CN108847533A - 一种用于多输入多输出天线间的去耦合结构 - Google Patents

Abstract

一种用于多输入多输出天线间的去耦合结构，包括介质基板和设置在介质基板上的贴片，所述贴片包括设置在介质基板上的封闭矩形环、嵌入在矩形环内的“卍”形结构和/或反“卍”形结构、U形带线结构；所述矩形环与U形带线结构的一端连接，“卍”形结构和/或反“卍”形结构嵌入U形带线结构的缝隙间，本发明采用内外结构嵌套的方式，形成具有高阻抗特性的谐振特性，去耦合结构简单，集成于多输入多输出天线，使去耦合结构整体剖面较低。结构布局合理，合理地利用了空间资源，易于实现无线通信系统终端的集成设计，便于安装调试。该结构具有较小的尺寸，易于集成于移动终端设备中，且可以很方便地对谐振频率进行调节，起到抑制所需干扰的作用。

Description

一种用于多输入多输出天线间的去耦合结构

技术领域

本发明涉及一种去耦合结构，尤其涉及一种用于多输入多输出天线间的去耦合结构。

背景技术

多输入多输出技术源于无线通信天线分集技术和智能天线技术，是多输入单输出与单输入多输出技术的结合，又同时具有两者的优势和特征。多输入多输出天线就是应用于该系统的发射端和接收端的多天线结构，实现无线电传输，降低无线信道多径效应影响。

多输入多出输出技术具有如下几个有点：其一，可以在不增加额外功率或者带宽的前提下增加容量，即提供空间复用增益。通过在不同的发射天线上传输不同的数据流，在特定信道条件下，使系统容量得到极大增强。其二在于覆盖范围更加广，当对所有天线阵元上的接收信号进行相干合并，可以使得天线的增益变大，当增大接收天线的信噪比的时候，就可以增加多输入多输出天线的信号覆盖范围。最主要的是增加了信号传输链路的可靠性，减小了多径衰落对通信系统的影响。基于多输入多输出系统的这些特点，多输入多输出系统广泛的应用于无线宽带网络接入，无线局域网以及4G移动通信中。未来的5G移动通信将更加广泛地应用大规模的多输入多输出无线通信技术和与之相匹配的多功能天线。

多输入多输出天线作为整个多输入多输出无线通信系统中的接收和发射的能量转换装置，其电气特性及阵列性能是影响多输入多输出系统的重要因素之一。对于多输入多输出天线来说，当天线单元间距大于二分之一波长的时候可以保证空间信号具有较小的关联性，但是这样就需要以增大整个多输入多输出系统的体积为代价。随着无线通信系统的多功能和小型化发展趋势，多输入多输出通信系统的天线需要减小天线体积的同时，也可以减小多输入多输出天线单元之间的关联性，即多输入多输出天线的之间的耦合。而现有的多输入多输出天线的去耦合技术包括缺陷地结构，去耦合网络，EBG结构等。但这些技术都有着各自的一些不可忽略的缺点。缺陷地结构由于需要在接地板上刻槽，所以最后会影响天线的电流分布，最终影响天线的辐射特性。天线的辐射特性如果改变，将会严重影响整个通信系统的性能。对于去耦合网络，则是利用网络所产生的电流与原天线单元之间耦合的电流相反，最终与原天线单元之间的耦合中和的原理来降低多输入多输出天线单元之间耦合。但是去耦合网络最大的缺陷在于需要独立的设计一个与原天线相匹配的去耦合网络，去耦合网络不能直接应用于另外一个需要进行去耦合作用的多输入多输出天线。此外，独立设计的去耦合网络会增加天线的整体尺寸，违背了天线小型化的原则。而EBG结构是利用这种结构的带阻特性抑制多输入多输出天线单元之间的表面波传播，减小天线单元之间的耦合。所以EBG结构的功能比较单一，且需要钻孔，影响地面的效应，不能同时实现增大天线增益和改善天线波束的功能。现阶段所需采用的应用于多输入多输出的去耦合结构采用的是传统的谐振结构，这些传统的结构其高阻抗特性是由开口谐振环自身的电容以及电感形成的谐振所产生的。受到结构的限制，产生所需谐振频率需要比较大的尺寸，不能在实现去耦合同时，较好的实现天线的小型化。因此，设计去耦合结构不仅可以很方便地对结构的耦合部分尺寸进行调节，进而实现对耦合谐振频率的调节，也可以在较小的空间内部署多个单元，增大谐振结构的谐振电感，构建所需的谐振结构，达到多输入多输出天线的小型化设计目的。

