專利名稱：雙頻貼片天線單元及其應(yīng)用于無(wú)線局域網(wǎng)的射頻天線系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及無(wú)線電技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及天線技術(shù)領(lǐng)域，具體是指一種雙頻貼片天線單元及其應(yīng)用于無(wú)線局域網(wǎng)的射頻天線系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前對(duì)于MIMO (Multiple-Input Multiple-Output,多入多出)通信技術(shù)大致可分為MMO算法開(kāi)發(fā)、MMO無(wú)線建模以及多天線設(shè)計(jì)三個(gè)主要方面。多天線發(fā)出的信號(hào)在無(wú)線信道中經(jīng)散射傳播而混合在一起，再經(jīng)收端多天線接收 后，系統(tǒng)通過(guò)空時(shí)處理算法分離并恢復(fù)出發(fā)射數(shù)據(jù)，其性能取決于各天線單元接收信號(hào)的獨(dú)立程度，即相關(guān)性，而多天線間的相關(guān)性與散射傳播及天線特性密切相關(guān)。同時(shí)，多天線之間由互耦而引起的相互干擾一般很難用基帶算法和信號(hào)處理技術(shù)來(lái)解決。因此，實(shí)現(xiàn)MIMO系統(tǒng)的高性能除依賴于多徑傳播的豐富度外，還依賴于多天線單元的合理設(shè)計(jì)。對(duì)于空間域而言，實(shí)驗(yàn)表明，由于散射傳播環(huán)境不同，提供空間低相關(guān)的衰落信號(hào)所需要的天線單元間距也不一樣。比如，偏遠(yuǎn)地區(qū)的宏小區(qū)環(huán)境可能需要若干個(gè)波長(zhǎng)間隔才能獲得天線解相關(guān)，而豐富散射的室內(nèi)環(huán)境可能只需半個(gè)波長(zhǎng)間距。對(duì)于極化域而言，交叉極化耦合度決定了能否提供極化分集，或能否提供近似正交的并行信道。因此，MIMO多天線的設(shè)計(jì)是與傳播環(huán)境和天線的安裝位置緊密相關(guān)的。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外針對(duì)MMO天線設(shè)計(jì)做了一些研究，主要有以下相關(guān)技術(shù)內(nèi)容lAzremi A. A. H. , Kyro, M. , Ilvonen, J. Five-element inverted-F antennaarray for MIMO communications and radio direction finding on mobile terminal2009Loughborough Antennas&Propagation Conference,2009,557-560。2
Saou-Wen Su, Jui-Hung Chou. Internal Wideband Monopole Antennafor MIMO Access-point Applications. 2008Antennas and Propagation SocietyInternational Symposium. 2008，1—4。[3]Chi -Yuk Chiu,Jie-Bang Yan,Murch R. D. Compact Three-Port OrthogonallyPolarized MIMO Antennas. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2007,
(6):619-624SarrazinJ. , Mahe Y. , Avri I Ion S. Investigation on Cavity/SlotAntennas for Diversity and MIMO Systems The Example of a Three-Port Antenna.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters.2008, (7) :414_417。在空間分集與角度分集天線陣設(shè)計(jì)方面，文獻(xiàn)I用五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的IFA天線組成一個(gè)MMO陣，為了降低天線元之間的互耦，其將五個(gè)天線元分為三組，分別放置在地板的三個(gè)邊沿上，盡量加大天線元距離以達(dá)到解相關(guān)的目的。同時(shí)，同邊的兩個(gè)IFA天線采用“背靠背”的形式放置(兩者的短路臂相鄰，輻射臂開(kāi)口反向)。