CN111129752A - 一种自解耦mimo天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自解耦MIMO天线系统，包括接地板、与接地板连接的地辐射天线和环形天线，所述环形天线与接地板共同构成环形共振体；形成在环形天线的两端区域产生强电流分布且电流模式相反、在环形天线的中间区域产生弱电流分布的环形电流模式，所述地辐射天线与环形天线邻近设置或电性相连设置并形成在环形天线的中间区域。实施本发明的自解耦MIMO天线系统，无需任何降耦合结构和电路，因而结构更简单，成本更低，在实现高隔离度和低相关性的同时，具有结构紧凑、单元尺寸小、单元间距近等优点。

Description

一种自解耦MIMO天线系统

技术领域

本发明涉及通信天线技术领域，更具体地涉及一种自解耦MIMO天线系统。

背景技术

天线已经成为各种无线设备中的必备装置，用以发射和接收电磁波信号。MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技术采用多个天线装置同时收发，可大幅提高无线传输速率，无需增大发射功率或增加工作频谱，是第四代移动通信和第五代通信系统的核心技术之一。为保证优异的MIMO特性，必须实现天线之间的高隔离度或低耦合，以降低天线之间相关度。但是，由于现代无线设备的空间有限，天线间距较小，天线间的信号干扰变大，严重影响MIMO系统的性能。传统方法依靠拉大天线之间距离来实现高隔离度，难以将更多的天线装置集成到无线设备内部，因而不能满足当前对高传输速率传输的需求。

尤其随着第五代通信系统的布局和推广，大规模天线阵列成为一种趋势，从而对紧凑型的MIMO天线系统的需求越来越高。而现有技术主要通过引入寄生共振、引入降耦网络、利用正交模式等方法来提高天线之间的隔离度。

一方面，在两个天线之间引入新的寄生结构是改善隔离度的最常见的方法之一，寄生结构可生成一个相位相反的耦合路线，以抵消天线之间的原始耦合，从而改善天线隔离度。寄生结构的类型可以是槽缝、环型、条带状、悬浮结构等。但是该方法需要引入额外的结构体，占用的空间较大，不利于天线的小型化设计，此外该方法很难实现高度紧凑的MIMO天线系统。

另一方面，降耦网络通常采用集总元件电路或中和线等方法来抵消天线之间的耦合，可有效地实现紧凑型MIMO天线设计。但是该方法需要较多的元器件或占用较大的电路面积，且目前仅适用于单极子天线或倒F天线。

此外，将天线正交放置或激发正交电流模式，可以很好地实现高隔离度和紧凑的MIMO天线系统，而不需要额外的降耦结构或电路。但是该方法需要的天线尺寸较大，难以实现MIMO天线系统的集成化和小型化。

上述的现有技术或不能实现紧凑型MIMO系统，或具有较复杂的降耦合结构，或具有很大的应用局限性，或具有较大的天线尺寸。

因而，有必要提出一种结构简易的MIMO天线系统，无需任何降耦合结构或电路，实现高度集成、高度紧凑、且具有高隔离度的MIMO天线系统，避免传统方法中耗时的个例分析与调试，节约成本，减少开发周期。

发明内容

为了解决所述现有技术的不足，本发明提供了一种自解耦MIMO天线系统，无需任何降耦合结构和电路，具有天线结构紧凑、天线单元尺寸小、单元间距近等特点，实现了高度集成、高度紧凑、具有高隔离度的MIMO天线系统。该发明可适用于各种无线通信设备中，尤其适用于大规模阵列在终端设备中的应用。

本发明所要达到的技术效果通过以下方案实现：一种自解耦MIMO天线系统，包括接地板、与接地板连接的地辐射天线和环形天线，所述环形天线与接地板共同构成环形共振体；形成在环形天线的两端区域产生强电流分布且电流模式相反、在环形天线的中间区域产生弱电流分布的环形电流模式，所述地辐射天线与环形天线邻近设置或电性相连设置并形成在环形天线的中间区域。

优选地，所述地辐射天线包括第一净空区、第一馈电、第一激励导线和第一共振导线，所述第一净空区为接地板上挖空的区域，第一激励导线配置于第一净空区内，第一激励导线包括第一元器件；第一共振导线配置于第一净空区的开口一侧，第一共振导线包括第一电容元件。

优选地，所述环形天线配置于接地板的外侧，包括第二馈电、第二激励导线和第二共振导线，第二共振导线的两端均与接地板连接；第二激励导线包括第二元器件。

优选地，所述环形天线配置于接地板的内侧，包括第二净空区、第二馈电和第二激励导线，第二净空区为接地板上挖空的区域，第二激励导线配置于第二净空区内，第二激励导线包括第二元器件。

