專利名稱：雙極化mimo天線陣的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及天線技術領域，具體涉及到一種有兩個天線單元的雙極化MIMO天線陣。
背景技術：
隨著無線通信高速向?qū)拵Ф喙δ芊较虬l(fā)展，頻譜資源的不足問題日益突出。如何充分開發(fā)利用有限頻譜資源和提高頻譜利用率，是當前通信界研究的熱點課題。為了在有限的頻帶上提高頻譜利用率，實現(xiàn)更高速率的數(shù)據(jù)傳輸，出現(xiàn)了 MMO技術，即多輸入多輸出技術。MIMO技術在發(fā)射端和接收端均采用多根天線進行收發(fā)，在不增加系統(tǒng)帶寬的情況下成倍的提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率，同時也能提高信道的可靠性，降低其誤碼率。采用MIMO技術能大大提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率，同時也能提高信道的可靠性，降 低誤碼率，它是下一代(后3G或4G)移動通信的關鍵技術，被視為未來的無線通信中最有競爭力的技術之一。隨著MMO技術的迅速發(fā)展，現(xiàn)在開始應用到無線局域網(wǎng)(WLAN)以提升性能，研究適用于WLAN的小型MIMO技術同時具有理論意義和實用價值。MIMO天線設計是MMO通信技術的三大關鍵技術之一。受到接收機或發(fā)射機尺寸及結構的限制，需要在有限的空間盡可能多地布置天線單元，對天線單元和天線陣列設計提出更高要求。因為天線單元的設計、陣列單元的數(shù)目、陣列結構以及排列方式等因素直接影響MMO信道的空間相關性。尤其是便攜式終端的天線對于天線數(shù)目與位置要求更高；如手機對其天線數(shù)目與間距要求尤為嚴格，其一其天線單元間距較大，必須具有分集功能；其二 各天線單元要盡可能接收來之各方面的散射波，這兩點常規(guī)分集天線均無法實現(xiàn)。迫切需要解決的問題是在有限的空間里使得陣列中各天線單元具有較小的相關性，使得MMO信道相應矩陣接近滿秩，并取得MMO系統(tǒng)最大容量。另外是在實際工程中天線應用面臨的一些問題，比如天線耦合、極化隔離、共形以及機體對天線性能的影響等。對于基站而言，因為可用空間大，多天線技術的應用容易得到實現(xiàn)，已有多種解決方案。但移動端MMO天線設計仍然是MMO技術發(fā)展以及應用的瓶頸，甚至可以說天線的發(fā)展制約著未來無線通信發(fā)展。由于MMO系統(tǒng)在收發(fā)兩端采用多天線技術，必然導致在收發(fā)兩端增加較多的射頻處理單元個數(shù)，射頻模塊的造價普遍相對昂貴，這顯然不利于MMO技術的商用化。另外802. Iln路由及網(wǎng)卡價格也相對較高，故到目前為止，MMO技術在商業(yè)化的蜂窩移動通信系統(tǒng)中還很少實現(xiàn)，在3G中的應用受到限制，在無線局域網(wǎng)802. Iln網(wǎng)絡中也未大規(guī)模覆蓋。在個人移動通信終端上，尤其是各種小型手持設備上，往往不允許放置太多的天線。要求天線結構更為緊湊、便于與設備集成，同時要求各個天線單元的組合能夠充分有效地利用空間多徑資源。目前適用于直接集成于移動終端上的天線，外置式天線有1/4波長單極天線、螺旋天線等；內(nèi)置式天線有微帶貼片天線、微帶縫隙天線、平面倒F天線(PIFA)等。