专利名称：小型宽带高隔离度的四单元mimo天线阵的制作方法
技术领域：
本发明涉及移动通信技术，具体涉及小型宽带高隔离度的四单元MIMO天线 阵。
背景技术：
目前无线通信面临的主要问题是如何提供更高的数据传输速率。传统的无线通 信系统是采用一个发射天线和一个接收天线的通信系统，即所谓的单输入单输出(^KIO) 天线系统。SISO天线系统在信道容量上具有一个通信上不可突破的颈瓶一Shannon容 量限制，不管采用哪种调制技术、编码策略或者其他方法，无线信道总是给无线通信工 程做了一个实际的物理限制。在不增加频谱带宽和发射功率的条件下，使用多天线分集 技术，可以提高发射/接收信号信噪比，增大系统的容量。近年来，主要通过多元发射 天线阵列，单元接收单天线(MIS0天线系统)来实现分集增益。因为移动终端设备的有 限空间，^tMO(单输入多输出)天线系统的应用造成移动终端的处理复杂，故其可行性 低。但是无论是幻^)或SIMO系统，当天线数目达到一定数目时，信道容量的改善非 常小。而MIM0(多输入多输出)系统才是真正能通过分集增益来实现大幅度提高信道 容量的无线通信系统，而且其信道容量随着天线数目的增加而增大。MIMO系统是指在 收、发端同时采用多根天线的系统，信道容量与系统天线数目成线性比例关系，增大天 线的数目，信道容量有大幅度的提高。MIMO技术已经被视为第四代移动通信技术的重 要组成部分而受到通信界的强烈关注。
MIMO天线设计是MIMO通信技术的主要三大关键技术之一。对于基站而言， 因为可用空间大，多天线技术的应用容易得到实现。但是对于手持设备来说，将多个天 线集成在小空间中，会引起很大的互耦，天线的分集性能就随之下降，无法达到信道容 量与MIMO天线系统的天线数目成线性比例增量的趋势。如何减小天线单元间的耦合是 MIMO天线设计的难点，目前减小耦合的主要方法有采用EBG地板结构，在地板上嵌 入细缝，加入反射单元，或者增加地板分支。在有限的空间中集成的天线数目越多，要 得到宽阻抗带宽就会越困难。现有的MIMO天线设计主要都是采用以上四种方法之一来 减小互耦，但是天线单元数目一般为二，而且大部分设计的带宽都比较窄。
数量不多的已经报道的四单元MIMO天线设计，它们的带宽更小，隔离度更 低，尺寸也比较大，无法满足小型多功能手持设备的要求。
如图1所示为传统的地板四单元MIMO天线阵结构，尽管单个天线单元(天线 单元15a、15b、1 和15d)的阻抗带宽很宽，可是当它们被集成为多天线单元的MIMO 天线阵后，受到各天线单元相互间互耦的影响，天线单元的阻抗带宽变差。如图2所示 为上述MIMO天线阵结构频率响应的电磁仿真曲线。
所以，现有的MIMO天线阵设计中，由于主要考虑如何减小天线单元间的互耦 问题，不考虑如何增大或者保留天线阵元原有的阻抗带宽问题，更不考虑性能独立可控 问题，这就使得MIMO天线阵技术没有得到本质性的提高。发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足之处，提供小型宽带高隔离度的四单元 MIMO天线阵，本发明通过采用双带线结构(18)和阻抗匹配结构01)，使得天线单元的 阻抗带宽非常宽，故天线单元能在小尺寸的情况下，得到很好的阻抗带宽。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的小型宽带高隔离度的四单元 MIMO天线阵，包括介质基板(11)，以及MIMO天线的天线单元(15a)、天线单元 (15b)、天线单元(15c)和天线单元(15d)；天线单元(15a)、天线单元(15b)、天线单元 (15c)和天线单元(15d)结构相同，位于天线单元(15a)、(15b)、(15c)和(15d)的正下 方没有设置地板；天线单元(15a)和天线单元(15b)反向、平行地放置在介质基板(11) 一端；天线单元(15c)和天线单元(15d)反向、平行地放置在介质基板(11)的另一端； 天线单元(15a)与天线单元(15c)形成反向平行结构；天线单元(15b)与天线单元(15d) 形成反向平行结构；所述介质基板(11)包括介质基板背面(12)和介质基板正面(13)， 地板(14)印制在介质基板背面(12)；
