CN110911839B - 一种5g双频带高隔离双端口共地单极子天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种5G双频带高隔离双端口共地单极子天线，为了降低由地板表面波和传导耦合引起的互耦，选择去耦合结构较简单的缺陷地结构，来改变地板表面电流的路径和传输线的分布参数，从而达到提高隔离度的目的。为了进一步提高天线单元之间的隔离，降低互耦对天线两个谐振点阻抗匹配的影响，选择在地板中间加载地板枝节，用以降低端口之间的相互耦合和改善天线频段的阻抗匹配；同时还设计合适的寄生单元，创造反向的耦合路径来减小互耦。由于地板枝节、寄生单元和缺陷地结构均具有设计方便、加工简单，且容易实现等特点，本专利结合三种去耦合结构实现了5G双频共地单极子天线的高隔离特性，同时还具有间距小、设计简单、便于调节的优点。

Description

一种5G双频带高隔离双端口共地单极子天线
技术领域
本发明属于微波天线技术领域，涉及一种5G双频单极子天线，具体涉及一种5G 双频带高隔离双端口共地单极子天线。
背景技术
随着移动通信的快速发展，2019年，第五代移动通信技术(5G)已经开启商用，中国正式迈进5G时代。5G天线作为新一代移动通信系统中不可缺少的功能组件，近年来已经成为国内外的研究热点，根据5G技术特点，其应具有高增益、小型化、宽频段及高隔离度等技术特征，以满足5G的高传输速率、波束智能赋形、波束能量聚集等功能。根据国家工信部的规定，在6GHz以下的5G频段被划定在2515-2675 MHz、3400-3600MHz和4800-4900MHz三个频段。为了实现5G高数据传输速率的需求，通常采用多输入多输出(Multiple InputMultiple Output,MIMO)技术。然而随着终端通信设备小型化的发展趋势，留个天线的空间也随之减小，天线单元之间的距离也在逐渐缩小，导致天线单元之间的耦合随之增强，从而影响到5G天线的性能, 所以在5G天线设计中，去耦合是最重要的研究方向之一。
耦合一般有两种方式，传导耦合和辐射耦合。传导耦合是指电磁噪声能量可以通过金属导线或者其他元件传送到被干扰单元。通常在MIMO系统中，天线单元之间需要将接地板连接起来，来达到保持一样公共电平的目的，所以将会产生传导耦合。辐射耦合则是指馈电单元通过空间电磁波辐射，将干扰传递给非馈电被干扰单元。为了有效地减少天线单元间相互耦合的影响，国内外很多学者做了大量的工作，其中主要包括采用垂直极化，内置解耦网络，缺陷地结构，地板枝节等等。
虽然国内外已有大量学者对去耦合天线结构进行了一系列的研究，但是迄今为止，在国内外公开发表的研究里，对5G双频段解耦天线的相关研究较少，最新发表的论文中使用电磁带隙结构来抑制5G双频段天线之间的相互耦合，但是其去耦结构较复杂不便于调节，且导致天线之间的间距较大，以及天线不共地无法保持一样的公共电平。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种基于5G双频带的具有高隔离特性的双端口共地单极子天线，为了降低传导耦合和由地板表面波引起的互耦，选择去耦结构较简单的缺陷地结构，来改变地板表面电流分布，获得带阻特性和慢波特性，从而达到提高隔离度的目的。为了进一步提高天线单元之间的隔离，在地板中间加载合适的地板枝节，用以降低端口之间的互耦和改善天线在两个谐振点的阻抗匹配。但是天线在第二个谐振点4.85GHz的耦合仍然较大，随后在两个单极子天线之间加载一个非激励单元(T 形寄生单元)，受激励天线单元对增加的地板枝节和非激励寄生单元均产生耦合，并且增加的地板枝节对非激励寄生单元也会产生耦合，如果在非激励寄生单元上产生的耦合电流的相位相反，这两种耦合电流就会相互抵消，从而实现提高天线单元间隔离度的目的。
