一种新型双波束定向辐射MIMO贴片天线及移动终端的制作方法

本实用新型涉及射频天线技术领域，特别是涉及一种新型双波束定向辐射MIMO贴片天线及移动终端。

背景技术：

未来MIMO(Mitiple-Input Mitiple-Output)天线系统要实现安全性更好的超高速数据传输，需要具有以下优点：空间分辨率显著提高，深度挖掘空间维度资源；更窄的波束，更高的增益，更小发射功率损耗，更强的系统抗干扰能力。

目前，MIMO天线的多波束均是指不同MIMO天线单元或者MIMO天线子模块具有不同方向的定向波束，通过射频后端的波束赋形网络或相移器或开关，进行波束扫描，以扩大MIMO天线的有效覆盖区域，但是这些方法对于移动终端而言是不可取的，因为采用具有多个高增益波束的天线作为5G移动终端MIMO天线的单元天线，需要克服波束赋形网络所带来的问题。但是，克服波束赋形网络，需要在单元天线同时覆盖多个不同方向的空间区域，在保持同等空、时、频复用率和系统的容量的前提下，合理地减小MIMO天线的单元数，降低系统波束校正的难度，降低5G移动终端MIMO天线的设计难度，此外，还要减小5G移动终端MIMO天线单元之间由于空间波/近场引发的互耦，降低解耦难度。

另一方面在无线通信系统中，天线与带通滤波器是两个关键器件，它们性能的优劣直接决定了整个系统的可通讯能力的好坏。如今，移动终端多样性和个性特色的发展，尤其在便捷性能方面的发展，促进了天线和滤波器更加趋于小型和集成设计。将天线与滤波器集成设计成滤波天线，不仅省去传统设计中匹配电路部分，减小系统尺寸，而且同时具有天线辐射特性与通带滤波器的高带外抑制能力，从总体上提高了无线通信系统的性能。

但是现有技术中，天线与滤波器的集成设计，需要引入额外的滤波电路，导致额外的插损，天线的增益与辐射效率会随之降低。

由此可见，如何实现MIMO天线在多波束和滤波方面的综合改善是本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种新型双波束定向辐射MIMO贴片天线及移动终端，用于实现MIMO天线在多波束和滤波方面的综合改善。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种新型双波束定向辐射MIMO贴片天线，包括第一基板、印制在所述第一基板背面的地板、放置于所述第一基板正面的多个双波束单元天线，所述双波束单元天线具体包括置于所述第一基板正面的第二基板、印制在所述第二基板正面的金属贴片，所述金属贴片上印制有第一T型缝隙和第二T型缝隙、印制在所述第二基板背面且位于所述金属贴片的轴线的正下方的金属带、所述金属贴片和所述金属带之间贯穿有同轴内导体、同轴外导体、连接于所述第二基板背面和所述地板之间的第一金属探针和第二金属探针；

其中，所述第一T型缝隙和所述第二T型缝隙关于所述轴线对称，所述第一金属探针和所述第二金属探针关于所述轴线对称，且对称分布于所述第一T型缝隙和所述第二T型缝隙的两侧，所述双波束单元天线工作模式为TM₀₂。

优选地，所述第一金属探针的延长线与所述金属贴片的交点、所述第二金属探针的延长线与所述金属贴片的交点以及所述金属贴片的中心在同一线上。

优选地，所述双波束单元天线的数量为4个，相邻的所述双波束单元天线相互垂直且对称放置于所述第一基板正面。

优选地，所述金属贴片为矩形。

优选地，所述金属带为矩形。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种移动终端，包括所述的新型双波束定向辐射MIMO贴片天线。

优选地，所述移动终端为平板电脑或笔记本电脑。

本实用新型所提供的新型双波束定向辐射MIMO贴片天线，金属带通过耦合的方式对金属贴片进行馈电，双波束单元天线在低频产生了一个额外的谐振，使得天线的低频截止频率往低频偏移；两个对称的T型缝隙的引入使得双波束单元天线在高频产生了一个额外的谐振，天线的高频截止频率往高频偏移。金属带和两个对称的T型缝隙的应用拓宽了天线的工作带宽。此外，金属带的引入使得天线的阻抗匹配频率低于工作带宽低频截止频率的低频频域内急剧变差，两个对称的T型缝隙和两个对称放置的金属探针的引入，使得天线的阻抗匹配在频率高于工作带宽高频截止频率的高频频域内急剧变差。因此，在天线的工作带宽外的频域，其回波损耗急剧变大，增益急剧下降，具有滤波性能，且不需要引入复杂的滤波电路可以克服由于引入额外的滤波电路所带来的额外插损，天线增益和辐射效率降低的问题，且占用空间较小；另外，通过单元天线的定向双波束辐射特性，有利于减小空间波引起的互耦，可以不需要任何解耦网络，隔离度较高；最后，该天线结构简单，可以降低生产成本。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种新型双波束定向辐射MIMO贴片天线的侧视图；

