低耦合度超寬頻帶mimo天線的制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種低耦合度超寬頻帶MIMO天線，涉及一種MIMO天線領域，對常用的中間線結構進行變形來實現超寬頻帶內的去耦合，中間線結構為中間是正方形貼片，正方形貼片和微帶線平行的兩邊分別伸出一條L型金屬臂與圓形印刷單極子輻射貼片相連，本發明由于去耦合結構被放置在兩個天線單元之間，因此整個MIMO系統的尺寸較小，去耦合結構的加入，有效提高了頻帶的隔離度；圓形印刷單極子輻射貼片，變形后的中間線結構，50歐姆微帶線都采用印刷結構，介質基板采用介電常數為4.4的FR4，作為PCB板最常見的板材，價格低廉，易于購買，所以，本發明制作成本低，易于加工，可批量生產，具有較大的實際應用價值。
【專利說明】
低耦合度超寬頻帶MI MO天線
技術領域
[0001]本發明涉及一種MBTO天線領域，尤其是超寬頻帶天線。
【背景技術】
[0002]隨著無線通信技術的迅速發展，人們對無線終端的依賴性越來越強，隨著無線通信技術的發展，高質量和高數據傳輸速率的需求增加了。多輸入多輸出技術被認為是最有希望來達到這一目標的，MIMO的特點是在發射機或者接收機中擁有多個天線，利用多路徑屬性來提高傳輸質量和系統容量。為了使MIMO系統具有較好的性能，發射機或者接收機中的天線單元之間是不相關的(耦合較低)，然而，便攜式設備中集成多個寬帶天線而耦合度較低仍然是一個比較棘手的問題。
[0003]近年來，一些技術已經被提出用來降低UWBMMO系統中天線單元之間的隔離度，比如可以通過在印刷單極子背面加載不同形式的寄生結構，實現了超寬頻帶內的去耦合，也可以通過加載雙層EBG(electromagnetic band-gap)提高超寬頻帶內的隔離度，中間線技術被認為是比較有前途的去耦合技術之一，因為其需要的尺寸較小，也不需要對地板進行修正，然而，該技術通常只能實現較窄頻帶內的去耦合。
【發明內容】
[0004]為了克服現有技術的不足，本發明旨在對常用的中間線結構進行適當變形，以此來實現超寬頻帶內的去耦合，使得可以在便攜式設備中集成多個寬帶天線，且多個天線之間的相互影響較低。
[0005]本發明所設計的低耦合度超寬頻帶MMO天線包括兩個相同尺寸且具有超寬帶輻射特性的圓形印刷單極子輻射貼片、中間線結構、長方體介質板、50歐姆微帶線、地板以及50歐姆SMA接頭。
[0006]所述的兩個圓形印刷單極子輻射貼片與中間線結構位于長方體介質板的一面;地板位于長方體介質板的另一面，地板與50歐姆微帶線通過50歐姆SMA接頭連接，50歐姆SMA接頭由內芯和四個引腳組成，將50歐姆SMA接頭中任意兩個引腳剪掉，50歐姆SMA接頭的內芯和50歐姆微帶線焊接，50歐姆SMA接頭剩余兩個引腳和地板焊接，即50歐姆SMA接頭的外導體與地板連接，內導體與50歐姆微帶線連接，50歐姆微帶線的另一端與圓形印刷單極子輻射貼片相連接，50歐姆微帶線垂直于介質板下沿，與中間線結構中的正方形貼片平行。
[0007]所述的中間線結構為:中間是正方形貼片，正方形貼片和微帶線平行的兩邊分別伸出一條L型金屬臂與圓形印刷單極子輻射貼片相連，該中間線結構與圓形印刷單極子輻射貼片共面，正方形貼片的中心位于兩個圓形印刷單極子輻射貼片的對稱線上，對稱線為兩個圓形印刷單極子輻射貼片圓心連線的中垂線，整個中間線結構關于兩個圓形印刷單極子輻射貼片的對稱線對稱。
[0008]所述的圓形印刷單極子輻射貼片、中間線結構和50歐姆微帶線都采用印刷結構，三者的介質基板均采用介電常數為4.4的FR4。
[0009]本發明有益效果是由于去耦合結構被放置在兩個天線單元之間，因此，整個MMO系統的尺寸較小，去耦合結構的加入，有效提高了頻帶3.1GHz?5GHz內的隔離度;圓形印刷單極子輻射貼片，變形后的中間線結構，50歐姆微帶線都采用印刷結構，介質基板采用介電常數為4.4的FR4，這種材料是作為PCB板最常見的板材，價格低廉，易于購買，所以，本發明制作成本低，易于加工，可批量生產，具有較大的實際應用價值。