本发明5G双频带高隔离双端口共地单极子天线，包括介质基板、第一单极子天线、第二单极子天线、寄生单元、接地板、第一馈电端口与第二馈电端口。天线整体为左右对称结构。
所述第一单极子天线与第二单极子天线分别印刷于介质基板上表面左右两侧中心位置。第一单极子天线与第二单极子天线两侧加载有两个以微带线呈镜像分布的L 形枝节，其中L形枝节的横向枝节末端与微带线相接；T形寄生单元位于第一单极子天线与第二单极子天线的正中间；
所述接地板印刷于介质基板下表面；接地板具有缺陷地结构，中部向上延伸两条地板枝节，两条地板枝节具有纵向枝节以及靠近纵向枝节顶端的横向枝节。
上述第一单极子天线与第二单极子天线的微带线末端分别通过第一馈电端口与第二馈电端口连接接地板。
本发明的优点在于：
1、本发明5G双频带高隔离双端口共地单极子天线，使用缺陷地结构、地板枝节和寄生单元三种去耦合结构共同改善5G双频共地单极子天线的近距离相互耦合使得阻抗匹配性能恶化的问题，大幅度降低了共地双频段单极子天线之间的相互耦合，并且改善了5G中频段的阻抗匹配，缩小了天线之间的间距，具有移动终端小型化的优势，和5G快速发展的意义。
2、本发明5G双频带高隔离双端口共地单极子天线，利用缺陷地结构、地板枝节和寄生单元三种去耦合方法的结合显著提高了5G双频带天线单元的隔离度，去耦合结构简单、实用，制作容易，实现了低成本、紧凑型的5G双频高隔离双端口共地单极子天线，在5G系统中具有广阔的应用前景。
3、本发明5G双频带高隔离双端口共地单极子天线，利用缺陷地结构、地板枝节和寄生单元三种方法混合实现了5G双频段去耦合，在保持相同的公共电平下，显著提高了天线单元之间的隔离度，极大的缩短了天线单元之间的距离。
附图说明
图1为本发明5G双频带高隔离双端口共地单极子天线的三维结构组成示意图；
图2为本发明5G双频带高隔离双端口共地单极子天线中上表面结构示意图；
图3为本发明5G双频带高隔离双端口共地单极子天线中下表面结构示意图；
图4为本发明5G双频带高隔离双端口共地单极子天线中单极子天线结构尺寸示意图；
图5为本发明5G双频带高隔离双端口共地单极子天线中寄生单元结构尺寸示意图；
图6为本发明5G双频带高隔离双端口共地单极子天线中接地板结构尺寸示意图；
图7为实施例所设计5G双频带高隔离双端口共地单极子天线去耦合前后回波损耗仿真对比示意图；
图8为实施例所设计5G双频带高隔离双端口共地单极子天线去耦合前后传输系数仿真对比示意图；
图9a为实施例所设计5G双频带高隔离双端口共地单极子天线去耦合后在 3.5GHz时单极子的辐射方向仿真图；
图9b为实施例所设计5G双频带高隔离双端口共地单极子天线去耦合后在4.85GHz时单极子的辐射方向仿真图。
图中：
1-介质基板 2-第一单极子天线 3-第二单极子天线
4-寄生单元 5-接地板 6-第一馈电端口
7-第二馈电端口 a-圆形辐射贴片 b-天线枝节
c-微带线 501-矩形槽A 502-矩形槽B
503-矩形槽C 504-矩形槽D 505-左侧地板枝节
506-右侧地板枝节
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明5G双频带高隔离双端口共地单极子天线，包括介质基板1、第一单极子天线2、第二单极子天线3、寄生单元4、接地板5、第一馈电端口6与第二馈电端口 7，如图1所示。
所述介质基板1为印刷电路板，用于承载整个电路。
所述第一单极子天线2与第二单极子天线3激励方式为集总端口激励，结构及尺寸相同，印制于介质基板1上表面，均由圆形辐射贴片a、天线枝节b及微带线c组成，如图2所示。其中，微带线c沿介质基板左右两侧横向中心位置设置，其纵向平分线分别与介质基板左右两部分的横边垂直平分线重合，底端与介质基板1底边齐平；顶部与圆形辐射贴片a相接，且圆形辐射贴片a的圆心与微带线c的纵向平分线对齐,同时微带线c顶部还与圆形辐射贴片a具有一端重合部分。天线枝节b为两个以微带线c呈镜像分布的L形枝节组成，其中L形枝节的横向枝节末端与微带线c连接。上述结构的第一单极子天线2与第二单极子天线3分别印刷于介质基板1上表面左半部与右半部的中间位置，且相对于介质基板1纵向平分线左右对称。