所述天线单元(15a)、天线单元(15b)、天线单元(15c)和天线单元(15d)分别 设置有印制在介质基板正面(1 的辐射单元(16a)、辐射单元(1 )、辐射单元(16c)和 辐射单元(16d)，以及分别设置有印制在介质基板背面(1 的辐射单元(17a)、辐射单元 (17b)、辐射单元(17c)和辐射单元(17d)，辐射单元(16a)与辐射单元(17a)靠近地板端 具有重叠部分(18a)，辐射单元(16b)与辐射单元(17b)靠近地板端具有重叠部分(18b)， 辐射单元(16c)与辐射单元(17c)靠近地板端具有重叠部分(18c)，辐射单元(16d)与辐 射单元(17d)靠近地板端具有重叠部分(18d)，重叠部分(18a)与叠部分(18b)、重叠部 分(18c)以及重叠部分(18d)称为双带线结构；本MIMO天线阵特征在于将地板(14) 分别靠近重叠部分(18a)与叠部分(18b)、重叠部分(18c)以及重叠部分(18d)，对应设置 阻抗匹配结构(21a)、阻抗匹配结构(21b)、阻抗匹配结构(21c)和阻抗匹配结构(21d)。
优选的，所述介质基板(11)采用相对介电常数为1-100，厚度0.2-5mm的介质 基板。
具体的，所述阻抗匹配结构(21a)、阻抗匹配结构Qlb)、阻抗匹配结构(21c) 和阻抗匹配结构(21d)即为将靠近双带线结构(18a)与双带线结构(18b)、双带线结构 (18c)以及双带线结构(18d)的矩形地板区域减去。
与已有的四单元MIMO天线阵比较，本发明通过采用上述双带线结构和阻抗匹 配结构，在对各天线单元间的隔离度影响很小的情况下，大幅度地改善阻抗匹配，使得 MIMO天线单元最大程度地保留原有的宽阻抗带宽，适当地调整双带线结构和阻抗匹配 结构，就可以得到很好的阻抗带宽，而隔离度受到的影响很小。这是因为阻抗匹配结构 给本质为电感性的天线单元带来了额外的电容，有效的减小(抵消)了互耦对回波损耗的 影响。换句话说，也就是本设计可以独立地调整阻抗带宽。故天线单元能在小尺寸的情 况下，得到很好的阻抗带宽，使得该种天线单元成为MIMO天线阵元的最佳选择。
作为优选的技术方案，所述辐射单元(16a)、辐射单元(1 )、辐射单元(16c) 和辐射单元(16d)分别通过微带线(120a)、微带线(120b)、微带线(120c)和微带线 (120d)由馈电端口(19a)、馈电端口(19b)、馈电端口(19c)和馈电端口(19d)直接进行馈电；所述辐射单元(17a)、辐射单元(17b)、辐射单元(17c)和辐射单元(17d)分 别经由过孔(121a)、过孔(121b)、过孔(121c)和过孔(121d)与微带线(120a)、微带 线(120b)、微带线(120c)和微带线(120d)相连接；其中，在天线单元(15a)与天线 单元(15b)之间的地板(14)区域设置有隔离结构(31a)，在天线单元(15c)与天线单元 (15d)之间的地板(14)区域设置有隔离结构(31b)，隔离结构(31a)由细缝(33a)、细缝 (33b)，以及位于细缝(33a)、细缝(33b)之间的金属带(32a)组成，而隔离结构(31b)由 细缝(3北)、细缝(33d)，以及位于细缝(3 )、细缝(33d)之间的金属带(32b)组成，所 述金属带(32a)和金属带(32b)均延伸出地板(14)端面一定长度。
