度为宽度的3～4倍，其组成材料为FR4，介电常数为4.4±1％，损坏角正切为0.02±1％。

作为优选，所述的矩形金属接地板的长度是宽度的15～18倍。

作为优选，所述的第一馈电矩形贴片的长边是窄边长度的6～8倍，第一馈电矩形贴片穿过矩形金属接地板，其窄边与矩形介质板的表面边缘重合。

作为优选，所述的第一竖直导线矩形贴片的窄边与矩形金属接地板的内侧边缘重合。

作为优选，所述的第一下表面矩形金属贴片与第一平行板电容器贴片的大小相同。

相较于现有技术，本发明有如下的有益效果：通过在微带馈电的单极子天线末端加载由平行板电容器贴片和接地导线组成复合左右手传输线，不但增加了单极子天线的谐振频点，而且在增加的谐振频点上，天线的极化形式与原天线谐振频点处完全不同，将一个单频单极子天线变成双频双极化单极子天线。将两个加载复合左右手传输线的单极子天线分布于一块矩形介质基板上，并且共用同一个金属接地板，形成一个二单元单极子MIMO天线，由于极化特性不同，该二单元单极子MIMO天线端口隔离度较高，完全能够满足实际应用要求。此外，本发明计的天线制作成本低，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本发明的双频双极化二单元MIMO天线结构透视图；

图2本发明的双频双极化二单元MIMO天线结构侧视图；

图3本发明的双频双极化二单元MIMO天线结构俯视图；

图4本发明的双频双极化二单元MIMO天线结构仰视图；

图5本发明的双频双极化二单元MIMO天线端口散射参数虽频率变化曲线图；

图中a曲线表示天线单元端口反射系(S11/S22)数随频率变化曲线，(两个单元天线结构完全相同，以一个为例)，b曲线表示天线单元端口间端口传输系数(S12/S21)随频率变化曲线；

图6本发明的双频双极化二单元MIMO天线垂直于平面向上轴比随频率变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

为了解决单频天线的局限，及极化方式单一的缺点，增加天线谐振频率和极化方式，本申请在微带馈电单极子天线末端加载一个由电容C和电感L构成的复合左右手传输线结构，将天线变为一个双频双极化天线。在此基础上，将上述单元天线布置于一块矩形介质基板两侧，构成一个二单元MIMO天线，因为极化方向不同，两个单元天线间端口耦合系数较小。

参见图1-4，本发明基于复合左右手传输线结构双频双极化二单元MIMO天线由一块具有一定厚度的矩形介质基板10、一块矩形金属接地板11、两个加载复合左右手传输线结构的天线单元组成。两个天线单元分别由第一馈电矩形贴片12、第二馈电矩形贴片22，第一水平导线矩形贴片13、第二水平导线矩形贴片15、第三水平导线矩形贴片23和第四水平导线矩形贴片25，第一竖直导线矩形贴片16和第二竖直导线矩形贴片26，第一平行板电容器贴片14和第一下表面矩形金属贴片17以及第二平行板电容器贴片24和第二下表面矩形金属贴片27组成。两个天线单元关于矩形介质板10长边的中轴线呈镜像对称布置。

本发明的双频双极化二单元MIMO天线结构制作过程如下：

在一块具有一定厚度的FR4介质基板10下表面下边沿附近印刷一个矩形金属接地板11，接地板的长与介质基板的长相同，接地板的宽约为介质基板宽度的五分之一。在介质基板10的上表面右侧下边沿处，印刷一个第一馈电矩形贴片12，第一馈电矩形贴片12的一个短边与介质基板10上表面下边沿重合。第一馈电矩形贴片12长边大约等于介质基板上表面短边的一半。在第一馈电矩形贴片12的另一端处印刷第一水平导线矩形贴片13，第一水平导线矩形贴片13宽度与第一馈电矩形贴片12相同，长边与介质基板10的上表面下边沿平行，长度大约等于介质基板下边长度的七分之一。第一水平导线矩形贴片13的左侧印刷第一平行板电容器贴片14，第一平行板电容器贴片14宽度与大约等于第一水平导线矩形贴片13的水平长度，竖直长度大约等于介质基板10上表面短边宽度的一半。与第一平行板电容器贴片14相同水平位置处，在介质基板10下表面处，印刷一个与第一平行板电容器贴片14完全相同的第一下表面矩形金属贴片17。第一下表面矩形金属贴片17左端边界中心位置处，印刷一个宽度、宽度与第一水平导线矩形贴片13相近的第二水平导线矩形贴片15，介质基板10下表面第二水平导线矩形贴片15左端印刷第一竖直导线矩形贴片16，第一竖直导线矩形贴片16的一端与第二水平导线矩形贴片15相连，另一端与介质基板10下表面的矩形金属接地板11相连。第一竖直导线矩形贴片16的宽度与第二水平导线矩形贴片15相同。