图2为本实用新型实施例提供的一种新型双波束定向辐射MIMO贴片天线的俯视图；

图3为本实用新型实施例提供的一种双波束单元天线的侧视图；

图4为本实用新型实施例提供的一种双波束单元天线的俯视图；

图5为本实用新型实施例提供的新型双波束定向辐射MIMO贴片天线对应的S参数图；

图6为本实用新型实施例提供的新型双波束定向辐射MIMO贴片天线的增益的频率响应曲线示意图；

图7为本实用新型实施例提供的新型双波束定向辐射MIMO贴片天线在三个频率点的辐射方向图；

图8为本实用新型实施例提供的双波束单元天线对应的回波损耗图；

图9为本实用新型实施例提供的双波束单元天线的增益的频率响应曲线示意图；

图10为本实用新型实施例提供的双波束单元天线在三个频率点的辐射方向图；

附图标记如下：1为第一基板、2为第一基板正面、3为第一基板背面、4为地板、5A为双波束单元天线1中的第二基板，6A为双波束单元天线1中的第二基板正面、7A为双波束单元天线1中的第二基板背面、8A为双波束单元天线1中的金属贴片、9A为双波束单元天线1中的金属带、10A为双波束单元天线1中的同轴内导体、11A为双波束单元天线1中的同轴外导体、12A为双波束单元天线1中的第一金属探针、13A为双波束单元天线1中的第二金属探针、14A为双波束单元天线1中的第一T型缝隙、15A为双波束单元天线1中的第二T型缝隙、5B为双波束单元天线2中的第二基板，6B为双波束单元天线2中的第二基板正面、7B为双波束单元天线2中的第二基板背面、8B为双波束单元天线2中的金属贴片、9B为双波束单元天线2中的金属带、10B为双波束单元天线2中的同轴内导体、11B为双波束单元天线2中的同轴外导体、12B为双波束单元天线2中的第一金属探针、13B为双波束单元天线2中的第二金属探针、14B为双波束单元天线2中的第一T型缝隙、15B为双波束单元天线2中的第二T型缝隙、5C为双波束单元天线3中的第二基板，6C为双波束单元天线3中的第二基板正面、7C为双波束单元天线3中的第二基板背面、8C为双波束单元天线3中的金属贴片、9C为双波束单元天线3中的金属带、10C为双波束单元天线3中的同轴内导体、11C为双波束单元天线3中的同轴外导体、12C为双波束单元天线3中的第一金属探针、13C为双波束单元天线3中的第二金属探针、14C为双波束单元天线3中的第一T型缝隙、15C为双波束单元天线3中的第二T型缝隙、5D为双波束单元天线4中的第二基板，6D为双波束单元天线4中的第二基板正面、7D为双波束单元天线4中的第二基板背面、8D为双波束单元天线4中的金属贴片、9D为双波束单元天线4中的金属带、10D为双波束单元天线4中的同轴内导 体、11D为双波束单元天线4中的同轴外导体、12D为双波束单元天线4中的第一金属探针、13D为双波束单元天线4中的第二金属探针、14D为双波束单元天线4中的第一T型缝隙、15D为双波束单元天线4中的第二T型缝隙。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护范围。

本实用新型的核心是提供一种新型双波束定向辐射MIMO贴片天线及移动终端，用于实现MIMO天线在多波束和滤波方面的综合改善。

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

图1为本实用新型实施例提供的一种新型双波束定向辐射MIMO贴片天线的侧视图。图2为本实用新型实施例提供的一种新型双波束定向辐射MIMO贴片天线的俯视图。图3为本实用新型实施例提供的一种双波束单元天线的侧视图。图4为本实用新型实施例提供的一种双波束单元天线的俯视图。

