CN109149106B - 基于电磁耦合的宽带、高隔离mimo环天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开基于电磁耦合的宽带、高隔离MIMO环天线。本发明包括中心位于同一直线上的四个辐射单元，相邻辐射单元间的距离为5mm，最小电长度为0.03850λ0(λ0是最低谐振波长)；每个辐射单元包括四个辐射元件、介质基板；所述的辐射元件包括三个分裂环、一条寄生带，其中三个分裂环分别为主辐射环、馈电环和寄生环。所提出的由具有亚波长距离的四个辐射元件组成的MIMO天线可以在没有任何额外的解耦结构的情况下实现高隔离度。所提出的天线可以在未来的5G无线系统中广泛使用。

Description

基于电磁耦合的宽带、高隔离MIMO环天线

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，提出了一种基于电磁耦合的宽带、高隔离MIMO环天线。

背景技术

由于无线通信系统的快速发展，对天线的需求越来越高，如体积小，宽带宽，隔离度高，对这种天线的需求也越来越大。多输入多输出(MIMO)系统已被用于增加信道容量和可靠性。MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技术即多输入多输出技术，是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量。MIMO天线中的天线元件之间的隔离会影响天线的性能。因此，保持内部天线之间的良好隔离可以使MIMO天线具有良好的工作效果。

为了使天线的尺寸更小，阻抗匹配性能更好和实现宽带特性，已经出现了各种各样的宽带印刷天线设计，如偶极天线，CPW馈电单极天线，对称周期天线，八木天线等。在所有这些天线中，印刷天线的宽带特性主要由具有各种结构的偶极/单极式复合散热器实现。然而，这些设计中的部分在几何尺寸上太大，在应用范围上会受限，其中覆盖低于3GHz的频率是非常困难的。从电磁理论来看，磁偶电偶极子是相互对偶的。由于结构简单，易于与常规环形天线的其他部件集成，因此广泛应用于各种无线应用。另外，通过激励磁偶极子和电偶极子(ME偶极子/环偶极子)同时获得大量的设计以实现单向辐射。这些环形偶极复合天线中的大多数可以通过印刷广泛的技术制造并且可以实现单向图案。但是他们的带宽是有限的。因此，为了覆盖更宽的带宽并满足一些设计要求，如低配置，易于制造和稳定的辐射特性，开发高性能印刷天线紧凑简单的几何形状成为了一种挑战。

MIMO通信系统要求收发机能同时多链路的接收和发射信号，而多天线设计的最大难题在于单个天线之间的耦合难以避免，由于天线之间的相互影响使得多个天线不能独立的传输信息，因此如何降低天线之间的耦合度成了设计MIMO天线的关键技术。随着MIMO天线的带宽逐渐增加，隔离级别下降，并且通常使用额外的隔离结构。通常，MIMO天线的设计会在带宽和隔离之间妥协。

本发明提出了一种基于混合电磁耦合分离环的宽带，高隔离度MIMO环形天线的设计。通过利用三个环路之间的混合耦合，所提出的环形天线可以实现宽带宽，并且由于辐射器的磁耦合，所提出的由具有亚波长距离的四个元件组成的MIMO天线可以在没有任何额外的解耦结构的情况下实现高隔离度。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述所提到的挑战，在没有任何额外的解耦结构的情况下实现高隔离度，满足MIMO通信系统对天线所提出高隔离度的要求，提出了一种基于电磁耦合的宽带、高隔离MIMO环天线。带环路或环路偶极子复合结构的天线可以将带宽变宽，并且结构简单，本发明将应用这类结构运用到MIMO天线的设计中以达到拓宽天线的频带、提高单个天线之间的隔离度的效果。

一种基于电磁耦合的宽带、高隔离MIMO环天线包括中心位于同一直线上的四个辐射单元，相邻辐射单元间的距离为5mm，最小电长度为0.03850λ0(λ0是最低谐振波长)；每个辐射单元包括四个辐射元件、介质基板(7)；所述的辐射元件包括三个分裂环、一条寄生带(3)，其中三个分裂环分别为主辐射环(1)、馈电环(2)和寄生环(6)；

介质基板(7)的上表面放置主辐射环(1)；为了使天线的基本谐振模式是半波长谐振模式，所述的主辐射环(1)环臂设有开口，且环臂靠近馈电环(2)处加载有电容(4)，使得天线的带宽最大；主辐射环(1)环内设置馈电环(2)，馈电环的位置需要综合考虑电耦合与带宽；