這種“背靠背”的放置方式一定程度上帶來(lái)了角度分集。文獻(xiàn)2將這種“背靠背”的放置形式進(jìn)行了一定的改進(jìn)，其將3個(gè)天線元放置在一個(gè)圓形面上，三個(gè)天線元之間的夾角均為120°，三個(gè)天線的短路臂均朝向圓心處，從而形成一定程度上的角度分集，各天線元之間的互耦均小于_20dB。整體上來(lái)看，同時(shí)采用空間分集與角度分集可以獲得更加良好的解相關(guān)性能并獲得更加良好的分集增益，在近年的MMO設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用。但此類(lèi)方法最大的問(wèn)題在于MMO天線體積通常較大，不利于產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)?？紤]到體積因素，目前國(guó)內(nèi)外研究者在MMO天線設(shè)計(jì)引入了多極天線。文獻(xiàn)34設(shè)計(jì)了一系列三維的多極化天線，他們都以線極化輻射元作為基礎(chǔ)，然后將多個(gè)完全一樣的輻射源進(jìn)行巧妙的三維正交排列放置，從而實(shí)現(xiàn)多極化分集。其中文獻(xiàn)3在實(shí)現(xiàn)極化分集的同時(shí)融入角度分集設(shè)計(jì)，從而使得各輻射元之間的互耦更低。然而這種三維結(jié)構(gòu)的多極化天線十分難以安裝，在實(shí)際工程中應(yīng)用價(jià)值不大。此外，從目前的國(guó)內(nèi)外MMO天線設(shè)計(jì)來(lái)看，主要多集中在移動(dòng)基站與移動(dòng)終端中的研究與設(shè)計(jì)，應(yīng)用于WLAN上的MIMO天線設(shè)計(jì)比較少見(jiàn)
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是克服了上述現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)，提供一種支持2. 4-2. 484GHz和5. 15-5. 825GHz兩個(gè)頻段，同時(shí)還能支持至少2T2R的MMO通訊，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，體積較小，適用于WLAN的雙頻貼片天線單元及其應(yīng)用于無(wú)線局域網(wǎng)的射頻天線系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)上述的目的，本實(shí)用新型的支持雙頻的貼片射頻天線單元具有如下構(gòu)成該射頻天線單元包括自上而下依次貼合的頂層金屬片、上層介質(zhì)板、中層金屬片、下層介質(zhì)板和底層金屬片，所述的上層介質(zhì)板、中層金屬片和下層介質(zhì)板的外形尺寸相匹配，所述的中層金屬片上開(kāi)設(shè)有圓環(huán)縫隙，所述的圓環(huán)縫隙的圓心為該貼片射頻天線單元的中心，所述的頂層金屬片偏離所述的貼片射頻天線單元的中心并設(shè)置于部分所述的圓環(huán)縫隙上方的位置，所述的底層金屬片為末端開(kāi)路的微帶線，所述的微帶線設(shè)置于所述的與頂層金屬片重合的部分圓環(huán)縫隙下方的位置，該微帶線作為饋線向所述的圓環(huán)縫隙饋電，并通過(guò)所述的圓環(huán)縫隙向所述的頂層金屬片耦合饋電。該能夠支持雙頻的貼片射頻天線單元中，所述的上層介質(zhì)板、中層金屬片和下層介質(zhì)板的外形尺寸為相互重合的正方形，所述的圓環(huán)縫隙的圓心為該正方形的中心。該能夠支持雙頻的貼片射頻天線單元中，所述的頂層金屬片的外形為正方形，該頂層金屬片的邊長(zhǎng)小于所述的上層介質(zhì)板邊長(zhǎng)的一半。該能夠支持雙頻的貼片射頻天線單元中，所述的底層金屬片為長(zhǎng)方形，所述的長(zhǎng)方形底層金屬片的長(zhǎng)度方向的一端位于所述的下層介質(zhì)板的邊緣，該長(zhǎng)方形底層金屬片長(zhǎng)度方向的另一端延伸至對(duì)應(yīng)于所述的圓環(huán)縫隙內(nèi)并位于所述的頂層金屬片下方的位置。該能夠支持雙頻的貼片射頻天線單元中，所述的上層介質(zhì)板、中層金屬片和下層介質(zhì)板的邊長(zhǎng)為70_ ;所述的圓環(huán)縫隙的內(nèi)徑為14. 3mm,其外徑為15. 8mm ;所述的頂層金屬片的邊長(zhǎng)為IOmm ;該頂層金屬片的中心與所述的上層介質(zhì)板中心的距離為14mm ;所述的底層金屬片的長(zhǎng)度為26. 4mm,其寬度為2. 