如图1或图2所示，新型双波束定向辐射MIMO贴片天线包括第一基板1、印制在第一基板背面3的地板4、放置于第一基板正面2的多个双波束单元天线(图1和图2中的双波束单元天线的数量为4个)。在具体实施中，双波束单元天线的数量可以灵活选取，图1和图2只是一种具体的应用场景。每个双波束单元天线的结构是相同的，为了区分不同的双波束单元天线，同一个部件利用不同的标号表示，例如，双波束单元天线1中的第二基板用5A表示，而双波束单元天线2中的第二基板用5B表示，其它部件类似。各双波束单元天线工作模式为TM₀₂。

如图3或图4所示，双波束单元天线1具体包括置于第一基板正面2的第二基板5A、印制在第二基板正面6A的金属贴片8A，金属贴片8A上印制有第一T型缝隙14A和第二T型缝隙15A、印制在第二基板背面7A且位于 金属贴片8A的轴线的正下方的金属带9A、金属贴片8A和金属带9A之间贯穿有同轴内导体10A、同轴外导体11A、连接于第二基板背面7A和地板4之间的第一金属探针12A和第二金属探针13A。

其中，第一T型缝隙14A和第二T型缝隙15A关于轴线对称，第一金属探针12A和第二金属探针13A关于轴线对称且对称分布于第一T型缝隙14A和第二T型缝隙15A的两侧。

同样的，双波束单元天线2具体包括置于第一基板正面2的第二基板5B、印制在第二基板正面6B的金属贴片8B，金属贴片8B上印制有第一T型缝隙14B和第二T型缝隙15B、印制在第二基板背面7B且位于金属贴片8B的轴线的正下方的金属带9B、金属贴片8B和金属带9B之间贯穿有同轴内导体10B、同轴外导体11B、连接于第二基板背面7B和地板4之间的第一金属探针12B和第二金属探针13B。

其中，第一T型缝隙14B和第二T型缝隙15B关于轴线对称，第一金属探针12B和第二金属探针13B关于轴线对称且对称分布于第一T型缝隙14B和第二T型缝隙15B的两侧。

同样的，双波束单元天线3具体包括置于第一基板正面2的第二基板5C、印制在第二基板正面6C的金属贴片8C，金属贴片8C上印制有第一T型缝隙14C和第二T型缝隙15C、印制在第二基板背面7C且位于金属贴片8C的轴线的正下方的金属带9C、金属贴片8C和金属带9C之间贯穿有同轴内导体10C、同轴外导体11C、连接于第二基板背面7C和地板4之间的第一金属探针12C和第二金属探针13C。

其中，第一T型缝隙14C和第二T型缝隙15C关于轴线对称，第一金属探针12C和第二金属探针13C关于轴线对称且对称分布于第一T型缝隙14C和第二T型缝隙15C的两侧。

同样的，双波束单元天线4具体包括置于第一基板正面2的第二基板5D、印制在第二基板正面6D的金属贴片8D，金属贴片8D上印制有第一T型缝隙14D和第二T型缝隙15D、印制在第二基板背面7D且位于金属贴片8B的轴线的正下方的金属带9D、金属贴片8D和金属带9D之间贯穿有同轴内导体10D、同轴外导体11D、连接于第二基板背面7D和地板4之间的第一金属探针12D和第二金属探针13D。

其中，第一T型缝隙14D和第二T型缝隙15D关于轴线对称，第一金属探针12D和第二金属探针13D关于轴线对称且对称分布于第一T型缝隙14D和第二T型缝隙15D的两侧。

需要说明的是，由于对称放置，从侧面看在双波束单元天线1中，同轴内导体10A、第一金属探针12A和第二金属探针13A重叠在一起，形成一个整体。双波束单元天线2和双波束单元天线3重叠在一起，形成一个整体：双波束单元天线2的第二基板5B和双波束单元天线3的第二基板5C重叠在一起，形成一个整体；双波束单元天线2的第二基板5B的正面6B和双波束单元天线3的第二基板5C的正面6C重叠在一起，形成一个整体；双波束单元天线2的第二基板5B的背面7B和双波束单元天线3的第二基板5C的背面7C重叠在一起，形成一个整体；双波束单元天线2的金属贴片8B和双波束单元天线3的金属贴片8C重叠在一起，形成一个整体；双波束单元天线2的金属带9B和双波束单元天线3的金属带9C重叠在一起，形成一个整体；双波束单元天线2的同轴内导体10B和双波束单元天线3的同轴内导体10C重叠在一起，形成一个整体；双波束单元天线2的同轴外导体11B和双波束单元天线3的同轴内导体11C重叠在一起，形成一个整体；双波束单元天线2的第一金属探针12B和双波束单元天线3的第一金属探针12C重叠在一起，形成一个整体；双波束单元天线2的第二金属探针13B和双波束单元天线3的第二金属探针13C重叠在一起，形成一个整体；在双波束单元天线4中，同轴内导体10D、第一金属探针12D和第二金属探针13D重叠在一起，形成一个整体。

