CN207910052U - Mimo天线结构及具有该mimo天线结构的手持设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了MIMO天线结构及具有该MIMO天线结构的手持设备，包括具有接地区的接地板，还包括第一天线单元和第二天线单元，第一天线单元为设于接地板下表面的缝隙天线，第二天线单元垂直于接地板的上表面设置，第一天线单元和第二天线单元分别与接地区相连。第一天线单元设置在水平面上，第二天线单元设置在竖直面上，第一天线单元与第二天线单元之间会出现正交极化，因此，MIMO天线结构的隔离度得到了显著改善，采取了缝隙天线和耦合馈电的混合结构，工作范围覆盖了我国5G标准规划的3.3‑3.4GHz、3.4‑3.6GHz以及4.8‑5GHz频段，天线反射系数均优于6dB，且天线之间的隔离度均好于13dB。

Description

MIMO天线结构及具有该MIMO天线结构的手持设备

技术领域

本实用新型涉及无线通信技术，尤其涉及MIMO天线结构及具有该MIMO天线结构的手持设备。

背景技术

近年来，随着无线通信技术的迅猛发展，消费者对于大容量、高可靠性的移动通信质量的需求越来越迫切，而传统通信技术已经难以解决这个问题。

在多径传输环境中，多输入多输出技术(MIMO)能在不增加工作带宽和发射功率的前提下，大幅提高无线信道的容量和通信质量，所以，MIMO技术已经成为无线通信领域的研究热点，并被认为是第五代移动通信系统(5G)的核心技术之一。为了达到5G传输速率的要求，MIMO天线的个数至少要在8个左右，也即8x8的MIMO天线系统将被采用。

2017年11月9日，国家工信部公布5G频段，规划3.3GHz-3.4GHz，3.4GHz-3.6GHz和4.8GHz-5GHz频段作为5G系统的工作频段。如何设计能够覆盖上述频段的多天线的MIMO天线结构，成为目前新的研究方向。另外，当手持设备中相邻天线之间的距离较近时，天线之间的隔离度将增加；天线之间的隔离度的增加将直接影响天线的辐射效率，所以，如何在传统手持设备有限的空间内，放置8x8MIMO天线结构，且控制各个天线之间的隔离度成为了难点。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种能够覆盖多频段的新型MIMO天线结构，以及具有该天线结构的手持设备。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：MIMO天线结构，包括具有接地区的接地板，还包括第一天线单元和第二天线单元，第一天线单元为设于接地板下表面的缝隙天线，第二天线单元垂直于接地板的上表面设置，第一天线单元和第二天线单元分别与接地区相连。

进一步的，第一天线单元包括第一缝隙和第二缝隙，第一缝隙包括相连通的第一分支部和第二分支部，第二缝隙包括相连通的第三分支部和第四分支部，其中，第一分支部与第三分支部平行且与第二分支部垂直，第二分支部与第四分支部平行，第二分支部和第四分支部位于第一分支部和第三分支部之间，第一分支部的长度大于第三分支部的长度，第二分支部的长度小于第四分支部的长度，且第二分支部长度与第四分支部长度之和大于第一分支部和第三分支部之间的间距。

进一步的，第一天线单元还包括馈电线，所述馈电线设于所述接地板的上表面且所述馈电线垂直于第二分支部设置，所述馈电线的一端位于第四分支部远离第二分支部的一侧，馈电线的另一端为第一馈电端，所述第一馈电端依次跨越第四分支部和第二分支部。

进一步的，第二天线单元包括第一辐射体、馈电分支和第二辐射体，第一辐射体包括相连的第五分支部和第六分支部，第二辐射体包括相连的第七分支部和第八分支部，第五分支部及第七分支部均垂直于所述接地板的上表面且与所述接地区相连，第六分支部和第八分支部均位于第五分支部和第七分支部之间，第一辐射体、第二辐射体及接地板三者形成一具有开口的中空区域，所述馈电分支位于所述中空区域中，所述馈电分支呈旋转90°的L字型，馈电分支靠近接地板的一端为第二馈电端。