2mm ;所述的上層介質(zhì)板為介電常數(shù)I. 01的泡沫介質(zhì)板，其高度為4. 2mm ;所述的下層介質(zhì)板為聚四氟乙烯介質(zhì)板,其高度為0. 8_。本實(shí)用新型還提供一種應(yīng)用于無(wú)線局域網(wǎng)中的二元多入多出射頻天線系統(tǒng)，該天線系統(tǒng)包括兩個(gè)并排相連的分別為第一信號(hào)收發(fā)端和第二信號(hào)收發(fā)端的天線單元，所述的天線單元為上述的射頻天線單元。該應(yīng)用于無(wú)線局域網(wǎng)中的二元多入多出射頻天線系統(tǒng)中，所述的第一信號(hào)收發(fā)端的底層金屬片的方向與所述的第二信號(hào)收發(fā)端的底層金屬片的方向之間的角度為90度。該應(yīng)用于無(wú)線局域網(wǎng)中的二元多入多出射頻天線系統(tǒng)中，所述的兩個(gè)射頻天線單元的中心間距為38mm，所述的兩個(gè)射頻天線單元的頂層金屬片之間的距離為54mm。采用了該實(shí)用新型的射頻天線單元包括自上而下依次貼合的頂層金屬片、上層介質(zhì)板、中層金屬片、下層介質(zhì)板和底層金屬片。中層金屬片上開(kāi)設(shè)有圓環(huán)縫隙，圓環(huán)縫隙的圓心為該貼片射頻天線單元的中心，頂層金屬片偏離所述的貼片射頻天線單元的中心并設(shè)置于部分所述的圓環(huán)縫隙上方的位置，底層金屬片為末端開(kāi)路的微帶線，該微帶線設(shè)置于與頂層金屬片重合的部分圓環(huán)縫隙下方的位置，并作為饋線向所述的圓環(huán)縫隙饋電，同時(shí)通過(guò)所述的圓環(huán)縫隙向所述的頂層金屬片耦合饋電。使得又兩個(gè)該射頻天 線單元組成的MIMO天線各個(gè)天線單元在2. 4GHz和5GHz兩個(gè)頻率段的增益分別大于4. IdB和6. 7dB,同時(shí)各饋電端口之間的互耦小于_20dB，以達(dá)到低相關(guān)性。從而提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，體積較小，且適用于WLAN的，雙頻貼片天線單元及其應(yīng)用于無(wú)線局域網(wǎng)的射頻天線系統(tǒng)。

圖I為本實(shí)用新型的能夠支持雙頻的貼片射頻天線單元的層結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實(shí)用新型的能夠支持雙頻的貼片射頻天線單元各層貼合的剖面圖。圖3為本實(shí)用新型的能夠支持雙頻的貼片射頻天線單元的俯視圖。圖4為本實(shí)用新型的能夠支持雙頻的貼片射頻天線單元的仰視圖。圖5為本實(shí)用新型的應(yīng)用于無(wú)線局域網(wǎng)中的二元多入多出射頻天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為本實(shí)用新型的二元多入多出射頻天線系統(tǒng)的在實(shí)際應(yīng)用中的S參數(shù)示意圖。圖7為本實(shí)用新型的二元多入多出射頻天線系統(tǒng)的在實(shí)際應(yīng)用中的相關(guān)系數(shù)結(jié)果。圖8為本實(shí)用新型的雙頻天線單元在實(shí)際應(yīng)用中的增益結(jié)果示意圖。圖9為本實(shí)用新型的二元多入多出射頻天線系統(tǒng)的在實(shí)際應(yīng)用中于2. 44GHz頻段中心頻點(diǎn)的三維場(chǎng)形圖。圖10為本實(shí)用新型的二元多入多出射頻天線系統(tǒng)的在實(shí)際應(yīng)用中于5. 5GHz頻段中心頻點(diǎn)的三維場(chǎng)形圖。圖11為本實(shí)用新型的二元多入多出射頻天線系統(tǒng)的在實(shí)際應(yīng)用于無(wú)線局域網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
為了能夠更清楚地理解本實(shí)用新型的技術(shù)內(nèi)容，特舉以下實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明。請(qǐng)參閱圖I所示，為本實(shí)用新型的能夠支持雙頻的貼片射頻天線單元的層結(jié)構(gòu)示意圖。在一種實(shí)施方式中，如圖I至圖4所示，該能夠支持雙頻的貼片射頻天線單元包括自上而下依次貼合的頂層金屬片I、上層介質(zhì)板2、中層金屬片3、下層介質(zhì)板4和底層金屬片5。其中所述的上層介質(zhì)板2、中層金屬片3和下層介質(zhì)板4的外形尺寸相匹配，為相互重合的正方形。所述的中層金屬片3上開(kāi)設(shè)有圓環(huán)縫隙31，所述的圓環(huán)縫隙31的圓心為該貼片射頻天線單元的中心，亦即所述的正方形上層介質(zhì)板2、中層金屬片3和下層介質(zhì)板4的中心。