一种双频四单元毫米波微带缝隙MIMO天线的制作方法

本发明涉及毫米波mimo天线，具体涉及一种双频四单元毫米波微带缝隙mimo天线。

背景技术：

自从20世纪80年代开始以来，无线通信系统得到了飞速的发展，从一开始(1g)系统承担的简单语音系统发展到目前先进的移动宽带多媒体系统(4g)。在全球互联网及移动通信的快速发展下，智能手机和平板电脑等移动设备的普及导致数据流量和移动设备连接的数量急剧增长，预计到2025年全球数据流量将到达目前200倍的增长，移动终端的数量将超过100亿台。面对信息数据的爆炸式发展，通信技术也已经不能满足仅仅改变人类的生活，而是要进一步改变人类的生产方式。4g是无法完成改变生产方式的使命，5g无线移动通信系统应运而生，5g无线移动通信系统可以提供目前技术(4g系统)1000倍的网络承载性能。

5g是4g的延伸和发展，具有更好的系统性能，包括：1)系统网络的网速将极大的提升；比目前的4g-lte区域容量扩大100倍和传输速率达到最低100mbit/s至几十gbit/s；2)系统网络具有非常可靠的低时延性能，满足大约往返1ms的时延；3)增强的移动宽带(实现超大带宽、超高容量)等等。天线技术仍然是5g无线移动通信系统中的重要组成部分，其性能对整个系统性能有重要影响。为了完成上述5g系统的功能，传统的天线技术无法满足要求，就天线技术而言，5g无线移动通信系统中的实现方式主要包括：一、多天线形式及大规模mimo技术增加了系统容量或者增加了通信区域内的基站数量；二、通过增加带宽，比如采用较高频的频带(如使用厘米波段、毫米波段的频谱资源)；三、这两种技术的结合。

毫米波是一种波长在1mm～10mm范围内的电磁波。相比于低频段微波，毫米波应用于无线通信系统中的重要优势是毫米波拥有相当大的可用带宽，而不利影响是空气中的水蒸气等会造成强烈的吸收。例如，在3～300ghz的频谱范围内，57ghz～64ghz是氧气吸收带，164ghz～200ghz是水蒸气吸收带，但是潜在的可用带宽仍然有252ghz。目前，己制定技术标准或正在研究的毫米波频段主要包括60ghz、28ghz、38ghz，中国制定的频带包括45ghz以及e波段。在60ghz频段内，全球无需许可即可使用的带宽可达7ghz～9ghz。

反观目前主要使用的无线通信技术，如超宽带技术，其有效带宽也仅仅1.5ghz，8002.11n技术的有效带宽约为660mhz，都远远小于60ghz毫米波通信所能使用的带宽。

mimo技术是一种能够在不增加额外带宽以及发射功率的前提下极大地提高无线通信系统数据传输速率和可靠性的技术。mimo技术能够有效地抑制无线移动通信系统中的多径衰落，其主要技术基础为分集技术，即频率分集、极化分集和方向图分集等。

mimo系统结构组成为在无线移动通信系统发射和接收端同时部署多部天线，建立多个并行且独立信道来提高数据传输速率。mimo技术是4g无线移动通信系统中关键技术之一，但是在4g系统中的mimo天线数量较少。5g系统中的mimo系统中天线数量会扩展为几十甚至上百个，大规模mimo天线能够通过小规模mimo天线扩展而来。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术中微带缝隙天线没有实现毫米波设计，工作频点不多，以及各单元天线端口隔离度不高的问题，提供一种双频四单元毫米波微带缝隙mimo天线，能够实现双频毫米波微带缝隙天线，以及各天线单元端口之间较高的隔离度。

为了实现上述目的，本发明双频四单元毫米波微带缝隙mimo天线有如下方案：

包括矩形介质基板，矩形介质基板的上表面设有四个相同结构的天线单元，矩形介质基板的下表面铺设金属接地板；天线单元包括印刷在矩形介质基板上表面的矩形金属臂，矩形金属臂短边与介质基板的边沿重合，矩形金属臂长边延伸至介质基板的上表面内部，金属接地板上刻蚀有t型结构缝隙，t型结构缝隙与矩形金属臂正交，t型头部靠近矩形介质基板边沿；四个天线单元关于矩形介质基板上表面中心呈90°旋转对称布置。

优选的，矩形介质基板材料为fr4，材料介电常数为4.4±5％，损耗角正切为0.02±2％。

优选的，所述的金属接地板是印刷于矩形介质基板下表面的铜或银质结构。

优选的，所述金属接地板的大小与矩形介质基板下表面的大小相同。

优选的，所述的t型结构缝隙的t型头部与其竖向身部的缝隙宽度相等。

优选的，t型结构缝隙的t型头部的长度为1±2％mm，宽度为0.2±2％mm，竖向身部的长度为5.5±5％mm，宽度为0.2±2％mm，矩形金属臂的长度为6±5％mm，矩形金属臂的宽度为0.2±2％mm，矩形介质基板的长度和宽度都为11±5％mm，厚度为0.6±2％mm。