进一步的，第八分支部与接地板之间的间距大于第六分支部与接地板之间的间距。

进一步的，所述馈电分支包括相连的第九分支部和第十分支部，第九分支部垂直于所述接地板设置，第十分支部平行于第八分支部设置且第十分支部位于第八分支部的下方。

进一步的，第一天线单元的数量及第二天线单元的数量分别为四个，两个第一天线单元靠近接地板的第一短边设置，另外两个第一天线单元靠近接地板的第二短边设置，且靠近接地板同一短边设置的两个第一天线单元相互远离；两个第二天线单元靠近接地板的第一长边设置，另外两个第二天线单元靠近接地板的第二长边设置，且靠近接地板同一长边设置的两个第二天线单元相互远离。

进一步的，靠近接地板同一长边设置的两个第二天线单元中，两个所述第七分支部均位于两个所述第五分支部之间。

进一步的，靠近接地板同一长边设置的两个第二天线单元各自到该长边的中心点的距离相等；靠近接地板同一短边设置的两个第一天线单元各自到该短边的中心点的距离相等。

本实用新型还采用的以下技术方案：手持设备，具有上述MIMO天线结构。

本实用新型的有益效果在于：第一天线单元设置在水平面上，第二天线单元设置在竖直面上，第一天线单元与第二天线单元之间会出现正交极化，因此，MIMO天线结构的隔离度得到了显著改善，此外，每个天线单元自身都具有双频结构，使得MIMO天线结构能够覆盖多频段。

附图说明

图1为本实用新型实施例一的MIMO天线结构的示意图；

图2为本实用新型实施例一的MIMO天线结构中的第一天线单元的结构示意图；

图3为本实用新型实施例一的MIMO天线结构中的第二天线单元的结构示意图；

图4为本实用新型实施例一的天线S-参数图；

图5为本实用新型实施例一的MIMO天线的总效率随频率变化的曲线(3.2GHz-3.8GHz)；

图6为本实用新型实施例一的MIMO天线的总效率随频率变化的曲线(4.7GHz-5.1GHz)；

图7为本实用新型实施例一的MIMO天线中的第一天线单元工作在3.5GHz时的电流分布图；

图8为本实用新型实施例一的MIMO天线中的第一天线单元工作在4.9GHz时的电流分布图；

图9为本实用新型实施例一的MIMO天线中的第二天线单元工作在3.5GHz时的电流分布图；

图10为本实用新型实施例一的MIMO天线中的第二天线单元工作在4.9GHz时的电流分布图。

标号说明：

1、接地板；

2、第一天线单元；

21、第一分支部；

22、第二分支部；

23、第三分支部；

24、第四分支部；

25、馈电线；

26、第一馈电端；

3、第二天线单元；

31、第五分支部；

32、第六分支部；

33、第七分支部；

34、第八分支部；

35、第九分支部；

36、第十分支部；

37、开口；

38、第二馈电端。

具体实施方式

为详细说明本实用新型的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

本实用新型最关键的构思在于：第一天线单元与第二天线单元垂直设置。

请参照图1至图10，MIMO天线结构，包括具有接地区的接地板1，还包括第一天线单元2和第二天线单元3，第一天线单元2为设于接地板1下表面的缝隙天线，第二天线单元3垂直于接地板1的上表面设置，第一天线单元2和第二天线单元3分别与接地区相连。

从上述描述可知，本实用新型的有益效果在于：第一天线单元设置在水平面上，第二天线单元设置在竖直面上，第一天线单元与第二天线单元之间会出现正交极化，因此，MIMO天线结构的隔离度得到了显著改善，此外，每个天线单元自身都具有双频结构，使得MIMO天线结构能够覆盖多频段。