隔离结构(31a)中细缝(33a)、细缝(33b)的作用是阻碍地板(14)表面电流在馈 电端口(19a)、馈电端口(19b)之间形成互流，从而减小因为地板表面波引起的互耦。隔 离结构(31a)的创新点在于金属带(32a)的长度大于细缝(33a)、细缝(33b)的长度。它 把放置在其两边的天线单元(15a)与天线单元(15b)进行空间隔离，有利于减小因为空间 波引起的互耦，从而有利于减少或避免天线单元(15a)与天线单元(15b)相互之间的耦合 影响，也即减少|S12|和|S21|，其中|S12|表示天线单元(15b)对天线单元(15a)的耦合影响， 其中|S21|表示天线单元(15a)对天线单元(15b)的耦合影响。而隔离结构(31b)的原理 及作用与隔离结构(31a)类似，能同时减少或避免天线单元(15c)与天线单元(15d)相互 之间因为地板表面波和空间波引起的互耦，也即减少|S34|和|S43|，其中|S34|表示天线单元 (15d)对天线单元(15c)的耦合影响，其中|S43|表示天线单元(15c)对天线单元(15d)的 耦合影响。本申请定义如下ISrniI表示天线单元η的回波损耗的模，|Smn|表示天线单元 η对天线单元m的耦合的模，其中，m、η均取1 4，1 4依次代表天线单元(15a)、 (15b)、 (15c)和(15d)。
因为天线单元(15a)与(15d)，以及天线单元(15c)与天线单元(15b)相隔较 远，它们之间的互耦较小，故在本发明中无需考虑它们之间的相互影响。为了减少或避 免天线单元(15a)与天线单元(1 )，以及天线单元(15b)与天线单元(15b)之间的互 耦，本发明中，所述地板(14)的中央区域设置有隔离结构01)。本发明可通过设置上述 3个隔离结构，提高了某两个指定天线单元间的隔离度，可以独立地调整相应的隔离结构 的尺寸。也就是说，本发明的隔离度是独立可控。
优选的技术方案，所述隔离结构Gl)具体是在地板(14)的中央区域设置成十字 架状，该十字架状的上下左右为空缺口。
本发明相比现有技术具有以下优点及有益效果
1、与已有的四单元MIMO天线阵比较，而本发明引入双带线结构和阻抗匹配结 构，有效地改善阻抗带宽。适当地调整双带线结构和阻抗匹配结构，就可以得到很好的 阻抗带宽，而隔离度受到的影响很小。换句话说，也就是本设计可以独立地调整阻抗带觅ο
2、与已有的四单元MIMO天线阵比较，本发明引入了两种提高隔离度的结构， 这两种结构之间的相互影响小，它们对回波损耗的影响也很小。提高某两个指定天线单 元间的隔离度，可以独立地调整相应的隔离结构的尺寸。也就是说，本发明的隔离度是 独立可控。
3、与已有的四单元MIMO天线阵比较，本发明具有更宽的阻抗带宽，更好的隔离度，更小的尺寸，更简单的结构，从而可以降低生产成本，适用于各种多功能小型手 持设备系统中。
图1是传统的地板四单元MIMO天线阵结构示意图2是图1所示的四单元MIMO天线阵频率响应的电磁仿真曲线，图中□□口 表示IS11I曲线，〇〇〇表示IS21I曲线，ΔΔΔ表示IS31I曲线，***表示|S41|曲线；
图3是实施例1所述加入阻抗匹配结构的四单元MIMO天线阵结构示意图4是图3所示的四单元MIMO天线阵频率响应的电磁仿真曲线，图中□□口 表示IS11I曲线，〇〇〇表示IS21I曲线，ΔΔΔ表示IS31I曲线，***表示|S41|曲线；
图5是实施例2中在图3基础上加入隔离结构(31a)、(31b)的四单元MIMO天 线阵结构示意图6是图5中所示的四单元MIMO天线阵频率响应的电磁仿真曲线，口 □□表 示IS11I曲线，〇〇〇表示IS21I曲线，ΔΔΔ表示IS31I曲线，***表示|S41|曲线;
图7是实施例3在图5基础上加入隔离结构Gl)的四单元MIMO天线阵结构示 意图8是图7所示的四单元MIMO天线阵频率响应的电磁仿真曲线，□口 □表示 IS11I曲线，〇〇〇表示IS21I曲线，ΔΔΔ表示IS31I曲线，***表示|541|曲线。