优选的，所述的t型结构缝隙在矩形金属臂两侧的长度相等。

相较于现有技术，本发明有如下的有益效果：

1)基于变形缝隙的微带缝隙天线结构实现了毫米波天线设计，即缝隙结构毫米波天线；

2)该微带缝隙毫米波天线能够在两个频点实现谐振，即双频天线；

3)四单元微带缝隙mimo天线各单元天线端口间隔离度较高，即高隔离度mimo天线；

4)本发明的天线易于批量生产和电路集成，成本低，易于推广使用。

附图说明

图1本发明双频四单元毫米波微带缝隙mimo天线结构透视示意图；

图2本发明双频四单元毫米波微带缝隙mimo天线结构仰视示意图；

图3本发明双频四单元毫米波微带缝隙mimo天线结构俯视示意图；

图4本发明双频四单元毫米波微带缝隙mimo天线以一个天线单元为例通过数值仿真分析计算获得端口反射系数(s11、s22、s33和s44)随频率变化曲线图；

图5本发明双频四单元毫米波微带缝隙mimo天线通过数值仿真分析计算获得端口1和端口2、端口3、端口4间耦合系数(s12、s13、s14)随频率变化曲线图；

其中，图中的曲线a为端口1和端口2间耦合系数(s12)，曲线b为端口1和端口4间耦合系数(s14)，曲线c为端口1和端口3间耦合系数(s13)。

图6本发明双频四单元毫米波微带缝隙mimo天线通过数值仿真分析设计获得的端口2和端口3、端口4间的耦合系数(s23、s24)，端口3和端口4间的耦合系数(s34)随频率变化曲线图，其中，图中的曲线a为端口2和端口4间的耦合系数，曲线b为端口3和端口4间的耦合系数，曲线c为端口2和端口3间的耦合系数。

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。

参见图1～图3，本发明双频四单元毫米波微带缝隙mimo天线，包括矩形介质基板1，矩形介质基板1的上表面设有四个相同结构的天线单元，矩形介质基板1的下表面铺设金属接地板2；第一天线单元包括印刷在矩形介质基板1上表面的第一矩形金属臂10，第二天线单元包括印刷在矩形介质基板1上表面的第二矩形金属臂20，第三天线单元包括印刷在矩形介质基板1上表面的第三矩形金属臂30，第四天线单元包括印刷在矩形介质基板1上表面的第四矩形金属臂40，第一矩形金属臂10、第二矩形金属臂20、第三矩形金属臂30及第四矩形金属臂40的短边与介质基板1的边沿重合，第一矩形金属臂10、第二矩形金属臂20、第三矩形金属臂30及第四矩形金属臂40的长边延伸至介质基板1的上表面内部。在金属接地板2上刻蚀有第一t型结构缝隙11、第二t型结构缝隙21、第三t型结构缝隙31及第四t型结构缝隙41，第一t型结构缝隙11与第一矩形金属臂10正交，第二t型结构缝隙21与第二矩形金属臂20正交，第三t型结构缝隙31与第三矩形金属臂30正交，第四t型结构缝隙41与第四矩形金属臂40正交，t型结构缝隙的t型头部均靠近矩形介质基板1的边沿；四个天线单元关于矩形介质基板1上表面中心呈90°旋转对称布置。

如图1所示，选择一块矩形介质基板，该基板有一定厚度，矩形的两个边可以相等或者不相等，组成材料为fr4，材料介电常数为4.4±5％，损耗角正切为0.02±2％。介质基板1的下表面全部敷金属，形成接地板。介质基板的上表面上边缘右侧，印刷一矩形金属臂，该金属臂竖直放置，上侧短边与介质基板上表面边沿重合。介质基板下表面右上侧区域刻蚀一个矩形缝隙，该矩形缝隙与上表面矩形金属臂正交，并且矩形缝隙左右两侧关于上表面矩形金属臂呈轴对称。矩形金属臂靠近介质基板边缘一侧，刻蚀一个较小的缝隙，最终使该缝隙成为一个“t”型结构缝隙。上述矩形金属臂、“t”型缝隙，再加上共用介质基板和共用矩形金属板，组成了一个单元天线。在介质基板的上表面右侧边沿下半区域、下侧边沿左半区域和右侧边沿上边区域分别印刷三个相同的金属臂。在下表面接地板的右下侧区域、左下侧区域和左上侧区域分别刻蚀相同的“t”型缝隙。上述结构共同组成本发明的mimo天线。

本发明双频四单元毫米波微带缝隙mimo天线的制备过程如下：

如图1所示，选择长度和宽度相等，都为11±5％mm，厚度为0.6±2％mm的fr4介质板为本发明设计天线的介质基板，介质板下表面全部敷铜，形成本发明天线的金属接地板。介质基板上表面上边沿右侧印刷一个长度6±5％mm、宽度0.2±2％mm的金属臂，该金属臂右侧边沿距离介质基板右边界3.4±5％mm。介质基板下表面右上侧区域刻蚀一个矩形缝隙，长5.5±5％mm，宽0.2±2％mm，该矩形缝隙与金属臂正交。矩形缝隙右侧刻蚀一个长1±2％mm，宽0.2±2％mm的短缝隙，将矩形缝隙变为一个“t”型缝隙。本发明的天线单元就是由矩形金属臂、“t”型缝隙、介质基板和接地板组成，即天线单元是一个微带缝隙天线。在介质基板右下侧区域、左下侧区域和左上侧区域分别印刷、刻蚀相同的结构。分别组成第二天线单元、第三单元天线和第四单元天线。以介质基板上表面中心点法线为轴，第一天线单元旋转π/2就得第二天线单元，继续旋转π/2就得第三单元天线，旋转-π/2就得第四单元天线。

利用三维电磁仿真软件hfss对本发明四单元毫米波微带缝隙天线进行仿真分析得四个端口反射系数(s11、s22、s33、s44)随频率变化曲线，参见图4，该mimo天线中每个单元天线都能够在两个频点处谐振，13.17±4％ghz～14.73±4％ghz和22.10±4％ghz～23.73±4％ghz。而且四个单元天线端口间的耦合系数(s12、s13、s14、s23、s24、s34)在两个工作频带内都小于-15±0.5db，如图5、图6，能够满足mimo无线系统对天线的要求。