电容的位置调整，可以增加一个自由度来改善天线的特性。

所述的馈电环(2)设有馈电端口(5)，使其工作在第二辐射模式；主辐射环(1)与馈电环(2)馈电端口之间的最短距离D2影响两环之间的耦合情况。

馈电环(2)环内靠近馈电端口处设置寄生带，该寄生带用作馈电环(2)的辐射偶极子耦合，并且提高辐射单元在高频带的阻抗匹配与带宽宽度，通过该寄生带可以更容易地匹配具有50欧姆特性阻抗的同轴电缆。

寄生带与馈电端口的最短距离D1影响电容性阻抗，寄生带的长度影响电感阻抗。

主辐射环(1)与馈电环(2)的环臂宽度W1、W2，寄生带(3)宽度是综合考虑阻抗匹配与天线性能的结果。

主辐射环(1)的谐振频率受介质基板(7)的介电常数、长度L1与宽度L2以及开口的长度G1影响。

介质基板(7)的下表面设置寄生环(6)；寄生环(6)设有开口，该开口与馈电端口(5)耦合，通过改变寄生环(6)在介质基板(7)的位置可以改变天线整体的寄生电容与寄生电感，从而实现改变天线频带范围的效果。计算公式F＝1/sqrt(LC)。这样的做法在环天线中是罕见的。寄生环(6)的长宽尺寸及位置时综合考虑天线频带位置，阻抗匹配与带宽的结果。

本发明天线中输入阻抗的实部更接近50欧姆，并且虚部更接近0欧姆，物理机制如下：

1)寄生带可以起到阻抗匹配和变换的作用。通过调整寄生带与馈电间隙之间的距离，可以改变电容性阻抗，而通过调整寄生带的长度可以改变电感阻抗。

2)寄生带本身也是作为偶极辐射器工作，并在高频段产生新的谐振频率。凭借这两种物理机制，阻抗匹配就是在几个谐振频率之间大大改善，带宽可以大大提高。

反射系数与寄生带(3)的长度L5和寄生带与馈电端口(5)的距离D1有关，寄生带长度增加，上谐振频率向低频移动，整个高频带的阻抗匹配也得到改善，而其他频率几乎不受L5影响。随着寄生带(3)与馈电端口(5)的距离D1减小，阻抗匹配在较高的频段显着改善。寄生带的长度与位置是充分考虑整个频段的阻抗匹配和带宽的最佳选择。

主辐射环(1)与馈电环(2)工作在不同模式下，这两个模式互不影响，可以使天线具有宽带特性，主辐射环(1)与馈电环(2)的尺寸是综合天线的宽带特性与阻抗匹配的优化结果。

通过三个分裂环与寄生带之间的混合电磁耦合，可以通过单个天线实现宽频带(2.2GHz-4.7GHz)，紧凑尺寸(50mm×50.7mm)。

工作原理：

主辐射环(1)的工作辐射模式不受馈电环(2)的非辐射模式的影响。主辐射环(1)在第三辐射模式下工作，馈电环(2)在第二辐射模式下工作。起到辐射作用的是外部分裂环，即主辐射环(1)，馈电环(2)内部封闭环作为馈电回路。奇数和偶数工作模式是相互正交的，并且工作频率不同，因此不同辐射模式之间的相互干扰很小。本发明所提出的天线作为半波长偶极子谐振，并通过馈电环(2)和寄生带之间的电耦合馈电。本发明所提出的天线既利用电耦合又利用谐振频率以多模工作。高频宽带由主辐射环(1)的奇数辐射模式(第三和第五模式)，馈电环(2)的偶数辐射模式(第二模式)和半波长偶极子模式的寄生带产生。并且不同辐射模式之间的相互干扰非常小，以至于所有的谐振频率几乎可以通过各种辐射器单独确定和优化。

主辐射环(1)和馈电环(2)之间的耦合由电耦合和磁耦合组成。具体而言，电耦合(也称为电容耦合)，馈电环(2)和主辐射环(1)底部的边缘之间的间隙起到电容耦合的作用，两个边缘上的电流分布是最强的。另一方面，磁耦合(也称为电感耦合)是由共享磁场的主辐射环(1)和馈电环(2)之间引起。主要通过磁-电耦合在主辐射环(1)的第三种模式下运行。本发明所提出的天线也主要通过馈电环(2)的第二模式来操作分裂环馈电的第五模式。