现阶段已有的多输入多输出天线的去耦合结构虽然可以很好地降低天线单元之间的耦合。由于这些结构可能会改变天线的辐射特性，或者增加了天线设计的复杂度，或只能单纯地实现天线的去耦合功能。而现在通信需要的多功能天线，不仅仅需要实现天线的去耦合功能，同时也需要提高天线的增益，小型化以及波束改善。因此，以往的这些技术已经不能满足未来新型无线通信的需求。更加重要的是未来的通信朝着模块化的方向发展，如果一个去耦合结构可以应用于其他的多输入多输出天线，这样的去耦合结构将具有极大的发展空间与应用价值。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种结构简单，可以集成于多输入多输出天线，使去耦合结构整体剖面较低的用于多输入多输出天线间的去耦合结构。

本发明的目的是这样实现的：

一种用于多输入多输出天线间的去耦合结构，包括介质基板和设置在介质基板上的贴片，所述贴片包括设置在介质基板上的封闭矩形环、嵌入在矩形环内的“卍”形结构和/或反“卍”形结构、U形带线结构；所述矩形环与U形带线结构的一端连接，“卍”形结构和/或反“卍”形结构嵌入U形带线结构的缝隙间。

本发明还包括这样一些结构特征：

1、所述U形带线结构有四个，四个U形带线结构的敞口方向与“卍”形结构和/或反“卍”形结构的敞口方向一致；

2、第一U形带线结构与第三U形带线结构中心对称，第二U形带线结构与第四U形带线结构中心对称。

本发明的目的是提供一种用于多输入多输出天线间的去耦合结构，该耦合结构采用内外贴片之间的耦合作用形成谐振，该结构由介质基板，封闭的矩形环，“卍”形结构，四个U形带线结构组成，实现多输入多输出天线去耦合结构的小型化与谐振频率的可调节性设计。

本发明的去耦合结构主要包括介质基板，封闭的矩形环，“卍”形结构，四个U形带线结构。通过调整矩形环的尺寸，“卍”形结构以及四个U形带线结构的尺寸，以及相互耦合，调整该耦合结构的谐振频率。由于该谐振结构的高阻抗特性，将该谐振结构集成于多输入多输出天线中，实现对去耦合功能。此外，可以调整封闭矩形环的尺寸，以及“卍”形结构和四个U形带线结构长度实现对去耦合结构谐振频率的调整。

本发明所述的矩形环内嵌入四个U形带线结构以矩形环的中心呈0°，90°，180°，270°分布，且四个U形带线结构和矩形环连接，“卍”形结构嵌入四个U形带线结构的缝隙间，二者形成强耦合，可以调整工作频率和工作带宽。

本发明的“卍”形结构可以根据耦合需要和频率需要进行调整，实现去耦合的设计。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明所做涉及的一种用于多输入多输出天线间的去耦合结构，采用内外结构嵌套的方式，内部“卍”形结构与外部嵌入四个U形带线结构的臂组合在一起，共同形成一个谐振结构，形成具有高阻抗特性的谐振特性。本发明所设计的去耦合结构简单，可以集成于多输入多输出天线，使去耦合结构整体剖面较低。该结构布局合理，合理地利用了空间资源，易于实现无线通信系统终端的集成设计，便于安装调试。该结构具有较小的尺寸，易于集成于移动终端设备中，且可以很方便地对谐振频率进行调节，起到抑制所需干扰的作用。

不同于现阶段多输入多输出天线的去耦合结构，本发明所设计的去耦合结构的谐振频率由矩形环上的U形结构与“卍”形结构之间的谐振引起的。通过调整这些结构的尺寸，位置以及矩形环与“卍”形结构之间的耦合来调节去耦合结构的谐振频率。所设计的去耦合结构单元可以根据具体的通信系统的要求实现对该结构的谐振频率的灵活控制以及对天线的互耦消除进行灵活调整。此外，可以单独调整本发明所设计的去耦合结构的结构尺寸，实现对去耦合结构单元的谐振频率和频带的单独调整。