作为优选地实施方式，金属贴片为矩形。对于矩形的尺寸可以根据实际情况选取，本实施例不再赘述。

作为优选地实施方式，金属带为矩形。对于矩形的尺寸可以根据实际情况选取，本实施例不再赘述。

已有的滤波贴片天线，实现高频率选择性的主要方法是通过将滤波器和天线进行集成设计，设计过程要同时兼顾滤波电路和天线的性能，结构比较复杂，会引入插入损耗，天线的增益与效率比较低，而且设计过程麻烦。本实用新型中，通过金属带为贴片天线引入了额外的电容，可认为是一个分布式的电容器，可以抑制由同轴馈电过程中，同轴内导体引入的电感所导致的 阻抗失配；印制在第二基板正面的金属贴片上的两个对称的T型缝隙，也可视为分布式电容；两个金属探针，对天线工作带宽的高频截止频率附近的频率而言，相当于一个分布电感器。金属带的引入，一方面使得贴片天线在低频产生一个额外的谐振，拓宽贴片天线的低频工作带宽；另一方面使得双波束单元天线的阻抗在工作带宽的低频截止频率处发生急剧的变化，低于工作带宽低频截止频率点的频域，阻抗匹配急剧变差，天线增益急剧下降。两个对称的T型缝隙和两个对称放置的金属探针的引入，一方面使得天线在高频产生一个额外的谐振，拓宽天线的高频工作带宽；另一方面使得天线的阻抗在工作带宽的高频截止频率处发生急剧的变化，高于工作带宽高频截止频率的高频频域，阻抗匹配急剧变差，天线增益急剧下降。因此，本实用新型涉及的新型双波束定向辐射MIMO贴片天线具有宽带、滤波的性能。此外，由于双波束单元天线的工作模式选择为TM₀₂模，而且结构采用完全对称的形式，所以天线产生完全对称的双波束定向辐射特性，定向辐射的特性可用于抑制MIMO贴片天线之间由于空间波引起的互耦，以达到不需要引入解耦网络就可以获得高隔离度的目的。

因此，本实施例提供的新型双波束定向辐射MIMO贴片天线，具有滤波性能，且不需要引入复杂的滤波电路，可以克服由于引入额外的滤波电路所带来的额外插损，天线增益和辐射效率降低的问题，且占用空间较小；另外，通过合理放置双波束单元天线，使得相邻的双波束单元天线的辐射方向相互垂直，可以不需要任何解耦网络，就获得高隔离度；最后，该天线结构简单，可以降低生产成本。

在上述实施例的基础上，第一金属探针的延长线与金属贴片的交点、第二金属探针的延长线与金属贴片的交点以及金属贴片的中心在同一线上。

如图1-4所示，双波束单元天线1中的第一金属探针12A的延长线与金属贴片8A的交点、第二金属探针13A的延长线与金属贴片8A的交点、以及金属贴片8A的中心在同一线上。双波束单元天线2中的第一金属探针1B的延长线与金属贴片8B的交点、第二金属探针13B的延长线与金属贴片8B的交点、以及金属贴片8B的中心在同一线上。双波束单元天线3中的第一金属探针1C的延长线与金属贴片8C的交点、第二金属探针13C的延长线与金属 贴片8C的交点、以及金属贴片8C的中心在同一线上。双波束单元天线4中的第一金属探针1D的延长线与金属贴片8D的交点、第二金属探针13D的延长线与金属贴片8B的交点、以及金属贴片8D的中心在同一线上。