所述寄生单元4印制于介质基板1的上表面，其中包括横向寄生枝节与纵向寄生枝节，如图2所示。横向寄生枝节与纵向寄生枝节的顶端相接，且两者纵向平分线重合，由此构成左右半部对称的T形结构寄生单元4。上述结构的寄生单元4位于第一单极子天线2与第二单极子天线3的正中间，其纵向平分线与介质基板1的纵向平分线重合。
所述接地板5印刷于介质基板1下表面，底边及左右两侧边分别与介质基板1的底边及左右两侧边齐平，如图3所示，接地板5上刻蚀有由多个矩形槽形成的缺陷地结构，具体为：
接地板5中部刻蚀有一个贯通接地板底边的矩形槽A501。由接地板5纵向平分线将接地板5分为接地板左部与接地板右部；接地板左部与接地板右部上均刻蚀有两个矩形槽B502、两个矩形槽C503与一个矩形槽D504。
其中，两个矩形槽B502分别刻蚀于接地板5上对应于第二单极子天线3左右两侧且位置对称；顶部贯通接地板5顶边。
两个矩形槽C503刻蚀位置同样分别位于接地板5上对应于第二单极子天线3左右两侧且位置对称；两个矩形槽C503横向位置均位于两个矩形槽B502之间，纵向位置低于两个矩形槽B502；且两个矩形槽C503侧边分别与两个矩形槽B502相接，使矩形槽B502与矩形槽C503连通。
矩形槽D504贯通接地板5顶边，刻蚀于靠近矩形槽A501的位置。
接地板右部上的开槽方式与接地板左部相同，使接地板右部与接地板左部相对接地板5的纵向平分线对称。
上述结构的接地板5中部向上延伸有左侧地板枝节505与右侧地板枝节506，均由纵向枝节与横向枝节构成。左侧地板枝节505与右侧地板枝节506的纵向枝节底端与接地板5顶边相接，左右对称布置于接地板5纵向平分线两侧。左侧地板枝节505 与右侧地板枝节506的横向枝节与接地板5顶边平行，末端分别与两条纵向枝节相接，相接位置靠近纵向地板枝节顶端，由此在接地板5纵向平分线两侧构成两个侧放非对称的T形地板枝节。
本发明5G双频带高隔离双端口共地单极子天线，采用印制电路板技术，天线正面为水平放置边缘间距为0.168λ0的单极子天线，其中λ0是频率为3.5GHz时的自由空间波长，天线背面为公共地板。第一单极子天线2与第二单极子天线3的第一个 5G谐振频点(3.5GHz)是通过激发圆形辐射贴片a而产生，圆形辐射贴片a的半径越大谐振频点越低；为了产生第二个5G谐振频点(4.85GHz)，选择在天线的微带线 c上加载了两个L形以微带线c呈镜像对称的天线枝节b，并且天线枝节b的纵向枝节越长谐振频点越低。同时在接地板上刻蚀了矩形槽B502来调整第二个5G谐振频点的阻抗匹配。为了降低传导耦合和由地板表面波引起的互耦，引入去耦结构较简单的缺陷地结构，通过刻蚀接地板5上的矩形槽A501与矩形槽D504来延长接地板5 表面电流的路径，减小因需要保持公共电平而共地引起的传导耦合，增大天线单元之间的隔离度。公共地板的改变影响了接地板5表面电流的路径，改变了传输线的分布参数，使得传输线和接地板5之间的电场分布被改变，减小互耦的同时也改善了天线阻抗不匹配的情况。
为了进一步降低天线单元之间的互耦，减小缺陷地结构对天线两个工作频段阻抗匹配的影响，本发明首先在接地板上加载地板枝节505、地板枝节506的纵向枝节，降低了天线单元在4.85GHz处的相互耦合；随后在接地板上加载地板枝节505、地板枝节506的横向枝节，通过调节枝节长短，增大了天线单元在3.5GHz处的隔离度，并且改善了天线在两个工作频段的阻抗匹配情况。