优选地，所述第一净空区内还连接有第一分支，所述第一分支的两端分别与接地板连接；所述第一分支包含第三元器件。

优选地，所述第一净空区内还连接有第一分支，所述第一分支的一端连接第一共振导线，另一端连接接地板。

优选地，所述第二共振导线的中间区域还连接第四元器件。

优选地，所述第二共振导线上还连接第一电感元件。

优选地，所述第二共振导线内还连接第二分支，所述第二分支包括第五元器件。

本发明具有以下优点：

1)不同于现有的技术，本发明中自解耦MIMO天线系统无需任何降耦合结构和电路，因而结构更简单，成本更低，具有更广阔的应用前景。

2)本发明实现了高度紧凑的MIMO天线系统，在实现高隔离度和低相关性的同时，具有结构紧凑、单元尺寸小、单元间距近等特点。

附图说明

图1a是本发明实施例一中自解耦MIMO天线系统第一种具体实施方案的结构示意图；

图1b是本发明中自解耦MIMO天线系统的电流分布示意图；

图1c是本发明实施例一中自解耦MIMO天线系统第二种具体实施方案的结构示意图；

图2a是本发明实施例二中自解耦MIMO天线系统第一种具体实施方案的结构示意图；

图2b是本发明实施例二中自解耦MIMO天线系统第二种具体实施方案的结构示意图；

图3a展示了本发明中自解耦MIMO天线系统中地辐射天线的其它实施例(例1)的示意图；

图3b展示了本发明中自解耦MIMO天线系统中地辐射天线的其它实施例(例2)的示意图；

图3c展示了本发明中自解耦MIMO天线系统中地辐射天线的其它实施例(例3)的示意图；

图3d展示了本发明中自解耦MIMO天线系统中地辐射天线的其它实施例(例4)的示意图；

图4a展示了本发明中自解耦MIMO天线系统中环形天线的其它实施例(例1)的示意图；

图4b展示了本发明中自解耦MIMO天线系统中环形天线的其它实施例(例2)的示意图；

图4c展示了本发明中自解耦MIMO天线系统中环形天线的其它实施例(例3)的示意图；

图4d展示了本发明中自解耦MIMO天线系统中环形天线的其它实施例(例4)的示意图；

图4e展示了本发明中自解耦MIMO天线系统中环形天线的其它实施例(例5)的示意图；

图4f展示了本发明中自解耦MIMO天线系统中环形天线的其它实施例(例6)的示意图；

图5展示了本发明中一种单频模式下的自解耦MIMO天线系统的S参数图；

图6展示了本发明中一种双频模式下的自解耦MIMO天线系统的S参数图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的组件或具有相同或类似功能的组件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“设置”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个组件内部的连通或两个组件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

通过深入研究MIMO天线的耦合原理，本发明提出了一种自解耦MIMO天线系统，无需任何结构结构或电路，可形成高度紧凑的MIMO天线系统，具有更加广泛的应用前景。

实施例一

图1展示了本发明实施例一中的自解耦MIMO天线系统的结构示意图。

如图1a所示，一种自解耦MIMO天线系统包括接地板102、一配置于接地板102侧边的地辐射天线110和一配置于接地板102外侧的环形天线120。所述的地辐射天线110位于环形天线120的中间区域，其开口一侧被环形天线120环绕。

地辐射天线110包括第一净空区104、第一馈电111、第一激励导线112和第一共振导线114。所述的第一净空区104为接地板102侧边挖空的凹槽。所述的接地板102铺设于印刷电路板上。

第一激励导线112配置于第一净空区104内，一端连接第一馈电111，另一端连接接地板102，第一馈电111与接地板102连接。第一激励导线112包括第一元器件113，所述的第一元器件113可以为导线、电感元件或者电容元件。第一激励导线112作为地辐射天线110的激励回路，用于馈入一射频信号和控制天线的阻抗匹配，并将第一馈电111中的RF信号耦合至第一共振导线114。第一激励导线112可根据其数量、位置、连接方式等具有不同的表现形式，可采用现有技术中任意常规结构的激励回路对天线进行馈电，因而，本发明对第一激励导线112的具体结构、类型和连接方式等不作出具体限制。