【附圖說明】
[0010]圖1為本發明低耦合度超寬頻帶MMO天線的結構示意圖，圖1(a)為天線正面結構圖，圖1(b)為天線反面結構圖，其中圖中I為圓形印刷單極子輻射貼片，2為中間線結構，3為50歐姆微帶。
[0011]圖2為本發明無中間線結構時的S參數仿真結果圖。
[0012]圖3為本發明加載中間線結構后的S參數仿真結果圖。
[0013]圖4為本發明MMO天線的遠場輻射方向圖，其中圖4(a)為3.4GHz的遠場方向圖，圖4(b)4GHz的遠場方向圖，圖4(c)4.7GHz的遠場方向圖。
【具體實施方式】
[0014]下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
[0015]為了解決超寬頻帶MMO天線系統的耦合問題，降低天線單元之間的相關性，我們需要加載一定的去親合結構來提高MIMO系統天線單元之間的親合度。
[0016]本發明所設計的低耦合度超寬頻帶MMO天線由兩個相同尺寸且具有超寬帶輻射特性的圓形印刷單極子輻射貼片、中間線結構、長方體介質板、50歐姆微帶線、地板以及50歐姆SMA接頭組成。
[0017]所述的中間線結構為:中間是正方形貼片，正方形貼片左右兩邊分別伸出一條金屬臂與圓形印刷單極子輻射貼片相連，該中間線結構與圓形印刷單極子輻射貼片共面，正方形貼片的中心位于兩個圓形印刷單極子輻射貼片的對稱線上，對稱線為兩個圓形印刷單極子輻射貼片圓心連線的中垂線，整個中間線結構關于兩個圓形印刷單極子輻射貼片的對稱線對稱。
[0018]中間線結構通過與輻射貼片直接連接來實現去耦合的目的。中間線結構去耦合的原理是:通過引入額外的一條路徑使得該路徑上的電流與直接耦合到天線上的電流反向，這樣會抵消直接耦合到天線上的部分電流，從而減小了耦合。
[0019]兩個圓形印刷單極子輻射貼片與中間線結構位于長方體介質板的一面;地板位于長方體介質板的另一面，地板與50歐姆微帶線通過50歐姆SMA接頭連接，50歐姆SMA接頭由內芯和四個引腳組成，將50歐姆SMA接頭中任意兩個引腳剪掉，50歐姆SMA接頭的內芯和50歐姆微帶線焊接，50歐姆SMA接頭剩余兩個引腳和地板焊接，即50歐姆SMA接頭的外導體與地板連接，內導體與50歐姆微帶線連接，50歐姆微帶線的另一端與圓形印刷單極子輻射貼片相連接。
[0020]圓形印刷單極子輻射貼片、變形后的中間線結構和50歐姆微帶線都采用印刷結構，三者的介質基板均采用介電常數為4.4的FR4。
[0021]如圖1所示，圖1中的I為圓形印刷單極子輻射貼片，2為中間線結構，3為50歐姆微帶線，圓形印刷單極子輻射貼片、中間線結構和50歐姆微帶線都印刷在介電常數為4.4，厚度為0.8mm的FR4板子上。中間線結構是通過與輻射貼片直接連接來實現去耦合的目的，中間線結構的正方形金屬貼片與左右兩邊L型金屬壁不對稱連接，提供多條不同長度的電流路徑來抵消天線單元之間的直接耦合，實現較寬頻帶內的去耦合。
[0022]具體實施方法為:
[0023 ] 選長3 5mm，寬3 3mm，高0.8mm的介質板，介質板材料為FR4，在介質板上表面下沿，距離介質板左邊界9.7mm處選為端口 I，在介質板上表面下沿，距離介質板右邊界9.7mm處選為端口 2，從端口 I和端口 2處各開一個寬度為1mm，長度為24.8mm的矩形，矩形位于介質板的上表面;在距離介質板上表面下沿24.8mm，距離介質板左邊界和右邊界9.7mm處兩個點為圓心，各畫一個半徑為6.7mm的圓，兩個半徑為6.7mm的圓即是本發明所述的兩個相同尺寸且具有超寬帶輻射特性的圓形印刷單極子輻射貼片的尺寸，寬度為1mm，長度為24.8mm的矩形為本發明所述的微帶線尺寸。