而天线在4.85GHz处的隔离度仍然较低，本发明选择在第一单极子天线2和第二单极子天线3的正中间加载一个寄生单元4，在原来两天线间的耦合路径上引入新的耦合，通过调整寄生单元4的结构和布局，以控制新耦合路径上的耦合量，当由寄生单元4产生的耦合量与原来两天线单元之间的耦合能够相抵消时，两个天线单元的隔离度进一步增大，结构在4.85GHz处的去耦合效果显著。但是去耦合结构的增加，使得天线单元的第二个工作频段向低频偏移，本发明在接地板对应于微带线c两侧的位置向内刻蚀有两个矩形槽C503，通过调整矩形槽C503的大小来降低去耦合结构对天线单元第二工作频段的影响。
所述第一馈电端口6与第二馈电端口7分别位于于介质基板1的侧面，如图1所示。第一馈电端口6用于实现第一单极子天线2与接地板5间的连接；第二馈电端口7用于实现第二单极子天线3与接地板5间的连接；第一馈电端口6与第二馈电端口 7的输入端口用于输入信号，与微带线c末端直接相接，输入阻抗为50Ω。
实施例：
本发明5G双频带高隔离双端口共地单极子天线具体设计方式：
如图1、图2所示，介质基板1选择Rogers RO4003，相对介电常数为3.55，横向长度为56.4mm,纵向宽度38.6mm，厚度为1.524mm。如图2、图4所示，第一单极子天线2与第二单极子天线3中，天线枝节b宽度为1.5mm，其中两个L形天线枝节的纵向枝节长度为6.8mm，横向枝节长度为5.55mm，且横向枝节与介质基板1 底边的垂直距离为6.1mm。微带线c宽度为2.7mm；长度为18.2mm。圆形贴片a半径为2.5mm。微带线c顶部与圆形贴片a间重合部分长度为0.6mm。第一单极子天线 2与第二单极子天线3中圆形辐射贴片a的圆心距离为28.2mm，天线枝节b相对纵边水平距离为14.4mm。
如图5所示，寄生单元4的纵向寄生枝节长为17mm，宽为0.6mm，末端距离介质基板1的底边垂直距离为10.5mm；横向寄生枝节的长为1mm，其宽与纵向寄生枝节的宽相等。
如图6所示，接地板5为高7.1mm、宽56.4mm的矩形，接地板上的矩形槽具体设计方式如下：
矩形槽A501宽为1mm、高为4.8mm。接地板左部的两个矩形槽B502长为8.2mm、宽为2.2mm，水平距离为6mm。两个矩形槽C503长为0.9mm、宽为1mm；两个矩形槽C503顶边距离接地板5顶边为1.7mm。矩形槽D504宽为1.4mm、长为6.5mm，与矩形槽A501间距为0.6mm。
所述左侧地板枝节505与右侧地板枝节506中，纵向地板枝节与横向地板枝节宽度均为1mm。左侧地板枝节与右侧地板枝节的纵向地板枝节长度为23.5mm，间距为 0.8mm。左侧地板枝节505与右侧地板枝节506的横向地板枝节长度为23.1mm，距纵向地板枝节顶端距离为0.9mm。
对上述结构的5G双频共地单极子天线进行仿真测试，如图7所示，为去耦合前后S11、S22的对比图，可以看出去耦合前，两单极子天线因为近距离耦合严重，使得天线工作频段的阻抗匹配情况急剧恶化，尤其是在4.76-5.04GHz频段，单极子天线已经无法正常辐射，而去耦合后，单极子天线双频段的阻抗匹配均得到极大改善，天线的带宽为3.409-3.601GHz、4.76-5.04GHz(S11<10dB)，符合5G中频段的要求。如图8所示，为去耦合前后S12、S21的对比图，在单极子工作辐射频段3.409-3.601GHz，去耦合前后，天线单元互耦从低于-13.2dB降到了低于-26.2dB，隔离度提高了13dB 以上；在4.76-5.04GHz频段，天线单元互耦从去耦合前的-8.3dB以下，通过去耦合结构降到了-30.7dB以下，并且在4.8-5.04GHz频段单元互耦低于-37.5dB，去耦合效果显著。