进一步的，第一天线单元2包括第一缝隙和第二缝隙，第一缝隙包括相连通的第一分支部21和第二分支部22，第二缝隙包括相连通的第三分支部23和第四分支部24，其中，第一分支部21与第三分支部23平行且与第二分支部22垂直，第二分支部22与第四分支部24平行，第二分支部22和第四分支部24位于第一分支部21和第三分支部23之间，第一分支部21的长度大于第三分支部23的长度，第二分支部22的长度小于第四分支部24的长度，且第二分支部22长度与第四分支部24长度之和大于第一分支部21和第三分支部23之间的间距。

由上述描述可知，第一、二缝隙被接地板上的接地区包围。

进一步的，第一天线单元2还包括馈电线25，所述馈电线25设于所述接地板的上表面且所述馈电线25垂直于第二分支部22设置，所述馈电线25的一端位于第四分支部24远离第二分支部22的一侧，馈电线25的另一端为第一馈电端26，所述第一馈电端26依次跨越第四分支部24和第二分支部22。

由上述描述可知，第一缝隙(第二缝隙)与馈电线分别位于接地板的上、下表面。

进一步的，第二天线单元3包括第一辐射体、馈电分支和第二辐射体，第一辐射体包括相连的第五分支部31和第六分支部32，第二辐射体包括相连的第七分支部33和第八分支部34，第五分支部31及第七分支部33均垂直于所述接地板1的上表面且与所述接地区相连，第六分支部32和第八分支部34均位于第五分支部31和第七分支部33之间，第一辐射体、第二辐射体及接地板1三者形成一具有开口37的中空区域，所述馈电分支位于所述中空区域中，所述馈电分支呈旋转90°的L字型，馈电分支靠近接地板1的一端为第二馈电端38。

进一步的，第八分支部34与接地板1之间的间距大于第六分支部32与接地板1之间的间距。

进一步的，所述馈电分支包括相连的第九分支部35和第十分支部36，第九分支部35垂直于所述接地板1设置，第十分支部36平行于第八分支部34设置且第十分支部36位于第八分支部34的下方。

进一步的，第九分支部35与所述开口37对齐设置。

进一步的，第一天线单元2的数量及第二天线单元3的数量分别为四个，两个第一天线单元2靠近接地板1的第一短边设置，另外两个第一天线单元2靠近接地板1的第二短边设置，且靠近接地板1同一短边设置的两个第一天线单元2相互远离；两个第二天线单元3靠近接地板1的第一长边设置，另外两个第二天线单元3靠近接地板1的第二长边设置，且靠近接地板1同一长边设置的两个第二天线单元3相互远离。

由上述描述可知，两个结构相同的天线单元之间的耦合要比两个结构不同天线单元之间的耦合要强。因此，优选结构相同的天线单元相互远离。另外，靠近接地板同一长边设置的两个第二天线单元的两个第二辐射体背向放置，能够进一步提高隔离效果；采用这种摆放方式，有利于提升两天线之间低频的隔离度，使得天线间隔离度优于18dB。换言之，对于具有高和低的双谐振天线而言，产生低频谐振的分支应该采用背向放置的方式，因为在天线之间距离不变的情况下，高频的隔离度总是要优于低频的隔离度。

进一步的，靠近接地板1同一长边设置的两个第二天线单元3中，两个所述第七分支部33均位于两个所述第五分支部31之间。

进一步的，靠近接地板1同一长边设置的两个第二天线单元3各自到该长边的中心点的距离相等；靠近接地板1同一短边设置的两个第一天线单元2各自到该短边的中心点的距离相等。