由上述的矩形介质基板10、矩形金属接地板11、馈电矩形贴片、水平导线矩形贴片、下表面矩形金属贴片和竖直导线矩形贴片构成了天线单元的全部结构。

馈电矩形贴片与介质基板10边沿连接处就是天线单元的激励端口。

实施例

如图1～4所示，选择一块厚度为1.6±2％mm，长度为25±5％mm，宽度为72±5％mm的FR4介质板作为本发明二单元MIMO天线矩形介质基板。在矩形介质基板下表面下边沿处附近，采用电路板印刷技术，印刷一个长度与介质基板下边长度相同，72±5％mm，宽度为5±2％mm的矩形金属贴片。在矩形介质基板下表面两条水平边中心点连接线右侧1±2％mm处，印刷一个长度为10±5％mm，宽度为2±2％mm的矩形金属臂，该矩形金属贴片下边与矩形金属基地板上边沿相连。在矩形金属臂另一端处，印刷一个水平矩形金属臂，长度6±2％mm，宽度2±2％mm，左端与竖直矩形金属臂连接，右端处再印刷一个矩形金属贴片，竖直方向长度13±5％mm，水平宽度10±5％mm。水平矩形金属臂右端与矩形金属贴片左侧边中点连接。在矩形介质基板上表面，与下表面矩形金属贴片完全相同水平位置处，印刷一个与矩形金属贴片完成相同几何尺寸的矩形金属贴片。矩形金属贴片右侧介质基板上表面印刷一个水平金属臂，长度10±5％mm，宽度2±2％mm。水平矩形金属臂左端与矩形金属贴片右端边沿中心处连接。以矩形金属臂右端为边界，下方处印刷一个竖直金属贴片，长度13±5％mm，宽度2±2％mm。该竖直金属贴片下端与矩形介质基板下边沿重合，形成天线单元的馈电激励端口。上述单元天线的所有结构都印刷在矩形介质基板右侧半个区域上下两个表面，即在右侧(36±5％)mm～(25±5％)mm的范围内。矩形介质基板左侧半个区域内，除了下表面的接地板外，还没有任何其他金属结构。在左侧区域内采用电路板印刷技术，印刷与天线单元中各个结构呈镜像对称的结构，对称轴为矩形介质基板两长边中点连线。

采用三维电磁仿真软件HFSS对本发明设计的二单元MIMO天线进行仿真分析、优化。最优结果分析所得参数如图5和图6。从图中可以看出，本发明设计的二单元单极子MIMO天线能够在两个不同频点上发展谐振，2.05±5％GHz～2.36±5％GHz、5.35±5％GHz～5.97±5％GHz，相对带宽分别为(14.1±0.2)％、(11.0±0.1)％。而且在图中可知，天线在第5.28±5％GHz～5.74±5％GHz范围内，天线轴比小于3±5％dB，即在该频段内垂直于天线平面向上方向上，该天线的极化形式是圆极化。仿真分析发现，本发明设计的MIMO天线每个单元天线都能够在两个不同频点上谐振，而且在这两个不同谐振频点出，天线极化形式分别为线极化和圆极化，而且该MIMO天线两个单元天线端口间的传输系数也能够满足MIMO系统的要求。总之，本发明设计的二单元MIMO天线是一款高隔离度双频双极化、性能优良的天线系统，能够应用在多种智能系统中完成不同数据的传输任务。

Claims (6)

1.一种基于复合左右手传输线结构的双频双极化二单元MIMO天线，其特征在于：包括两个相对独立的第一天线单元和第二天线单元，两个天线单元共用同一块矩形介质板(10)和同一块矩形金属接地板(11)，矩形金属接地板(11)是一个印刷于矩形介质板(10)下表面边缘处的金属结构；在矩形介质板(10)的上表面，第一天线单元包括第一馈电矩形贴片(12)，第一馈电矩形贴片(12)的一个短边与介质基板(10)上表面下边沿重合，以及依次连接在第一馈电矩形贴片(12)末端的第一水平导线矩形贴片(13)和第一平行板电容器贴片(14)，在矩形介质板(10)的下表面，第一天线单元包括与第一平行板电容器贴片(14)位置相同的第一下表面矩形金属贴片(17)，第一下表面矩形金属贴片(17)向两个天线单元之间连接第二水平导线矩形贴片(15)，第二水平导线矩形贴片(15)的末端连接第一竖直导线矩形贴片(16)，第一竖直导线矩形贴片(16)的末端连接回矩形金属接地板(11)；所述的第一下表面矩形金属贴片(17)形成第一平行板电容器贴片(14)的极板，所述的第一水平导线矩形贴片(13)、第二水平导线矩形贴片(15)以及第一竖直导线矩形贴片(16)形成导线电感；第二天线单元的结构与第一天线单元相同，并且两个天线单元关于矩形介质板(10)长边的中轴线呈镜像对称布置。

2.根据权利要求1所述基于复合左右手传输线结构的双频双极化二单元MIMO天线，其特征在于：所述的矩形介质板(10)的自身长度为宽度的3～4倍，其组成材料为FR4，介电常数为4.4±1％，损坏角正切为0.02±1％。

3.根据权利要求1所述基于复合左右手传输线结构的双频双极化二单元MIMO天线，其特征在于：所述的矩形金属接地板(11)的长度是宽度的15～18倍。

4.根据权利要求1所述基于复合左右手传输线结构的双频双极化二单元MIMO天线，其特征在于：第一馈电矩形贴片(12)的长边是窄边长度的6～8倍，第一馈电矩形贴片(12)穿过矩形金属接地板(11)，其窄边与矩形介质板(10)的表面边缘重合。

5.根据权利要求1所述基于复合左右手传输线结构的双频双极化二单元MIMO天线，其特征在于：第一竖直导线矩形贴片(16)的窄边与矩形金属接地板(11)的内侧边缘重合。

6.根据权利要求1所述基于复合左右手传输线结构的双频双极化二单元MIMO天线，其特征在于：第一下表面矩形金属贴片(17)与第一平行板电容器贴片(14)的大小相同。

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