其中(11)为相对介电常数为1-100，厚度0.2-5mm的介质基板，(12)为介质 基板背面，(13)为介质基板正面，(14)为印制在介质基板背面(12)的地板，(15a)、 (15b) > (15c)和(15d)分别为 ΜΙΜΟ 天线阵的天线单元，(16a) > (16b) > (16c)和(16d) 分别为印制在介质基板正面(13)的辐射单元，(17a)、(17b)、(17c)和(17d)分别为 印制在介质基板背面(12)的辐射单元；(18a)、(18b)、(18c)和(18d)分别为辐射单 元(16a)、(16b)、(16c)和(16d)，与辐射单元(17a)、(17b)、(17c)和(17d)重叠的 部分，即双带线结构；(19a)、(19b)、(19c)、(19d)分别为四个天线单元的馈电端口， (120a)、(120b)、(120c)、(120d)分别为 50 欧姆微带线，(121a)、(121b)、(121c)、 (121d)分别为辐射单元(17a)、(17b)、(17c)和(17d)的馈电过孔；(21a)、(21b) > (21c)和(21d)分别为对应天线单元(15a)、(15b)、(15c)和(15d)的阻抗匹配结构； (31a)、(31b)为第一种隔离结构，(32a)为隔离结构(31a)的金属带，(32b)为隔离结构 (31b)的金属带;(33a)、(33b)为隔离结构(31a)的两条隙缝;(33c)、(33d)为隔离结 构(31b)的两条隙缝；Gl)为第二种隔离结构，G2)为第一个谐振点，G3)为第二个谐 振点，G4)为第三个谐振点，05)为第四个谐振点，G6)为第五个谐振点。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不 限于此。
实施例1
如图3所示的四单元MIMO天线阵的结构，它包含了包括相对介电常数为 1-100，厚度0.2-5mm的介质基板(11)以及MIMO天线的天线单元(15a)、天线单元(15b),天线单元(15c)和天线单元(15d)，其中，所述介质基板(11)的背面为(12)和正 面为(13)，地板(14)印制在介质基板背面(12)；天线单元(15a)、天线单元(15b)、天 线单元(15c)和天线单元(15d)分别设置有印制在介质基板正面(13)的辐射单元(16a)、 辐射单元(16b)、辐射单元(16c)和辐射单元(16d)，以及分别设置有印制在介质基板背 面(1 的辐射单元(17a)、辐射单元(17b)、辐射单元(17c)和辐射单元(17d)，辐射单 元(16a)与辐射单元(17a)靠近地板端具有重叠部分(18a)，辐射单元(16b)与辐射单元 (17b)靠近地板端具有重叠部分(18b)，辐射单元(16c)与辐射单元(17c)靠近地板端具 有重叠部分(18c)，辐射单元(16d)与辐射单元(17d)靠近地板端具有重叠部分(18d)， 重叠部分(18a)与叠部分(18b)、重叠部分(18c)以及重叠部分(18d)即是所述双带线结 构。该四单元MIMO天线阵特征在于将地板(14)分别靠近重叠部分(18a)与叠部分 (18b)、重叠部分(18c)以及重叠部分(18d)，对应设置有阻抗匹配结构(21a)、阻抗匹配 结构Olb)、阻抗匹配结构(21c)和阻抗匹配结构(21d)。
所述阻抗匹配结构(21a)、阻抗匹配结构Qlb)、阻抗匹配结构(21c)和阻抗匹 配结构(21d)即为将靠近重叠部分(18a)与叠部分(18b)、重叠部分(18c)以及重叠部分 (18d)的地板(14)区域的矩形空缺部分。
所述辐射单元(16a)、辐射单元(1 )、辐射单元(16c)和辐射单元(16d)分 别通过微带线(120a)、微带线(120b)、微带线(120c)和微带线(120d)与由馈电端口 (19a)、馈电端口(19b)、馈电端口(19c)和馈电端口(19d)直接进行馈电；所述辐射单 元(17a)、辐射单元(17b)、辐射单元(17c)和辐射单元(17d)分别通过过孔(121a)、过 孔(121b)、过孔(121c)和过孔(121d)与微带线(120a)、微带线(120b)、微带线(120c) 和微带线(120d)相连接；