本发明所设计的一种用于多输入多输出天线间的去耦合结构，设计新颖，布局紧凑，设计简单，易于集成，调试方便，应用领域广泛。

附图说明

图1是本发明所设计的应用于多输入多输出天线间的去耦合结构的俯视图；

图2是本发明所设计的应用于多输入多输出天线间的去耦合结构的矩形环及嵌入的四个U形结构；

图3是本发明所设计的应用于多输入多输出天线间的去耦合结构的与矩形环相连接的U形结构；

图4是本发明所设计的应用于多输入多输出天线间的去耦合结构的“卍”形结构；

图5是本发明所设计的去耦合结构在多输入多输出天线中的应用实例；

图6是本发明所设计的去耦合结构的多输入多输出天线的反射系数和传输系数。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图6，本发明设计了一种应用于多输入多输出天线间的去耦合结构，所设计的去耦合超材料单元结构采用内外贴片之间的耦合作用形成谐振，该结构由介质基板，封闭的矩形环，“卍”形结构，四个U形带线结构组成，实现多输入多输出天线去耦合结构的小型化与谐振频率的可调节性设计。将所设计的去耦合超材料单元结构设置与多输入多输出天线阵元之间，降低天线单元之间的相互干扰。

其中“卍”形结构也可以是反“卍”形结构；

U形带线结构一端较长，图3是其中一种情况，也可以是和图3方向相反的U形带线结构；

U形带线结构和/或反U形带线结构与“卍”形结构反“卍”形结构可以有多种的排列组合方式，图1只是其中的一种情况。

本发明所设计的一种应用于多输入多输出天线间的去耦合结构主要包括介质基板101，“卍”形结构103，矩形环102以及与矩形环连接的四个U形带线结构四个U形带线结构104共同组成。矩形环内嵌入的四个U形带线结构以矩形环的中心呈0°，90°，180°，270°分布，分别为1044，1043，1042，1041。本发明所设计的具有高阻抗特性的去耦合结构的谐振频率，由“卍”形结构103，矩形环102以及与矩形环连接的四个U形带线结构四个U形带线结构104，以及U形带线结构104与“卍”形结构103之间的耦合共同决定。图1所示的去耦合结构印刷在介质基板101上表面，通过调整组成该去耦合结构的参数和各部分之间的耦合，使其与多输入多输出天线的工作频率一致，达到去耦合的目的。该去耦合结构可以用在多输入多输出天线阵阵元之间，合理布局该去耦合结构单元，达到去耦合的目的，该设计有利于节约空间资源，满足移动通信系统终端的小型化要求。

所述U型底部为直线且一端较长，所述“卍”形为两个交叉的直线和在直线的端部设有与直线垂直的横线，所述在直线的端部设有与直线垂直的横线是顺时针或者逆时针方向。

图5为本发明的去耦合结构在多输入多输出天线中的应用实例。

从图6可以看出，用本发明所设计的去耦合结构在多输入多输出天线中的应用结果。可以明显地看出，本发明所设计的去耦合有效的抑制了两个天线单元间的表面波，使得传输两天线间的传输系数小于26dB。证明了本发明所设计去耦结构的有效性。

综上所述，本发明公开了一种应用于多输入多输出天线间的去耦合结构，该去耦合结构通过采用矩形环内嵌U形带线结构和“卍”形结构的方式，实现具有高阻抗的谐振特性。通过调整去耦合结构的组成结构和背部结构间的耦合，调整去耦合结构的谐振频率，以满足现代通信系统的通信频段的多输入多输出天线的去耦合要求。

同时本发明所涉及的去耦合结构也属于超材料范畴，所以不仅可以实现对多输入多输出天线的去耦合和天线的小型化操作，也可以同时应用该结构的零折射率来提高天线的增益。本发明所设计的多输入多输出天线间的去耦合结构具有剖面低，结构原理简单，调试步骤简单，可以广泛应用于多输入多输出移动终端设备或者室内多输入多输出通信基站中。

Claims (3)

1.一种用于多输入多输出天线间的去耦合结构，包括介质基板和设置在介质基板上的贴片，其特征是：所述贴片包括设置在介质基板上的封闭矩形环、嵌入在矩形环内的“卍”形结构和/或反“卍”形结构、U形带线结构；所述矩形环与U形带线结构的一端连接，“卍”形结构和/或反“卍”形结构嵌入U形带线结构的缝隙间。

2.根据权利要求1所述的一种用于多输入多输出天线间的去耦合结构，其特征是，所述U形带线结构有四个，四个U形带线结构的敞口方向与“卍”形结构和/或反“卍”形结构的敞口方向一致。

3.根据权利要求2所述的一种用于多输入多输出天线间的去耦合结构，其特征是，第一U形带线结构与第三U形带线结构中心对称，第二U形带线结构与第四U形带线结构中心对称。