所述的頂層金屬片I為偏離所述的貼片射頻天線單元的中心并設(shè)置于部分所述的圓環(huán)縫隙31上方位置的正方形金屬片，該正方形頂層金屬片I的邊長(zhǎng)小于所述的上層介質(zhì)板邊長(zhǎng)2的一半。所述的底層金屬片5為末端開(kāi)路的長(zhǎng)方形微帶線，所述的長(zhǎng)方形底層金屬片5的長(zhǎng)度方向的一端位于所述的下層介質(zhì)板4的邊緣,該長(zhǎng)方形底層金屬片5長(zhǎng)度方向的另一端延伸至對(duì)應(yīng)于所述的圓環(huán)縫隙31內(nèi)并位于所述的頂層金屬片I下方的位置，從而使該微帶線5設(shè)置于所述的與頂層金屬片I重合的部分圓環(huán)縫隙31下方的位置，該微帶線5作為饋線向所述的圓環(huán)縫隙31饋電，并通過(guò)所述的圓環(huán)縫隙31向所述的頂層金屬片I稱合饋電。在一種較優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述的底層金屬片5的特性阻抗為50歐姆。 在一種更優(yōu)選的實(shí)施方式中，如圖2、3、4所示，所述的上層介質(zhì)板2、中層金屬片3和下層介質(zhì)板4的邊長(zhǎng)L為70mm ;所述的圓環(huán)縫隙31的內(nèi)徑Rl為14. 3mm，其外徑R2為15. 8mm ;所述的頂層金屬片I的邊長(zhǎng)P為IOmm ;該頂層金屬片I的中心與所述的上層介質(zhì)板2的中心的距離A為14mm ;所述的底層金屬片5的長(zhǎng)度f(wàn)y為26. 4mm,其寬度f(wàn)x為2. 2mm ；所述的上層介質(zhì)板2為介電常數(shù)I. 01的泡沫介質(zhì)板，其高度hi為4. 2mm ;所述的下層介質(zhì)板4為介電常數(shù)2. 55的聚四氟乙烯介質(zhì)板,其高度h2為0. 8mm。本實(shí)用新型還提供一種應(yīng)用于無(wú)線局域網(wǎng)中的二元多入多出射頻天線系統(tǒng)，在一種實(shí)施方式中，如圖5所示，所述的天線系統(tǒng)包括兩個(gè)并排相連的分別為第一信號(hào)收發(fā)端Portl和第二信號(hào)收發(fā)端Port2的天線單元，所述的天線單元為上文所述的射頻天線單元。其中，所述的第一信號(hào)收發(fā)端Portl的底層金屬片51的方向與所述的第二信號(hào)收發(fā)端Port2的底層金屬片52的方向之間的角度為90度。在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，如圖5所示，所述的兩個(gè)射頻天線單元的中心間距D為38mm,所述的兩個(gè)射頻天線單元的頂層金屬片11和12之間的距離d為54mm。在本實(shí)用新型的應(yīng)用中，本實(shí)用新型的射頻天線單元由兩層介質(zhì)板與三層金屬面交替疊加組成，上下兩層介質(zhì)板的厚度分別為hi和h2，相對(duì)介電常數(shù)分別為erl和er2。天線外邊呈正方形，邊長(zhǎng)為L(zhǎng)。頂層金屬貼片為正方形，邊長(zhǎng)為P，此貼片中心與整個(gè)天線的中心距離為A。中層金屬面上開(kāi)圓環(huán)縫隙，其內(nèi)外徑分別為Rl和R2，其圓心與整個(gè)天線的中心重合。底層金屬面為末端開(kāi)路的微帶線，其長(zhǎng)寬分別為fy和fx。此微帶線作為饋線，不僅向中間金屬層上的圓環(huán)縫隙饋電，而且還可以透過(guò)縫隙，向頂層方形貼片耦合饋電。對(duì)于頂層貼片而言，圓環(huán)縫隙中處于其正下方的那一段與底層微帶線共同對(duì)其形成縫隙耦合饋電。饋線的特性阻抗為50歐姆，取決于er2及fx。同時(shí)，為了增加5G頻段的帶寬，本實(shí)用新型的射頻天線單元將hi加高至4. 2_的同時(shí)采用相對(duì)介電常數(shù)僅為I. 01的泡沫作為上層介質(zhì)板。下層介質(zhì)板采用相對(duì)介電常數(shù)為2. 55的聚四氟乙烯(F4BM-2)材料，介質(zhì)損耗角正切值小于0. 001。經(jīng)調(diào)試優(yōu)化后取得結(jié)構(gòu)數(shù)值下表I所示