帶有地板的微帶貼片天線具有良好的共形、低剖面、較理想的增益及較小的SAR，一直是MMO天線單元形式的首選，普遍用于便攜無線設備。手持設備需將多個天線集成在小空間中，會引起很大的互耦，天線的分集性能就隨之下降。如何減小天線單元間的耦合是MIMO天線設計的難點，目前一般方法是在地板上切割出細縫、采用EBG地板結構、加入反射單元和增加地板分支等。但是在有限的空間中集成的天線數(shù)目越多，要得到阻抗帶寬就會越難。為了提高MIMO天線的性能增加天線單元數(shù)目，得到的MMO天線雖然某一性能很優(yōu)，但是占用空間大，天線陣的隔離度低，帶寬都比較窄。無法滿足小型化多功能的移動端設備。現(xiàn)有的地板多單元MIMO天線結構，盡管單個天線單元阻抗帶寬很寬，但是把所有單元集成到多天線單元的MIMO天線陣后，由于各個天線單元之間的互耦影響，天線單元阻抗變差?？傊壳斑€沒有適用于無線通信移動端的高性能MMO天線。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是設計一種雙極化MMO天線陣，包括2個相同的雙極化天線單元，體積小，高增益，成本低，易集成，適合于無線通信的移動端使用。本發(fā)明設計的雙極化MIMO天線陣包括2個相同的雙極化天線單元，每個雙極化天線單元為層疊的正方形，包括金屬輻射貼片、微帶饋線、第一層介質(zhì)板、第二層介質(zhì)板和導電的接地板，第一層介質(zhì)板、第二層介質(zhì)板和接地板為相同的正方形，第一層介質(zhì)板在最上層、其下為第二層介質(zhì)板，接地板在底層，三層板四邊重合層疊，各層相互貼合、固定連接。第一層介質(zhì)板上表面為金屬輻射貼片，構成輻射單元。金屬輻射貼片也為正方形，且邊長小于第一層介質(zhì)板的邊長，位于第一層介質(zhì)板的中心位置。在第一層介質(zhì)板和第二層介質(zhì)板之間設置相互垂直的2個微帶饋線，2個微帶饋線分別位于正方形相鄰兩邊的中線上；2個雙極化天線單元置于同一水平面上，且其中I個雙極化天線單元的正方形的2條對邊分別與另一正方形的對應邊處于同一直線上，即2個雙極化天線單元的正方形處于同一個長方形的兩端，該長方形短邊邊長等于雙極化天線單元正方形邊長。2個雙極化天線單元放置方向不限，每個雙極化天線單元的微帶饋線可處于該雙極化天線單元的正方形相鄰的任意2邊。所述雙極化天線單元的第一層介質(zhì)板的正方形邊長為S，S為42mm 60mm。2個雙極化天線單元正方形相鄰的邊之間的距離L為O. Imm 100mm。調(diào)節(jié)L即可調(diào)節(jié)本天線陣的隔離度。2個雙極化天線單元之間用空氣或者絕緣塑料泡沫相隔。有利于減小因為空間波引起的互耦，有利于減少或避免2個雙極化天線單元相互之間的耦合影響。所述金屬輻射貼片的邊長W為S的3/10至3/5。所述2個微帶饋線在第二層介質(zhì)板的邊緣處各連接饋電端口，微帶饋線的長度N為s的i/4至4/9，寬度η為S的1/10至1/5。調(diào)整微帶饋線長度，可以調(diào)整本天線的諧振深度。饋線長度與諧振深度成正比。所述金屬輻射貼片的四個邊有相同的凸出矩形，凸出矩形以所在邊的中線為對稱，即四邊均為相同的如“凸”字上半部的折線，金屬輻射貼片的特殊形狀拓展了頻帶帶寬，而且使得天線明顯小型化。所述的金屬輻射貼片的對稱結構保證天線較高的端口隔離度和較低的交叉極化電平，而且也在一定程度上改善了天線帶寬。所述金屬輻射貼片的四邊凸出矩形的長度M為金屬輻射貼片的邊長W的2/5至4/5，寬度 m 為(1/2)* (S-W)的 1/10 至 1/5。