第一共振导线114配置于第一净空区104的开口一侧，两端均与接地板102连接。第一共振导线114包括第一电容元件115。所述的第一共振导线114可利用第一净空区104构成一环绕净空区的共振体，产生天线共振，并将RF能量耦合到接地板102，利用接地板102作为天线的一部分进行辐射。因而第一电容元件115可以用来简易控制天线的共振频率。应当理解的是，所述第一共振导线114可以是一个或者多个，本发明实施例仅图示一个，但不应作为限制。

环形天线120配置于接地板102的外侧，包括第二馈电121、第二激励导线122和第二共振导线124。

第二激励导线122一端连接第二馈电121，另一端连接第二共振导线124，第二馈电121与接地板102连接。第二激励导线122包括第二元器件123，所述的第二元器件123可以为导线、电感元件或者电容元件。第二激励导线122作为环形天线120的激励回路，用于馈入一射频信号和控制天线的阻抗匹配，并将第二馈电121中的RF信号耦合至第二共振导线124。第二激励导线122可根据其数量、位置、连接方式等具有不同的表现形式，可采用现有技术中任意常规结构的激励回路对天线进行馈电，因而，本发明对第二激励导线122的具体结构、类型和连接方式等不作出具体限制。

第二共振导线124的两端均与接地板102连接，与接地板102共同构成一环形共振体。且第二共振导线124的两端在地辐射天线110的两侧与接地板102连接，包覆地辐射天线110，且地辐射天线110配置于环形天线120的中间区域，即，地辐射天线110位于第二共振导线124的中间区域。第二共振导线124作为环形天线110的共振回路，其电流长度约为半个波长，产生天线共振并控制天线频率。应当理解的是，所述第二共振导线124可以是一个或者多个，本发明实施例仅图示一个，但不应作为限制。

根据本发明的实施例，所述的电容元件具有电容成分，可以为集总元件，例如芯片电容器、变容二极管、晶体管等，也可以为分布元件，例如平行导线、传输线等。此外，电容元件可由一单一电容元件构成，也可以由多个电容元件彼此连接构成。为获得某特定电容，可使用多个元件的组合代替电容元件，例如，电容元件可由电容元件与电感元件的组合结构代替。

根据本发明的实施例，所述的电感元件具有电感成分，可以为集总元件，例如芯片电感器、芯片电阻器等，也可以为分布元件，例如导线、线圈等。同样，电感元件可由一单一电感元件构成，也可以由多个电感元件彼此连接构成。

图1b是本发明中自解耦MIMO天线系统的电流分布示意图，以解释本发明中自解耦的工作原理。

如图1b所示，并结合图1a，环形天线120与接地板102共同构成一环形共振体，生成一沿着第二共振导线124分布的环形电流模式。该环形电流模式在环形天线120的两端区域产生强电流分布且电流模式相反，在环形天线120的中间区域产生弱电流分布。通过将地辐射天线110配置于环形天线110的弱电流区域内，两个天线之间即可产生自解耦效果，从而可构成一具有高隔离度的紧凑型的自解耦MIMO天线系统，在简化天线结构的同时亦可简化MIMO系统的收发电路。

图1c展示了本发明实施例一的一种变形结构。

如图1c所示，一种自解耦MIMO天线系统包括接地板102、配置于接地板102侧边的地辐射天线110和配置于接地板102外侧的环形天线120。地辐射天线110配置于环形天线120的中间区域，其开口一侧的第一电容元件115被环形天线120环绕。

地辐射天线110的电路结构与图1a中相同。

第二激励导线122一端连接第二馈电121，一端连接第二共振导线124，第二馈电121与接地板102连接。第二激励导线122包括第二元器件123，所述的第二元器件123可以为导线、电感元件或者电容元件。第二激励导线122作为环形天线120的激励回路，用于馈入一射频信号和控制天线的阻抗匹配，并将第二馈电121中的RF信号耦合至第二共振导线124。

环形天线120中的第二共振导线124的两端均与地辐射天线110中的第一共振导线114连接，并连接在第一电容元件115的两端。因而，第二共振导线124通过第一共振导线114与接地板102电性连接，与接地板102共同构成一环形共振体。第二共振导线124作为环形天线110的共振回路，其电流长度约为半个波长，产生天线共振并控制天线频率。

实施例二

图2是本发明实施例二中自解耦MIMO天线系统的示意图。

如图2a所示，一自解耦MIMO天线系统包括接地板102、一配置于接地板102侧边的地辐射天线210和配置于接地板102内侧的环形天线220。地辐射天线210配置于环形天线220的中间区域，且两个天线之间间距很小。