權(quán)利要求1.一種能夠支持雙頻的貼片射頻天線單元，其特征在于，所述的射頻天線單元包括自上而下依次貼合的頂層金屬片、上層介質(zhì)板、中層金屬片、下層介質(zhì)板和底層金屬片，所述的上層介質(zhì)板、中層金屬片和下層介質(zhì)板的外形尺寸相匹配，所述的中層金屬片上開(kāi)設(shè)有圓環(huán)縫隙，所述的圓環(huán)縫隙的圓心為該貼片射頻天線單元的中心，所述的頂層金屬片偏離所述的貼片射頻天線單元的中心并設(shè)置于部分所述的圓環(huán)縫隙上方的位置，所述的底層金屬片為末端開(kāi)路的微帶線，所述的微帶線設(shè)置于所述的與頂層金屬片重合的部分圓環(huán)縫隙下方的位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的能夠支持雙頻的貼片射頻天線單元，其特征在于，所述的上層介質(zhì)板、中層金屬片和下層介質(zhì)板的外形尺寸為相互重合的正方形，所述的圓環(huán)縫隙的圓心為該正方形的中心。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的能夠支持雙頻的貼片射頻天線單元，其特征在于，所述的頂層金屬片的外形為正方形，該頂層金屬片的邊長(zhǎng)小于所述的上層介質(zhì)板邊長(zhǎng)的一半。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的能夠支持雙頻的貼片射頻天線單元，其特征在于，所述的底層金屬片為長(zhǎng)方形，所述的長(zhǎng)方形底層金屬片的長(zhǎng)度方向的一端位于所述的下層介質(zhì)板的邊緣，該長(zhǎng)方形底層金屬片長(zhǎng)度方向的另一端延伸至對(duì)應(yīng)于所述的圓環(huán)縫隙內(nèi)并位于所述的頂層金屬片下方的位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的能夠支持雙頻的貼片射頻天線單元，其特征在于，所述的上層介質(zhì)板、中層金屬片和下層介質(zhì)板的邊長(zhǎng)為70mm;所述的圓環(huán)縫隙的內(nèi)徑為14. 3mm，其外徑為15. 8mm ;所述的頂層金屬片的邊長(zhǎng)為IOmm ;該頂層金屬片的中心與所述的上層介質(zhì)板中心的距離為14mm ;所述的底層金屬片的長(zhǎng)度為26. 4mm，其寬度為2. 2mm ;所述的上層介質(zhì)板為介電常數(shù)I. 01的泡沫介質(zhì)板，其高度為4. 2mm ;所述的下層介質(zhì)板為聚四氟乙烯介質(zhì)板，其高度為O. 8mm。
6.一種應(yīng)用于無(wú)線局域網(wǎng)中的二元多入多出射頻天線系統(tǒng)，其特征在于，所述的天線系統(tǒng)包括兩個(gè)并排相連的分別為第一信號(hào)收發(fā)端和第二信號(hào)收發(fā)端的天線單元，所述的天線單元為權(quán)利要求I至5中任一項(xiàng)所述的射頻天線單元。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的應(yīng)用于無(wú)線局域網(wǎng)中的二元多入多出射頻天線系統(tǒng)，其特征在于，所述的第一信號(hào)收發(fā)端的底層金屬片的方向與所述的第二信號(hào)收發(fā)端的底層金屬片的方向之間的角度為90度。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的應(yīng)用于無(wú)線局域網(wǎng)中的二元多入多出射頻天線系統(tǒng)，其特征在于，所述的兩個(gè)射頻天線單元的中心間距為38mm，所述的兩個(gè)射頻天線單元的頂層金屬片之間的距離為54mm。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種支持雙頻的貼片射頻天線單元，其包括自上而下依次貼合的頂層金屬片、上層介質(zhì)板、中層金屬片、下層介質(zhì)板和底層金屬片，中層金屬片上開(kāi)設(shè)有圓環(huán)縫隙，頂層金屬片設(shè)置于部分圓環(huán)縫隙上方的位置，底層金屬片為設(shè)置于與頂層金屬片重合的部分圓環(huán)縫隙下方的位置的微帶線。本實(shí)用新型還涉及一種二元MIMO射頻天線系統(tǒng)，其包括兩個(gè)并排相連的分別為第一和第二信號(hào)收發(fā)端的所述射頻天線單元。采用本實(shí)用新型的MIMO天線，其兩個(gè)個(gè)天線單元在2.4GHz和5GHz兩個(gè)頻率段的增益分別大于4.1dB和6.7dB，從而提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，體積較小，且適用于WLAN的，雙頻貼片天線單元及其應(yīng)用于無(wú)線局域網(wǎng)的射頻天線系統(tǒng)。
文檔編號(hào)H01Q5/00GK202444053SQ20122002140
公開(kāi)日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月17日
發(fā)明者孫鈺君, 徐正偉, 楊軍 申請(qǐng)人:上海大亞科技有限公司