手持设备，具有上述任意一项所述的MIMO天线结构。

由上述描述可知，手持设备包括手机、平板电脑、读码器等等。优选的，所述接地板为设于手持设备内部的PCB板。

实施例一

请参照图1至图10，本实用新型的实施例一为：一种具有新型MIMO天线结构的手持设备，该MIMO天线结构，包括具有接地区的接地板1，接地区位于接地板1的下表面，还包括第一天线单元2和第二天线单元3，第一天线单元2为设于接地板1下表面的缝隙天线，第二天线单元3垂直于接地板1的上表面设置，第一天线单元2和第二天线单元3分别与接地区相连。即本实施例中，第一天线单元2和第三天线单元3分别位于接地板1相对的两侧。

为让阅读者更好的理解本技术方案，本实施例以覆盖6GHz以下的工作在3.3GHz-3.6GHz、4.8GHz-5GHz频段的5G 8x8MIMO天线结构进行阐述。

接地板1为设置在手持设备内部的PCB板，其尺寸选择150mmx75mmx0.8mm，8x8MIMO天线结构由两种天线所组成：一种是缝隙天线(即第一天线单元2)，另一种是耦合馈电天线(即第二天线单元3)，缝隙天线布局在接地板1的下表面(即接地板1设置接地区的表面)，耦合馈电天线分布在垂直于接地板1的天线支架上(例如手持设备中框的内侧壁)。

如图1和图2所示，第一天线单元2包括第一缝隙和第二缝隙，第一缝隙包括相连通的第一分支部21和第二分支部22，第二缝隙包括相连通的第三分支部23和第四分支部24，其中，第一分支部21与第三分支部23平行且与第二分支部22垂直，第二分支部22与第四分支部24平行，第二分支部22和第四分支部24位于第一分支部21和第三分支部23之间，第一分支部21的长度大于第三分支部23的长度，第二分支部22的长度小于第四分支部24的长度，且第二分支部22长度与第四分支部24长度之和大于第一分支部21和第三分支部23之间的间距。详细的，第一分支部21沿接线板1的长度方向设置。

进一步的，第一天线单元2还包括馈电线25，所述馈电线25设于所述接地板的上表面且所述馈电线25垂直于第二分支部22设置，所述馈电线25的一端位于第四分支部24远离第二分支部22的一侧，馈电线25的另一端为第一馈电端26，所述第一馈电端26依次跨越第四分支部24和第二分支部22。本实施例中馈电线25为五十欧姆微带线。

通过调节第一、二缝隙的位置和长度以及馈电线25的位置，就能够分别产生覆盖3.3GHz-3.6GHz及4.8GHz-5GHz的谐振频率。本实施例中，3.3GHz-3.6GHz的谐振频率是由长度较大的第二缝隙(图中第三分支部23和第四分支部24)产生的，而4.8GHz-5GHz的谐振频率是由长度较短的第一缝隙(图中第一分支部21和第二分支部22)产生的。

如图1和图3所示，第二天线单元3包括第一辐射体、馈电分支和第二辐射体，第一辐射体包括相连的第五分支部31和第六分支部32，第二辐射体包括相连的第七分支部33和第八分支部34，第五分支部31及第七分支部33均垂直于所述接地板1的上表面且与所述接地区相连，第六分支部32和第八分支部34均位于第五分支部31和第七分支部33之间，第一辐射体、第二辐射体及接地板1三者形成一具有开口37的中空区域，所述馈电分支位于所述中空区域中，所述馈电分支呈旋转90°的L字型，馈电分支靠近接地板1的一端为第二馈电端38。优选的，第八分支部34与接地板1之间的间距大于第六分支部32与接地板1之间的间距。

通过调节第二天线单元3的馈电分支和与其耦合的第二、三辐射体的尺寸以及它们之间的距离将能够产生覆盖3.3GHz-3.6GHz及4.8GHz-5GHz的谐振频率。本实施例中，3.3GHz-3.6GHz的谐振频率是由第二辐射体产生的，而4.8GHz-5GHz的谐振频率是由第一辐射体产生的。