地辐射天线210包括第一净空区204、第一馈电211、第一激励导线212和第一共振导线214。所述的第一净空区204为接地板102侧边挖空的凹槽。

第一激励导线212配置于第一净空区204内，一端连接第一馈电211，一端连接接地板102，第一馈电211与接地板102连接。第一激励导线212包括第一元器件213，所述的第一元器件213可以为导线、电感元件或者电容元件。第一激励导线212作为地辐射天线210的激励回路，用于馈入一射频信号和控制天线的阻抗匹配，并将第一馈电211中的RF信号耦合至第一共振导线214。

第一共振导线214配置于第一净空区204的开口一侧，两端均与接地板102连接。第一共振导线214包括第一电容元件215。所述的第一共振导线214可利用第一净空区204构成一环绕净空区的共振体，产生天线共振，并将RF能量耦合到接地板102，利用接地板102作为天线的一部分进行辐射。

环形天线220配置于接地板102的内侧，包括第二净空区206、第二馈电221和第二激励导线222。

第二激励导线222配置于第二净空区206内，一端连接第二馈电221，一端连接接地板102，第二馈电221与接地板102连接。第二激励导线222包括第二元器件223，所述的第二元器件223可以为导线、电感元件或者电容元件。第二激励导线222作为环形天线220的激励回路，控制天线的阻抗匹配。

第二净空区206为接地板102内部挖空的区域，四周均被接地板102环绕，从而与接地板102共同构成一围绕第二净空区206的环形共振体，作为环形天线220的共振回路。第二净空区206长边的电流长度约为半个波长，长边的长度短边的长度，产生天线共振并控制天线频率。第二净空区206与第一净空区204之间距离很小，即邻近设置，且第一净空区204位于第二净空区206长边的中间区域。根据本发明的实施例，地辐射天线210位于环形天线220的中间区域，两者间距很小，构成一自解耦MIMO天线系统。

图2b展示了本发明实施例二的一种变形结构。

如图2a所示，一自解耦MIMO天线系统包括一配置于接地板102内侧的地辐射天线210和配置于接地板102内侧的环形天线220。地辐射天线210位于环形天线220的中间区域，其开口一侧被环形天线220环绕。

环形天线220的电路结构与图2a中相同。

地辐射天线210包括第一净空区204、第一馈电211、第一激励导线212和第一共振导线214。所述的净空区为接地板102内侧挖空的区域，一侧开口，开口一侧面向第二净空区206，其余侧边被接地板102环绕。其它电路结构与图2a中相同。

图3展示了本发明中自解耦MIMO天线系统中地辐射天线的其它实施例的示意图。

地辐射天线的激励导线可根据其数量、位置、连接方式等具有不同的表现形式，可采用现有技术中任意常规结构的激励回路对天线进行馈电，因而，本发明对地辐射天线的激励导线的具体结构、类型和连接方式等不作出具体限制。地辐射天线的共振导线与净空区共同生成天线共振，因而地辐射天线310中的第一共振导线314亦有多种实施例来实现相同的目的。如图3a所示,第一共振导线314可以配置在第一净空区304的外侧，占用净空区之外的空间。如图3b所示，第一净空区304内连接有第一分支316，所述的第一分支316的两端分别与接地板102连接。第一分支316包含第三元器件317，所述的第三元器件317可以为导线、电感元件或者电容元件。如图3c所示，第一分支316一端连接第一共振导线314，另一端连接接地板102。所述方法可以在第一净空区304内构成一个或多个共振体，继而产生一个或多个频带。如图3d所示,第一净空区304可以是位于接地板一侧或者相邻两侧的侧边挖空的区域，两侧开口。地辐射天线310中共振导线的共同特征为：配置在第一净空区304的开口一侧，且至少包括一个电容元件，从而与净空区共同构成一个或多个共振体。

图4展示了本发明中自解耦MIMO天线系统中环形天线的其它实施例的示意图。

如图4a所示，环形天线420由第二馈电421直接进行馈电，第二共振导线424一端连接第二馈电421，一端连接接地板102，与接地板共同构成一环形共振体。同时，为实现环形天线的小型化、多频带、宽带等更加复杂的功能，共振导线可具有多种不同的实施例。如图4b至4e所示，环形天线420包括第二馈电421、第二激励导线422和第二共振导线424。如图4b所示，第二共振导线424的中间区域可连接第四元器件425，所述的第四元器件425可以为导线、电感元件或者电容元件；如图4c所示，第二共振导线424的任意位置上可连接第一电感元件426；如图4d和4e所示，第二共振导线424内可连接第二分支427，所述的第二分支427可包括第五元器件428。如图4f所示，环形天线420亦包括一配置于接地板侧边的第三净空区406。环形天线420中第二共振导线424的共同特征为，与接地板共同构成至少一个环形共振体。