从图4可以观察到，上述MIMO天线阵的回波损耗得到了极大地改善，但是各 天线单元间的隔离度与图1所示的四单元MIMO天线阵相比较，变化不大。适当地调整 阻抗匹配结构的尺寸，MIMO天线阵就可以得到很好的阻抗带宽。
实施例2
为了减小S2KS12，S43，S34)，本发明采用了隔离结构(31a)和(31b)，如图5 所示。隔离结构(31a)由一条金属带(32a)和两条细缝(33a)、(33b)组成。细缝(33a)、 (33b)的作用是阻碍地板(14)表面电流从一个馈电端口流向另一个馈电端口，从而减小 因为地板表面波引起的互耦。隔离结构(31a)的创新点在于金属带(32a)的长度大于细 缝(33a)、(33b)的长度。它把放置在其两边的天线单元(15a)、(15b)进行空间隔离， 而隔离结构(31b)的原理及作用与隔离结构(31a)类似，能同时减小地板表面波与空间波 引起的互耦。比较频率响应的电磁仿真曲线图4和图6，可以清晰地看到隔离结构(31a) 和(31b)能够有效地减小|S21| (|S21|，|S43|, |S34|),然而回波损耗受到的影响很小。适当地 调整隔离结构(31a)和(31b)的尺寸，可以得到理想的|S21|(|S21|，|S43|，|S34|)值。
实施例3
为了减小|S31|(|S13|，|S42|, IS24P，如图7所示的隔离结构Gl)被应用。此时， 本发明涉的具有可控性的小型宽带高隔离度四单元MIMO天线阵设计完毕。因为天线单 元(15a)与(15d)相隔较远，它们之间的互耦较小，故在本发明中无需考虑它们之间的相 互影响。比较频率响应的电磁仿真曲线图6和8，明显看到隔离结构Gl)的作用是大幅度地减小|S31| (|S13|，|S42|, IS24P，然而它的引入对回波损耗和|S21| (|S21|，|S43|, IS34P的 影响可以忽略。
所以，本实施例中小型宽带高隔离度的四单元MIMO天线阵包含双带状机构、 阻抗匹配结构，两个隔离结构。通过调整阻抗匹配结构的尺寸，实现宽阻抗带宽；隔 离结构(3I)和隔离结构Gl)分别独立地减小IS21I (|S21|，|S43|, IS34P和|S31| (|S13|，IS42I, IS24D。本实施例的仿真和实测响应曲线如图8所示。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例 的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组 合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.小型宽带高隔离度的四单元MIMO天线阵，其特征在于包括介质基板(11)以及 MIMO天线的天线单元(15a)、天线单元(15b)、天线单元(15c)和天线单元(15d)，其 中，所述介质基板(11)包括介质基板背面(12)和介质基板正面(13)，地板(14)印制在 介质基板背面(12)；所述天线单元(15a)、天线单元(15b)、天线单元(15c)和天线单元(15d)结构相同， 位于天线单元(15a)、(15b)、(15c)和(15d)的正下方没有设置地板；天线单元(15a) 和天线单元(15b)反向、平行地放置在介质基板(11) 一端；天线单元(15c)和天线单元 (15d)反向、平行地放置在介质基板(11)的另一端；天线单元(15a)与天线单元(15c) 形成反向平行结构；天线单元(15b)与天线单元(15d)形成反向平行结构；天线单元 (15a)、天线单元(15b)、天线单元(15c)和天线单元(15d)分别设置有印制在介质基板正 面(13)的辐射单元(16a)、辐射单元(16b)、辐射单元(16c)和辐射单元(16d)，以及分 别设置有印制在介质基板背面(12)的辐射单元(17a)、辐射单元(17b)、辐射单元(17c) 