所述的接地板以中心為坐標原點，在四個象限區(qū)域內(nèi)各有一個通透接地板的十字形槽，十字形槽的縱橫向槽與接地板的邊平行或垂直，且縱向槽與橫向槽的長、寬相等，4個十字形槽以接地板中心為對稱中心。所述十字形槽的縱向或橫向的長度D為S的1/5至2/5，槽的外端距離接地板邊緣的距離d為D的1/10至1/5，槽的寬度s為D的1/10至1/5。所述雙極化天線單元的第一層介質(zhì)板為介電常數(shù)L為4. I 4. 7的單面覆銅 板，金屬輻射貼片為第一層介質(zhì)板刻蝕后剩余的覆銅層；第二層介質(zhì)板為介電常數(shù)^為4. I 4. 7的雙面覆銅板，微帶饋線為第二層介質(zhì)板表面刻蝕后剩余的覆銅層，接地板為第二層介質(zhì)板的底面覆銅層。所述雙極化天線單元各微帶饋線的饋電端口焊接微波高頻連接器,即SMA (SmallA Type)接頭。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明雙極化MMO天線陣有以下優(yōu)點以及有益效果I、選擇兩個天線單元，在保證MMO天線陣具有高性能的前提下，實現(xiàn)了天線陣的小型化和高輻射性能等特性；2、保持天線單元帶寬不變小，改善了 MIMO天線陣的阻抗帶寬,適當?shù)卣{(diào)整天線單元間距離，即可滿足多功能終端設備阻抗帶寬要求和良好的隔離度；3、結構更簡單，且采用平面排列，很容易地集成到電路板上，比三維結構的MMO天線陣更適合集成到移動端設備中；更具小型化優(yōu)勢，生產(chǎn)成本也大大降低；4、兩個天線單元構成兩天線布局分集形式的終端MIMO天線結構；兩塊正方形天線單元各有較寬的輻射方向圖，利于改善MIMO天線的空間分集，采用長方形分布排列則改善了天線的極化分集效果，2個天線單元底部的覆銅接地板相隔一定距離、被分成獨立的兩部分，隔離度提高和天線單元之間的互耦減?。槐ＷC各個饋電端口之間具有較高的隔離度，能夠極大改善系統(tǒng)的接收性能；5、雙極化天線單元平行放置的結構，饋電端口具有良好地阻抗匹配，在對2天線單元間的隔離度影響很小的情況下，大幅度的改善天線陣的阻抗匹配，天線單元最大程度地保留原有的阻抗帶寬，MIMO天線陣能在小尺寸的情況下，得到理想的阻抗帶寬；7、實驗結果表明天線諧振在期望的頻率處，并且有理想的互耦，實驗中實測值和理論值之間的誤差在可允許范圍內(nèi)。


圖I為本雙極化MMO天線陣實施例I正面結構示意圖；圖2為本雙極化MIMO天線陣實施例I反面結構示意圖；圖3為本雙極化MMO天線陣實施例I側面結構示意圖；圖4為本雙極化MMO天線陣實施例I其中一個微帶饋線的饋電端口的回波損耗曲線圖；圖5為本雙極化MMO天線陣實施例I其中一個微帶饋線的饋電端口的駐波比曲線圖；圖6為本雙極化MIMO天線陣實施例I在方位角theta=0 360deg的增益曲線圖7為本雙極化MMO天線陣實施例2正面結構示意圖；圖8為本雙極化MMO天線陣實施例3正面結構示意圖；圖9為本雙極化MMO天線陣實施例4正面結構示意圖；圖10為本雙極化MMO天線陣實施例5正面結構示意圖；圖11為本雙極化MMO天線陣實施例6正面結構示意圖。圖內(nèi)標號為A、一個雙極化天線單元，B、另一個雙極化天線單元；I、第一層介質(zhì)板，2、金屬輻射貼片，21、凸出矩形，3、微帶饋線，31、饋電端口，4、接地板，41、十字形槽,5、第二層介質(zhì)板。