详细的，所述馈电分支包括相连的第九分支部35和第十分支部36，第九分支部35垂直于所述接地板1设置，第十分支部36平行于第八分支部34设置且第十分支部36位于第八分支部34的下方。优选的，第九分支部35与所述开口37对齐设置。

本实施例中，第一天线单元2的数量及第二天线单元3的数量分别为四个，两个第一天线单元2靠近接地板1的第一短边设置，另外两个第一天线单元2靠近接地板1的第二短边设置，且靠近接地板1同一短边设置的两个第一天线单元2相互远离；两个第二天线单元3靠近接地板1的第一长边设置，另外两个第二天线单元3靠近接地板1的第二长边设置，且靠近接地板1同一长边设置的两个第二天线单元3相互远离。详细的，两个第一天线单元2分别靠近接地板1的两个长边设置。

优选的，靠近接地板1同一长边设置的两个第二天线单元3各自到该长边的中心点的距离相等；靠近接地板1同一短边设置的两个第一天线单元2各自到该短边的中心点的距离相等。也就是说靠近接地板1同一长边设置的两个第二天线单元3相对于该长边的中心对称，靠近接地板1同一短边设置的两个第一天线单元2相对于该短边的中心对称。可选的，靠近接地板1同一长边设置的两个第二天线单元3分别位于该长边的1/4长度处。

进一步的，靠近接地板1同一长边设置的两个第二天线单元3中，两个所述第七分支部33均位于两个所述第五分支部31之间。采用这种摆放方式，有利于提升相邻两个第二天线单元3之间在低频(3.3GHz-3.6GHz)的隔离度，使得天线间隔离度优于18dB。

从图4中可以看出本实施例的MIMO天线结构具有双谐振的特性，工作范围覆盖了我国5G标准规划的3.3-3.4GHz、3.4-3.6GHz以及4.8-5GHz频段，天线反射系数均优于6dB，且天线之间的隔离度均好于13dB。本方案采取了缝隙天线和耦合馈电的混合结构，由于正交极化特性，天线隔离度得到了改善；在第一天线单元2的第一缝隙和第二天线单元3的第二辐射体距离很近的情况下，两天线之间在高频段(4.8GHz-5GHz)的隔离度仍然好于17dB。

图5为天线的总效率随频率变化的曲线(3.2GHz-3.8GHz)。从图5中可以看出，本实施例的8X8MIMO天线结构的总效率在3.3-3.6GHz的范围内均好于45％。

图6为天线的总效率随频率变化的曲线(4.7GHz-5.1GHz)。从图6中可以看出，本实施例的8X8MIMO天线结构的总效率在4.8-5GHz的范围内均好于60％。

图4、图5及图6中给出的天线指标完全可以满足6GHz以下的5G 8x8MIMO天线结构在手机中使用的要求。

为了进一步地阐述本实施例8X8MIMO天线结构的工作原理，我们可以通过观察和分析第一天线单元2和第二天线单元3在频率为3.5GHz及4.9GHz工作时，天线电流在不同天线单元上的分布图。为了简化，我们将只对第一天线单元2和第二天线单元3分别工作时的情况进行分析和讨论。

图7为第一天线单元2工作在3.5GHz时的电流分布，图8为第一天线单元2工作在4.9GHz时的电流分布，从图7和图8中可以得出，PCB板上的第一、二缝隙，在馈电线25的作用下，产生了一高一低两个频段的波形。

图9为第二天线单元3工作在3.5GHz时的电流分布，图10为第二天线单元3工作在4.9GHz时的电流分布，从图9和图10中可以得出，在中间馈电分支的作用下，第二、三辐射体产生了一高一低两个频段的波形。

虽然本实施例只对6GHz以下的工作在3.3GHz-3.6GHz、4.8GHz-5GHz频段的5G8x8MIMO进行了分析和描述，但是本案的天线设计原理也可以扩展到其它的工作频段以及其它的mxn(m和n为大于2的整数)MIMO天线系统中。