和辐射单元(I7d)，辐射单元(16a)与辐射单元(17a)靠近地板端具有重叠部分(18a)， 辐射单元(16b)与辐射单元(17b)靠近地板端具有重叠部分(18b)，辐射单元(16c)与辐 射单元(17c)靠近地板端具有重叠部分(18c)，辐射单元(16d)与辐射单元(17d)靠近地 板端具有重叠部分(18d)，重叠部分(18a)与叠部分(18b)、重叠部分(18c)以及重叠部 分(18d)构成双带线结构；本MIMO天线阵特征在于将地板(14)分别靠近重叠部分 (18a)与叠部分(18b)、重叠部分(18c)以及重叠部分(18d)，对应设置有阻抗匹配结构 (21a)、阻抗匹配结构(21b)、阻抗匹配结构(21c)和阻抗匹配结构(21d)。
2.根据权利要求1所述的小型宽带高隔离度的四单元ΜΙΜΟ天线阵，其特征是所 述介质基板(11)采用相对介电常数为1-100，厚度0.2-5mm的介质基板。
3.根据权利要求1所述的小型宽带高隔离度的四单元MIMO天线阵，其特征是所 述阻抗匹配结构(21a)、阻抗匹配结构(21b)、阻抗匹配结构(21c)和阻抗匹配结构(21d) 即为将靠近重叠部分(18a)与叠部分(18b)、重叠部分(18c)以及重叠部分(18d)的地板 (14)区域设置为空缺状。
4.根据权利要求1所述的小型宽带高隔离度的四单元MIMO天线阵，其特征是所 述辐射单元(16a)、辐射单元(16b)、辐射单元(16c)和辐射单元(16d)分别通过微带线 (120a)、微带线(120b)、微带线(120c)和微带线(120d)由馈电端口(19a)、馈电端口 (19b)、馈电端口(19c)和馈电端口(19d)直接进行馈电；所述辐射单元(17a)、辐射单 元(17b)、辐射单元(17c)和辐射单元(17d)分别通过过孔(121a)、过孔(121b)、过孔 (121c)和过孔(121d)与微带线(120a)、微带线(120b)、微带线(120c)和微带线(120d) 相连接；其中，在天线单元(15a)与天线单元(15b)之间的地板(14)区域设置有隔离 结构(31a)，在天线单元(15c)与天线单元(15d)之间的地板(14)区域设置有隔离结构 (31b)，隔离结构(31a)由细缝(33a)、细缝(33b)，以及位于细缝(33a)、细缝(33b)之 间的金属带(32a)组成，而隔离结构(31b)由细缝(33c)、细缝(33d)，以及位于细缝 (33c)、细缝(33d)之间的金属带(32b)组成，所述金属带(32a)和金属带(32b)均延伸 出地板(14)端面一定长度。
5.根据权利要求1或3所述的小型宽带高隔离度的四单元MIMO天线阵，其特征是 所述地板(14)的中央区域设置有隔离结构(41)。
6.根据权利要求4所述的小型宽带高隔离度的四单元ΜΙΜΟ天线阵，其特征是所 述隔离结构(41)具体是在地板(14)的中央区域设置成十字架状，该十字架状的上下左右 为空缺口。
全文摘要
本发明提供一种小型宽带高隔离度的四单元MIMO天线阵，本发明通过采用上述双带线结构和阻抗匹配结构，在对各天线单元间的隔离度影响很小的情况下，大幅度地改善阻抗匹配，使得MIMO天线单元最大程度地保留原有的宽阻抗带宽，适当地调整双带线结构和阻抗匹配结构，就可以得到很好的阻抗带宽，而隔离度受到的影响很小。这是因为阻抗匹配结构和双带线结构为本质为电感性的天线单元带来了额外的电容，有效的减小(抵消)了互耦对回波损耗的影响。换句话说，也就是本设计可以独立地调整阻抗带宽。故天线单元能在小尺寸的情况下，得到很好的阻抗带宽，使得该种天线单元成为MIMO天线阵元的最佳选择。
文档编号H01Q1/48GK102025025SQ20101052666
公开日2011年4月20日 申请日期2010年10月29日 优先权日2010年10月29日
发明者李健凤, 褚庆昕 申请人:华南理工大学