具體實施例方式實施例I本雙極化MIMO天線陣實施例如圖I至3所示,包括2個相同的雙極化天線單元A和B (圖中用虛線框起表示一個天線單元)，每個雙極化天線單元A或B為層疊的正方形，2個雙極化天線單元A和B置于同一水平面上，且其中I個雙極化天線單元A的正方形的2條對邊分別與另一雙極化天線單元B正方形的對應邊處于同一直線上，即2個雙極化天線單元A的正方形處于同一個長方形的兩端，該長方形短邊邊長等于雙極化天線單元正方形邊長。本例2個雙極化天線單元正方形相鄰的邊之間的距離L為5mm。本例兩個雙極化天線單元A和B放置方向相同，即如圖I所示，B和A的微帶饋線3均為一個在其正方形左邊、另一個在其正方形下邊。本例2個雙極化天線單元A和B之間用絕緣塑料泡沫相隔。所述雙極化天線單元A和B結構相同，均包括第一層介質(zhì)板I、第二層介質(zhì)板5和接地板4。本例第一層介質(zhì)板I、第二層介質(zhì)板5和接地板4為相同的邊長為S=51毫米的正方形，第一層介質(zhì)板I在最上層、其下為第二層介質(zhì)板5，接地板4在底層，三層板四邊重合層疊，各層相互貼合。本例的第一層介質(zhì)板I為介電常數(shù)ε ^為4. 4、正切損耗角tan σ為O. 02,厚度為2毫米的單面覆銅板，金屬輻射貼片2為第一層介質(zhì)板I刻蝕后剩余的覆銅層，第二層介質(zhì)板5為介電常數(shù)為4. 4、正切損耗角tan σ為O. 02，厚度為2毫米的雙面覆銅板，微帶饋線3為第二層介質(zhì)板5上表面刻蝕后剩余的覆銅層，接地板4為第二層介質(zhì)板5的底面覆銅層。本例第一層介質(zhì)板I和第二層介質(zhì)板5粘合連接。也可以用塑料螺釘連接2層介質(zhì)板。如圖I所示，本例所述金屬輻射貼片2為邊長W=23. 6毫米的正方形，位于第一層介質(zhì)板I的中心位置。正方形四個邊有相同的凸出矩形21，凸出矩形21以所在邊的中線為對稱，本例凸出矩形21的長度M=14. O毫米，寬度m=2. O毫米。相互垂直的2個微帶饋線3分別位于第二層介質(zhì)板5上表面正方形相鄰兩邊的中線上，長度N=17. 3毫米，寬度n=3. 2毫米。2個微帶饋線3在第二層介質(zhì)板5的邊緣處的外端各連接50歐姆的SMA接頭作為饋電端口 31。調(diào)整微帶饋線3的寬度使饋電端口與50歐姆的SMA接頭相匹配。如圖2所示，所述接地板4以中心為坐標原點，在四個象限區(qū)域內(nèi)各有一個通透接地板4的十字形槽41，十字形槽41的縱橫向槽與接地板4的邊平行或垂直，且縱向槽與橫向槽的長、寬相等，4個十字形槽41以接地板4中心為對稱。十字形槽41的縱向或橫向的長度D=15. 6毫米，寬度s=2. 6毫米，槽的外端距離接地板4邊緣的距離d=2. 2毫米。本例MMO天線陣采用50歐姆微帶線饋電，從實測值看各端口之間隔離值都大于25dB，說明本例MMO天線陣兩個天線單元的端口之間具有高的隔離度。使用網(wǎng)絡矢量分析儀等專業(yè)儀器對其回波損耗、駐波比、增益、方向圖等輻射特性進行了測量。實測結果如如圖4 6所示。圖4是其中一個饋電端口信號輸入的回波損耗值，圖示的橫坐標是頻率F，縱坐標是回波損耗SI I值，從圖可知本例MMO天線陣諧振在2. 43GHz處，此時Sll約為_27dB，在2. 3GHz 2. 52GHz之間回波損耗Sll ( -IOdB,天線陣通帶寬高達220MHz，相對帶寬達到9%之多，而單個雙極化天線單元原帶寬為230MHz，相比組陣之前天線帶寬變化不大。圖5所示為天線陣中一個饋電端口的駐波比曲線，橫坐標是頻率F，縱坐標是天線陣的電壓駐波比VSWR，從圖5中可以看出在2. 3GHz 2. 