综上所述，所提出的天线利用电耦合和磁耦合，并以共振频率的多模工作。高频宽带由主辐射环(1)的奇数辐射模式(第三种和第五种模式)，馈电环(2)的偶数辐射模式(第二种模式)和半波长偶极子寄生带的模式。而且不同辐射模式之间的互相干扰非常小，使得所有谐振频率几乎可以由各种辐射器单独确定和优化。通过使用所设计的结构，MIMO可以通过产生一种新的机制来提高隔离度，即降低MIMO天线之间的电耦合，增强磁耦合来提高隔离度，这是十分罕见的。MIMO天线一般都需要添加额外的去耦结果，来实现高隔离度，而使用所提出的结构，通过降低天线之间的电耦合，增强天线之间的磁耦合可以在不改变天线结构，不添加任何额外的去耦结构的情况下实现高隔离度，并且结构紧凑。

本发明的有益效果是：

通过使用所设计的结构，MIMO天线可以通过产生一种新的机制来提高隔离度，即降低MIMO天线之间的电耦合，增强磁耦合来提高隔离度，这是十分罕见的。MIMO天线一般都需要添加额外的去耦结构来实现高隔离度，而使用所提出的结构，通过降低天线之间的电耦合，增强天线之间的磁耦合可以在不改变天线结构，不添加任何额外的去耦结构的情况下实现高隔离度，并且结构紧凑。

附图说明

图1(a)是所提出的辐射元件的顶层结构以及参数标注图；

图1(b)是所提出的辐射元件的侧面结构以及参数标注图；

图1(c)是所提出的辐射元件的底层结构以及参数标注图；

图2是所提出的辐射元件的J改变时的S参数示意图；

图3是所提出的辐射元件的S参数示意图；

图4是所提出的基于电磁耦合的宽带、高隔离MIMO环天线的顶层结构以及参数标注图；

图5是所提出的基于电磁耦合的宽带、高隔离MIMO环天线的S参数示意图；

图中：1.主辐射环；2.馈电环；3.寄生带；4.0805封装贴片电容；5.馈电端口；6.寄生环；7.介质基板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的设计方法作进一步说明。

本发明提出的一种基于电磁耦合的宽带、高隔离MIMO环天线由四个多模环形天线组成。宽带环形天线如图1所示。图1(a)、(b)、(c)分别显示了组成MIMO环天线的辐射元件几何形状，分别对应于顶层，侧面和底层视图。

如图1所示，本发明天线的辐射元件包括主辐射环(1)、馈电环(2)、寄生带(3)、馈电端口(5)、0805封装贴片电容(4)、寄生环(6)、介质基板(7)采用FR4衬底；所提出的天线是在一个厚度为1.0mm的FR4衬底(7)上(εr＝4.4，损耗正切＝0.02)的两层印刷天线，顶层的内部开环是馈电环(2)，外部开环是主辐射环(1)，它分别以不同的正交模式工作。主辐射环(1)的周围留有部分空白区域，主辐射环(1)的上有0805封装贴片电容。馈电环(2)的内侧为寄生带(3)。馈电环(2)上有馈电端口(5)，是天线的输入端。通过馈电端口(5)附近的寄生带(3)，可以引起新的谐振频率，也可以改善阻抗匹配。同时，通过在外环引入一个电容，可以通过增加一个自由度来进一步调整阻抗匹配。0805封装的贴片电容(4)长度为2mm，电容值为0.1pf。当CX＝8.6mm时，将寄生环(6)放置在单层天线的背面，可以在不增加天线的电气尺寸的情况下使天线可以覆盖Wi-Fi频率，即约2.45GHz，并且开口方向与顶层内圈的馈电端口(5)相同。底层上的寄生环(6)的边缘与顶层上的主辐射环(1)之间的垂直距离(J)的分析结果如图2所示，当距离减小时(即J从-2mm到0mm)，下边缘谐振频率向低频移动。基于两个耦合回路，即图1中的主辐射环(1)、馈电环(2)，并借助于电容(4)和底层的寄生分裂环(6)，可以灵活地控制谐振频率。整个辐射元件是大致对称的。

如图3所示，当CX等于8.6mm或7.2mm时，单个辐射元件带宽可以达到2.47GHz(从2.26GHz到4.73GHz)和2.51GHz(从2.25GHz到4.76GHz)。因此，所提出的辐射元件可以覆盖大部分无线系统，包括未来的5G通信。

如图4所示，利用这种天线作为辐射单元，由沿着线均匀间隔的四个元件组成MIMO天线。虽然它们之间的距离仅为z＝5mm，但如图5所示，反射2GHz以上频率天线的系数几乎与图3相同。最重要的是，最近元件之间的隔离总是低于-10dB。即使元件之间的距离是亚波长，在没有任何额外解耦技术的情况下，所提出的MIMO天线仍然具有高隔离度和宽带宽。