本发明的上述实施例中，本领域技术人员应当理解的是，地辐射天线、环形天线以及接地板之间可以设置在同一平面，也可以设置在不同的平面。本发明实施例的所有附图中以在同一平面作为示例，不应以此作为限制。

图5展示了本发明中一种单频模式下的自解耦MIMO天线系统的S参数图。

如图5所示，第一曲线5a是地辐射天线产生的反射系数，第二曲线5b是由环形天线产生的反射系数。两个天线的中心频率均在3.5GHz附近，具有宽带特性。第三曲线5c是两个天线之间的反向传输系数，代表了天线之间的耦合度，可以得知，第三曲线5c在工作频带内产生了一个耦合峰谷，从而可确保天线之间产生较高的隔离度(20dB以上)。此外，该自解耦MIMO天线的辐射效率均在80％以上，且仿真和测试中得到的相关度(ECC)均低于0.1。因而，本发明中的自解耦MIMO天线系统具有隔离度高、辐射性能好、相关性低等特点，适用于MIMO系统的应用。

图6展示了本发明中一种双频模式下的自解耦MIMO天线系统的S参数图。

结合图3和图4，可知，本发明中的自解耦MIMO天线系统可产生一个或多个共振，实现在单频段或多频段内的自解耦效果。如图6所示，第一曲线6a和第二曲线6b分别是地辐射天线和环形天线产生的反射系数。两个天线同时在3.5GHz和5.5GHz两个频段内产生共振。第三曲线6c为天线之间的反向传输系数，代表天线间的耦合度，可以得知，两个频段内的隔离度均在12dB以上。因而，本发明中的自解耦MIMO天线技术也可构成多频段模式下的紧凑式MIMO天线系统。

综上所述，上述实施例相比现有技术，具有如下特点：

1)本发明中的自解耦MIMO天线系统无需任何降耦合结构或电路，具有结构紧凑、单元尺寸小、单元间距近、隔离度高、相关性低等特点，具有更广阔的的应用场景。

2)本发明中的紧凑型MIMO天线系统不仅适用于单频带，也适用于多频带。

以上所述是本发明的优选实施方式，并非对本发明做出任何形式上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也是为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种自解耦MIMO天线系统，其特征在于，包括接地板、与接地板连接的地辐射天线和环形天线，所述环形天线与接地板共同构成环形共振体；形成在环形天线的两端区域产生强电流分布且电流模式相反、在环形天线的中间区域产生弱电流分布的环形电流模式，所述地辐射天线与环形天线邻近设置或电性相连设置并形成在环形天线的中间区域。

2.如权利要求1所述的一种自解耦MIMO天线系统，其特征在于，所述地辐射天线包括第一净空区、第一馈电、第一激励导线和第一共振导线，所述第一净空区为接地板上挖空的区域，第一激励导线配置于第一净空区内，第一激励导线包括第一元器件；第一共振导线配置于第一净空区的开口一侧，第一共振导线包括第一电容元件。

3.如权利要求1所述的一种自解耦MIMO天线系统，其特征在于，所述环形天线配置于接地板的外侧，包括第二馈电、第二激励导线和第二共振导线，第二共振导线的两端均与接地板连接；第二激励导线包括第二元器件。

4.如权利要求1所述的一种自解耦MIMO天线系统，其特征在于，所述环形天线配置于接地板的内侧，包括第二净空区、第二馈电和第二激励导线，第二净空区为接地板上挖空的区域，第二激励导线配置于第二净空区内，第二激励导线包括第二元器件。

5.如权利要求2所述的一种自解耦MIMO天线系统，其特征在于，所述第一净空区内还连接有第一分支，所述第一分支的两端分别与接地板连接；所述第一分支包含第三元器件。

6.如权利要求2所述的一种自解耦MIMO天线系统，其特征在于，所述第一净空区内还连接有第一分支，所述第一分支的一端连接第一共振导线，另一端连接接地板。

7.如权利要求3所述的一种自解耦MIMO天线系统，其特征在于，所述第二共振导线的中间区域还连接第四元器件。

8.如权利要求3所述的一种自解耦MIMO天线系统，其特征在于，所述第二共振导线上还连接第一电感元件。

9.如权利要求3所述的一种自解耦MIMO天线系统，其特征在于，所述第二共振导线内还连接第二分支，所述第二分支包括第五元器件。

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