52GHz之間本例天線陣的電壓駐波比VSWR ( 2，；在 2. 36GHz 2. 49GHz 之間 VSffR ( I. 5，完全覆蓋了 WLAN2. 4GHz 頻段(2. 4 2. 48GHz),說明本例天線陣具有寬的通頻帶，而傳統(tǒng)天線陣帶寬僅IOOMHz左右。圖6所示為本實施例在方位角theta=0 360deg的增益曲線，其橫坐標為方位角，縱坐標為增益值，從圖6可知 本例天線陣增益峰值高達6. 5dBi，具有高增益性能。從以上實側結果分析說明本例MMO天線陣的布局較理想，性能優(yōu)異。實施例2本雙極化MIMO天線陣實施結構與實施例I基本相同,本例兩個雙極化天線單元A、B放置方向如圖7所示，A的微帶饋線3 —個在其正方形左邊、另一個在其正方形下邊，B的微帶饋線3 —個在其正方形右邊、另一個在其正方形下邊。實施例3本雙極化MIMO天線陣實施例結構與實施例I基本相同,本例兩個雙極化天線單元A、B放置方向如圖8所示，A的微帶饋線3 —個在其正方形左邊、另一個在其正方形下邊，B的微帶饋線3 —個在其正方形右邊、另一個在其正方形上邊。實施例4本雙極化MIMO天線陣實施例結構與實施例I基本相同,本例兩個雙極化天線單元A、B放置方向如圖9所示，A的微帶饋線3 —個在其正方形左邊、另一個在其正方形下邊，B的微帶饋線3 —個在其正方形左邊、另一個在其正方形上邊。實施例5本雙極化MIMO天線陣實施例結構與實施例I基本相同,本例兩個雙極化天線單元A、B放置方向如圖10所示，A的微帶饋線3 —個在其正方形右邊、另一個在其正方形下邊，B的微帶饋線3 —個在其正方形左邊、另一個在其正方形下邊。實施例6本雙極化MIMO天線陣實施例結構與實施例I基本相同,本例兩個雙極化天線單元A、B放置方向如圖11所示，A的微帶饋線3 —個在其正方形右邊、另一個在其正方形下邊，B的微帶饋線3 —個在其正方形左邊、另一個在其正方形上邊。上述實施例，僅為對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進一步詳細說明的具體個例，本發(fā)明并非限定于此。凡在本發(fā)明的公開的范圍之內(nèi)所做的任何修改、等同替換、改進等，均包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1.雙極化MMO天線陣，其特征在于 包括2個相同的雙極化天線單元，每個雙極化天線單元為層疊的正方形，包括金屬輻射貼片(2)、微帶饋線(3)、第一層介質(zhì)板(I)、第二層介質(zhì)板(5)和導電的接地板(4)，第一層介質(zhì)板(I)、第二層介質(zhì)板(5)和接地板(4)為相同的正方形，第一層介質(zhì)板(I)在最上層、其下為第二層介質(zhì)板(5)，接地板(4)在底層，三層板四邊重合層疊，各層相互貼合、固定連接；第一層介質(zhì)板(I)上表面為金屬輻射貼片(2)，構成輻射單元；金屬輻射貼片(2)也為正方形，且邊長小于第一層介質(zhì)板(I)的邊長，位于第一層介質(zhì)板(I)的中心位置；在第一層介質(zhì)板(I)和第二層介質(zhì)板(5)之間設置相互垂直的2個微帶饋線(3)，2個微帶饋線(3)分別位于正方形相鄰兩邊的中線上；2個雙極化天線單元置于同一水平面上，且其中I個雙極化天線單元的正方形的2條對邊分別與另一正方形的對應邊處于同一直線上，即2個雙極化天線單元的正方形處于同一個長方形的兩端，該長方形短邊邊長等于雙極化天線單元正方形邊長。