天线的设计是在电磁仿真软件HFSS进行的，相关的尺寸是通过软件优化所确定，如下表所示：

其中微波介质基板是大小为50×50.7×1mm³的介质板FR4(介电常数4.4，损耗正切0.02)，所有参数单位为毫米。

本发明提出了一种基于混合耦合的MIMO环形天线用于无线通信所提出的MIMO天线可以实现宽带(从2.26GHz到4.66GHz覆盖约2.4GHz)，高隔离度和小尺寸。虽然由于磁馈送作为辐射元件的主要机制，所以在没有任何额外的去耦技术的情况下，相邻元件之间的电耦合仍然很弱。具有以上几个优点，所提出的天线可以在未来的5G无线系统中广泛使用。

Claims (9)

1.基于电磁耦合的高频宽带、高隔离MIMO环天线，其特征在于包括中心位于同一直线上的四个辐射单元，每个辐射单元包括四个辐射元件、介质基板(7)；所述的辐射元件包括三个分裂环、一条寄生带(3)，其中三个分裂环分别为主辐射环(1)、馈电环(2)和寄生环(6)；

介质基板(7)的上表面放置主辐射环(1)；所述的主辐射环(1)环臂设有开口，且环臂靠近馈电环(2)处加载有电容(4)；主辐射环(1)环内设置馈电环(2)；

所述的馈电环(2)设有馈电端口(5)，使其工作在第二辐射模式；

馈电环(2)环内靠近馈电端口处设置寄生带；

介质基板(7)的下表面设置寄生环(6)；寄生环(6)设有开口，该开口与馈电端口(5)耦合；

主辐射环(1)的工作辐射模式不受馈电环(2)的非辐射模式的影响；主辐射环(1)在第三辐射模式下工作，馈电环(2)在第二辐射模式下工作；起到辐射作用的是外部分裂环，即主辐射环(1)，馈电环(2)内部封闭环作为馈电回路；主辐射环(1)和馈电环(2)之间的耦合由电耦合和磁耦合组成，电耦合和磁耦合在主辐射环(1)的第三种模式下运行；通过馈电环(2)的第二模式来操作主辐射环(1)馈电的第五模式；高频宽带由主辐射环(1)的第三和第五模式，馈电环(2)的第二模式和半波长偶极子模式的寄生带产生。

2.如权利要求1所述的基于电磁耦合的高频宽带、高隔离MIMO环天线，其特征在于MIMO环天线作为半波长偶极子谐振，并通过馈电端口(5)和寄生带之间的电耦合馈电；高频宽带由主辐射环(1)的奇数辐射模式，馈电环(2)的偶数辐射模式和半波长偶极子模式的寄生带产生。

3.如权利要求1所述的基于电磁耦合的高频宽带、高隔离MIMO环天线，其特征在于MIMO环天线间主要以磁耦合的形式进行耦合，端口间主要以电耦合的形式进行耦合，可以在不增加额外的提高隔离度的措施下实现MIMO天线的高隔离度；

其中馈电端口(5)和寄生带之间的电耦合底部边缘之间的间隙起到电容耦合的作用，两个边缘上的电流分布是最强的；磁耦合是由共享磁场的环之间引起。

4.如权利要求1所述的基于电磁耦合的高频宽带、高隔离MIMO环天线，其特征在于主辐射环(1)与馈电环(2)馈电端口之间的最短距离D2影响两环之间的耦合情况。

5.如权利要求1所述的基于电磁耦合的高频宽带、高隔离MIMO环天线，其特征在于寄生带与馈电端口的最短距离D1影响电容性阻抗，寄生带的长度影响电感阻抗。

6.如权利要求1所述的基于电磁耦合的高频宽带、高隔离MIMO环天线，其特征在于主辐射环(1)与馈电环(2)的环臂宽度W1、W2，寄生带(3)宽度是综合考虑阻抗匹配与天线性能的结果。

7.如权利要求1所述的基于电磁耦合的高频宽带、高隔离MIMO环天线，其特征在于主辐射环(1)的谐振频率受介质基板(7)的介电常数、长度L1与宽度L2以及开口的长度G1影响。

8.如权利要求1所述的基于电磁耦合的高频宽带、高隔离MIMO环天线，其特征在于通过改变寄生环(6)在介质基板(7)的位置可以改变天线整体的寄生电容与寄生电感，从而实现改变天线频带范围的效果。

9.如权利要求1所述的基于电磁耦合的高频宽带、高隔离MIMO环天线，其特征在于寄生环(6)的长宽尺寸及位置时综合考虑天线频带位置，阻抗匹配与带宽的结果。

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