天线工作在3.5GHz和4.85GHz时的最大增益分别为2.45dBi和4.56dBi，两个频段的增益均在2dBi以上，满足天线的设计指标。在仿真中，天线水平放置于xoy平面，图9(a)与图9(b)分别展示了天线工作在3.5GHz和4.85GHz时xoz面和yoz面的辐射方向图，从图中可以看出3.5GHz处，xoz面与yoz面均近似于全向辐射；4.85GHz 时，天线在yoz面近似于全向辐射，而在xoz面主要由θ＝0°～180°方向向外辐射。
上述所有测试结果都验证了本发明5G双频带高隔离双端口共地单极子天线具有良好的隔离特性，试验结果是成功的，实现了发明目的。

Claims (3)

1.5G双频带高隔离双端口共地单极子天线，包括单极子天线、介质基板与接地板；单极子天线印刷于介质基板上表面、接地板印刷于介质基板下表面；其特征在于：还包括第一单极子天线、第二单极子天线、寄生单元、接地板、第一馈电端口与第二馈电端口，天线整体为左右对称结构；
所述单极子天线包括第一单极子天线与第二单极子天线，分别印刷在介质基板上表面左右两侧的中部，呈介质基板纵向平分线对称分布；第一单极子天线与第二单极子天线的微带线两侧加载有两个L形枝节，两个L形枝节以微带线呈镜像分布；T形寄生单元位于第一单极子天线与第二单极子天线的正中间；
所述接地板具有缺陷地结构，中部向上延伸两条地板枝节，两条地板枝节具有纵向枝节以及靠近纵向枝节顶端的横向枝节；接地板中部刻蚀有贯通接地板底边的矩形槽A，接地板左半部上刻蚀有两个矩形槽B、两个矩形槽C与一个矩形槽D；其中，两个矩形槽B分别位于接地板上对应于第二单极子天线左右两侧且位置对称；两个矩形槽C刻蚀位置同样分别位于接地板上对应于第二单极子天线左右两侧且位置对称；两个矩形槽C横向位置均位于两个矩形槽B之间，纵向位置低于两个矩形槽B；两个矩形槽C侧边分别与两个矩形槽B相接；矩形槽D贯通接地板顶边，刻蚀于接地板左半部的右侧靠近矩形槽A位置；接地板右半部上的开槽方式与接地板左部相同，使接地板右半部与接地板左半部相对接地板纵向平分线对称；
上述第一单极子天线与第二单极子天线的微带线末端分别通过第一馈电端口与第二馈电端口连接接地板。
2.如权利要求1所述一种5G双频带高隔离双端口共地单极子天线，其特征在于:所述第一单极子天线与第二单极子天线的具体结构为：
包括圆形辐射贴片、微带线和天线枝节；其中，微带线的纵平分线沿介质基板左右等面积两部分的纵向平分线设置；天线枝节由两个以的纵向平分线呈镜像分布的L形枝节组成，其中L形枝节的横向枝节末端与微带线相接；微带线顶部与圆形辐射贴片相接，具有重合部分，圆形辐射贴片的圆心与微带线的纵向平分线对齐。
3.如权利要求1所述一种5G双频带高隔离双端口共地单极子天线，其特征在于:介质基板选择Rogers RO4003，相对介电常数为3.55，长度为56.4mm,宽度38.6mm，厚度为1.524mm；
两个L形天线枝节宽度为1.5mm，纵向枝节长度为6.8mm，横向枝节长度为5.55mm，且横向枝节与介质基板底边的垂直距离为6.1mm；微带线宽度为2.7mm；长度为18.2mm；圆形辐射贴片半径为2.5mm；微带线与圆形辐射贴片间的重合部分长度为0.6mm；第一单极子天线与第二单极子天线中圆形辐射贴片的圆心距离为28.2mm，第一单极子天线与第二单极子天线相对一侧的L形枝节的纵向枝节水平距离为14.4mm；
接地板高7.1mm、宽56.4mm；矩形槽A，其宽为1mm、高为4.8mm；两个矩形槽B长为8.2mm、宽为2.2mm，水平距离为6mm；两个矩形槽C长为0.9mm、宽为1mm，顶边距离接地板顶边为1.7mm；矩形槽D宽为1.4mm、长为6.5mm，矩形槽D与矩形槽A水平间距为0.6mm；
两条地板枝节中纵向枝节与横向枝节宽度均为1mm，其中纵向枝节长度为23.5mm，间距0.8mm；两条地板枝节中横向枝节长度为23.1mm，与纵向枝节条带顶端垂直距离为0.9mm。
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