综上所述，本实用新型提供的MIMO天线结构及具有该MIMO天线结构的手持设备，第一天线单元设置在水平面上，第二天线单元设置在竖直面上，第一天线单元与第二天线单元之间会出现正交极化，因此，MIMO天线结构的隔离度得到了显著改善，采取了缝隙天线和耦合馈电的混合结构，工作范围覆盖了我国5G标准规划的3.3-3.4GHz、3.4-3.6GHz以及4.8-5GHz频段，天线反射系数均优于6dB，且天线之间的隔离度均好于13dB。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.MIMO天线结构，包括具有接地区的接地板，其特征在于：还包括第一天线单元和第二天线单元，第一天线单元为设于接地板下表面的缝隙天线，第二天线单元垂直于接地板的上表面设置，第一天线单元和第二天线单元分别与接地区相连。

2.根据权利要求1所述的MIMO天线结构，其特征在于：第一天线单元包括第一缝隙和第二缝隙，第一缝隙包括相连通的第一分支部和第二分支部，第二缝隙包括相连通的第三分支部和第四分支部，其中，第一分支部与第三分支部平行且与第二分支部垂直，第二分支部与第四分支部平行，第二分支部和第四分支部位于第一分支部和第三分支部之间，第一分支部的长度大于第三分支部的长度，第二分支部的长度小于第四分支部的长度，且第二分支部长度与第四分支部长度之和大于第一分支部和第三分支部之间的间距。

3.根据权利要求2所述的MIMO天线结构，其特征在于：第一天线单元还包括馈电线，所述馈电线设于所述接地板的上表面且所述馈电线垂直于第二分支部设置，所述馈电线的一端位于第四分支部远离第二分支部的一侧，馈电线的另一端为第一馈电端，所述第一馈电端依次跨越第四分支部和第二分支部。

4.根据权利要求3所述的MIMO天线结构，其特征在于：第二天线单元包括第一辐射体、馈电分支和第二辐射体，第一辐射体包括相连的第五分支部和第六分支部，第二辐射体包括相连的第七分支部和第八分支部，第五分支部及第七分支部均垂直于所述接地板的上表面且与所述接地区相连，第六分支部和第八分支部均位于第五分支部和第七分支部之间，第一辐射体、第二辐射体及接地板三者形成一具有开口的中空区域，所述馈电分支位于所述中空区域中，所述馈电分支呈旋转90°的L字型，馈电分支靠近接地板的一端为第二馈电端。

5.根据权利要求4所述的MIMO天线结构，其特征在于：第八分支部与接地板之间的间距大于第六分支部与接地板之间的间距。

6.根据权利要求4所述的MIMO天线结构，其特征在于：所述馈电分支包括相连的第九分支部和第十分支部，第九分支部垂直于所述接地板设置，第十分支部平行于第八分支部设置且第十分支部位于第八分支部的下方。

7.根据权利要求6所述的MIMO天线结构，其特征在于：第一天线单元的数量及第二天线单元的数量分别为四个，两个第一天线单元靠近接地板的第一短边设置，另外两个第一天线单元靠近接地板的第二短边设置，且靠近接地板同一短边设置的两个第一天线单元相互远离；两个第二天线单元靠近接地板的第一长边设置，另外两个第二天线单元靠近接地板的第二长边设置，且靠近接地板同一长边设置的两个第二天线单元相互远离。

8.根据权利要求7所述的MIMO天线结构，其特征在于：靠近接地板同一长边设置的两个第二天线单元中，两个所述第七分支部均位于两个所述第五分支部之间。

9.根据权利要求7所述的MIMO天线结构，其特征在于：靠近接地板同一长边设置的两个第二天线单元各自到该长边的中心点的距离相等；靠近接地板同一短边设置的两个第一天线单元各自到该短边的中心点的距离相等。

10.手持设备，其特征在于：具有权利要求1至9中任意一项所述的MIMO天线结构。