[0024]中間線結構通過與圓形印刷單極子輻射貼片直接相連實現去耦合，中間線結構由一個正方形貼片和兩個L型金屬壁組成，正方形貼片的中心位于距離介質板上表面左邊界17.5mm，距離上表面下邊界8.7mm處，正方形的邊長為5.8mm，在正方形貼片近微帶線方向的兩邊距離下沿8.7mm的點，分別向微帶線方向伸出一個寬度為1.2mm長度為3.4mm的矩形，在兩個矩形遠離正方形并接近圓形印刷單極子輻射貼片的頂點處，分別向圓形印刷單極子輻射貼片方向伸出一個接近正方形方向寬度為1.2mm的矩形，直至與圓形印刷單極子輻射貼片連接。
[0025]地板使用35*17mm2的覆銅板，與50歐姆SMA接頭的外導體直接相連，50歐姆SMA接頭的內導體與50歐姆的微帶線相連。
[0026]圖1(a)為本發明所述的介質板上表面，圖中圓形為本發明所述的兩個相同尺寸且具有超寬帶輻射特性的圓形印刷單極子輻射貼片，兩個圓形下方的兩個矩形均為本發明所述的微帶線，正方形及左右兩側的L型拐角共同組成本發明所述的中間線結構，圖1(b)為本發明所述的介質板下表面。
[0027]圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)為用仿真軟件HFSS對整個天線系統進行仿真后的遠場輻射方向圖，其中圖4(a)為3.46取的遠場方向圖，圖4(13)46取的遠場方向圖，圖4((:)4.76取的遠場方向圖。
[0028]用電磁仿真軟件HFSS對上述天線結構進行仿真驗證。圖3給出了加載去耦合結構后的S參數仿真結果圖。從圖中可以看出，本文設計的天線結構在頻帶3.1GHz?5GHz內的耦合度都低于_17dB，在3.3GHz?5GHz內的耦合度更是低于-20dB。作為對比，圖2中也給出了沒有中間線結構時的仿真結果圖，可以發現，該去耦合結構有效降低了工作頻帶的耦合度。從圖中我們也可以發現，該結構的加入使得天線的工作帶寬變窄。這主要是因為當天線單元之間的耦合度較高時，導致反射系數較低。此外，由于正方形金屬貼片位于地板上方，這兩者就相當于平行板電容。去耦合結構與天線的輻射貼片直接相連，所以去耦合結構會增大天線的品質因數，導致天線的工作帶寬變窄。不論如何，本文設計的UWB MHTO天線依然覆蓋了UWB系統的低頻段3.1GHz?5GHz。
【主權項】
1.一種低耦合度超寬頻帶MIMO天線，包括兩個相同尺寸且具有超寬帶輻射特性的圓形印刷單極子福射貼片、中間線結構、長方體介質板、50歐姆微帶線、地板以及50歐姆SMA接頭，其特征在于: 所述的兩個圓形印刷單極子輻射貼片與中間線結構位于長方體介質板的一面;地板位于長方體介質板的另一面，地板與50歐姆微帶線通過50歐姆SMA接頭連接，50歐姆SMA接頭由內芯和四個引腳組成，將50歐姆SMA接頭中任意兩個引腳剪掉，50歐姆SMA接頭的內芯和50歐姆微帶線焊接，50歐姆SMA接頭剩余兩個引腳和地板焊接，即50歐姆SMA接頭的外導體與地板連接，內導體與50歐姆微帶線連接，50歐姆微帶線的另一端與圓形印刷單極子輻射貼片相連接，50歐姆微帶線垂直于介質板下沿，與中間線結構中的正方形貼片平行； 所述的中間線結構為:中間是正方形貼片，正方形貼片和微帶線平行的兩邊分別伸出一條L型金屬臂與圓形印刷單極子輻射貼片相連，該中間線結構與圓形印刷單極子輻射貼片共面，正方形貼片的中心位于兩個圓形印刷單極子輻射貼片的對稱線上，對稱線為兩個圓形印刷單極子輻射貼片圓心連線的中垂線，整個中間線結構關于兩個圓形印刷單極子輻射貼片的對稱線對稱； 所述的圓形印刷單極子輻射貼片、中間線結構和50歐姆微帶線都采用印刷結構，三者的介質基板均采用介電常數為4.4的FR4。
【文檔編號】H01Q21/00GK106099365SQ201610673846
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月16日 公開號201610673846.0, CN 106099365 A, CN 106099365A, CN 201610673846, CN-A-106099365, CN106099365 A, CN106099365A, CN201610673846, CN201610673846.0
【發明人】郭陳江, 江磊, 丁君
【申請人】西北工業大學