2.根據(jù)權利要求I所述的雙極化MIMO天線陣，其特征在于 所述雙極化天線單元的第一層介質(zhì)板(I)的正方形邊長為S，S為42mm 60mm。
3.根據(jù)權利要求2所述的雙極化MIMO天線陣，其特征在于 所述2個雙極化天線單元正方形相鄰的邊之間的距離L為O. Imm 100mm，2個雙極化天線單元之間用空氣或者絕緣塑料泡沫相隔。
4.根據(jù)權利要求I至3中任一項所述的雙極化MIMO天線陣，其特征在于 所述金屬輻射貼片(2)的邊長W為S的3/10至3/5。
5.根據(jù)權利要求I至3中任一項所述的雙極化MIMO天線陣，其特征在于 所述2個微帶饋線(3)在第二層介質(zhì)板的邊緣處各連接饋電端口，微帶饋線(3)的長度N為S的1/4至4/9，寬度η為S的1/10至1/5。
6.根據(jù)權利要求I至3中任一項所述的雙極化MMO天線陣，其特征在于 所述金屬輻射貼片(2)的四個邊有相同的凸出矩形(21)，凸出矩形(21)以所在邊的中線為對稱。
7.根據(jù)權利要求6所述的雙極化MIMO天線陣，其特征在于 所述金屬輻射貼片(2)的四邊凸出矩形(21)的長度M為金屬輻射貼片(2)的邊長W的2/5 至 4/5，寬度 m 為(1/2)* (S-W)的 1/10 至 1/5。
8.根據(jù)權利要求I至3中任一項所述的雙極化MIMO天線陣，其特征在于 所述的接地板(4)以中心為坐標原點，在四個象限區(qū)域內(nèi)各有一個通透接地板的十字形槽(41)，十字形槽(41)的縱橫向槽與接地板(4)的邊平行或垂直，且縱向槽與橫向槽的長、寬相等，4個十字形槽(41)以接地板(4)中心為對稱中心。
9.根據(jù)權利要求8所述的雙極化MIMO天線陣，其特征在于 所述十字形槽(41)的縱向或橫向的長度D為S的1/5至2/5，槽的外端距離接地板(4)邊緣的距離d為D的1/10至1/5，槽的寬度s為D的1/10至1/5。
10.根據(jù)權利要求I至3中任一項所述的雙極化MIMO天線陣，其特征在于 所述雙極化天線單元的第一層介質(zhì)板(I)為介電常數(shù)L為4. I 4. 7的單面覆銅板，金屬輻射貼片(2)為第一層介質(zhì)板(I)刻蝕后剩余的覆銅層；第二層介質(zhì)板(5)為介電常數(shù)L為4. I 4. 7的雙面覆銅板，微帶饋線(3)為第二層介質(zhì)板(5)表面刻蝕后剩余的覆銅層，接地板(4 )為第二層介質(zhì)板(5 )底面的覆銅層 。
全文摘要
本發(fā)明為雙極化MIMO天線陣，包括2個相同的雙極化天線單元，每個天線單元為相同正方形的第一、二層介質(zhì)板和接地板重合層疊，上表面為金屬輻射貼片，在二介質(zhì)板之間設置相互垂直的2個微帶饋線，分別位于正方形相鄰兩邊的中線上。2個天線單元置于同一水平面上，且其中1個單元的正方形的2條對邊分別與另一正方形的對應邊處于同一直線上，即2個單元的正方形處于同一個長方形的兩端。2個單元正方形相鄰的邊之間的距離為0.1～100mm。2個單元間用空氣或者絕緣塑料泡沫相隔。金屬輻射貼片的四個邊有凸出矩形。接地板有對稱的十字形槽。本發(fā)明保證天線陣的高性能并實現(xiàn)小型化和高輻射性能，改善阻抗帶寬，調(diào)整單元間距離，即調(diào)節(jié)隔離度。
文檔編號H01Q1/38GK102842756SQ20121035769
公開日2012年12月26日 申請日期2012年9月24日 優(yōu)先權日2012年9月24日
發(fā)明者肖海林, 易釗, 歐陽繕, 胡振 申請人:桂林電子科技大學