作为优选地实施方式，双波束单元天线的数量为4个，相邻的双波束单元天线相互垂直且对称放置于第一基板正面4。

如图1-4所示，双波束单元天线1、双波束单元天线2、双波束单元天线3和双波束单元天线4中，双波束单元天线1和双波束单元天线2、双波束单元天线3垂直相邻放置，双波束单元天线1和双波束单元天线4平行放置，双波束单元天线2和双波束单元天线3也是平行放置。各双波束单元天线均关于第一基板正面4的中心线对称。平行放置的双波束单元天线之间的空间距离比较远，有利于提高它们之间的隔离度。

为了验证本实用新型提供的新型MIMO贴片天线的各方面的性能，下文给出具体的仿真图。

图5为本实用新型实施例提供的新型双波束定向辐射MIMO贴片天线对应的S参数图。从图5中可以观察到，不需要引入任何的解耦结构，四个双波束单元天线之间的互耦就可以小于-20dB，也就是隔离度大于20dB。|Sii|≤-10dB,|Sij|≤-20dB的阻抗带宽为4.90-6.115GHz，频率选择度(-10dB带宽/-3dB带宽)约为81％，由此可见该天线具有很好的滤波特性。

图6为本实用新型实施例提供的新型双波束定向辐射MIMO贴片天线的增益的频率响应曲线示意图。需要说明的是，图6所示的增益的频率响应曲线，是由双波束单元天线1激励，其它三个双波束单元天线接50欧姆匹配负载所得，因为四个双波束单元天线完全对称，所以它们的增益频率响应曲线完全一致，这里只给出了双波束单元天线1的增益频率响应曲线。从图6可以看出，带内增益基本保持不变，约为8.3dBi，带外增益迅速衰减，带外抑制水平约为13.5dB，再次证明该天线具有很好的滤波特性。

图7为本实用新型实施例提供的新型双波束定向辐射MIMO贴片天线在三个频率点的辐射方向图。从图中可以看出，该天线具有双波束的高增益定向辐射。需要说明的是，图7所示的辐射方向图，是由双波束单元天线1激励，其它三个双波束单元天线接50欧姆匹配负载所得。

图8为本实用新型实施例提供的双波束单元天线对应的回波损耗图。图9为本实用新型实施例提供的双波束单元天线的增益的频率响应曲线示意图。如图所示，该天线单元|S₁₁|≤-10dB的阻抗带宽为4.879-6.192GHz，该天线单元的频率选择度(-10dB带宽/-3dB带宽)为85.5％，带宽增益基本保持不变，约为8.5dBi,带外增益迅速衰减。

图10为本实用新型实施例提供的双波束单元天线在三个频率点的辐射方向图。可以看到该天线单元具有双波束高增益定向辐射特性。

通过比较图5与图8，图6与图9，图7与图10，可以看到，本实用新型提出的双波束MIMO贴片天线中双波束单元天线的性能与单个天线系统的双波束单元天线的性能，几乎保持一致。

在上述实施例中，详细描述了新型双波束定向辐射MIMO贴片天线的结构及工作原理，本实用新型再此基础上，还提供一种移动终端，该移动电源包括上述实施例所述的新型双波束定向辐射MIMO贴片天线。

由于新型双波束定向辐射MIMO贴片天线的实施例在上文中进行了描述，因此，本实施例不再赘述。通过将新型双波束定向辐射MIMO贴片天线与移动终端本体中的相关器件进行连接，实现通信的功能。

本实施例提供的移动终端包括新型双波束定向辐射MIMO贴片天线，该天线具有滤波性能，且不需要引入复杂的滤波电路，可以克服由于引入额外的滤波电路所带来的额外插损，天线增益和辐射效率降低的问题，且占用空间较小；另外，通过合理放置双波束单元天线，使得相邻的双波束单元天线的辐射方向相互垂直，可以不需要任何解耦网络，就获得高隔离度；此外，金属带通过耦合的方式对金属贴片进行馈电，使得天线在低频产生了一个额外的谐振，从而使得天线的低频截止频率往低频偏移，拓展了工作带宽，两个对称的T型缝隙，也使得天线在高频产生了一个额外的谐振，使得天线的高频截止频率往高频偏移，从而进一步拓宽天线的工作带宽；最后，该天线结构简单，可以降低生产成本。

在上述实施例的基础上，移动终端为平板电脑或笔记本电脑。

以上对本实用新型所提供的新型双波束定向辐射MIMO贴片天线及移动终端进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施 例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。