CN111600130A - 一种去耦芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种去耦芯片，包括四个呈田字分布的金属开口谐振环，四个金属开口谐振环相互连接在一起，集成在一个芯片上，四个金属开口谐振环开口分别在去耦芯片的四个方向上。所述金属开口谐振环的内部还分别增加一节金属线，金属线与金属开口谐振环内侧端部之间通过PIN二极管连接，通过实现PIN二极管的通断，实现金属开口谐振环工作频段的调谐。本发明通过设计特殊结构的谐振环，并通过低温共烧陶瓷(LTCC)技术，集成芯片，该芯片在一定的频带内产生单负特性，用于天线之间去耦。同时在芯片内部添加PIN二极管，可以调节芯片的工作频段。
Description
技术领域
本发明涉及天线去耦领域，特别涉及一种用于天线之间去耦的去耦芯片。
背景技术
随着移动通信系统的快速发展，射频频谱资源日益短缺，如何提供更高质量、更快速的通信服务成为第五代移动通信系统(5G)中的研究热点。在此背景下，已经提出许久的多输入多输出(MIMO)通信技术成为了5G系统中的关键技术。
多输入多输出(MIMO)技术是指在发射端和接收端同时使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端和接收端的多个天线发射和接收。因此，多输入多输出技术能够在不额外增加通信频带和发射功率的情况下，实现高速、大容量的数据传输，显著的提高系统数据吞吐率和信道容量。在多输入多输出(MIMO)系统中，天线起着至关重要的作用，因为天线的特征固有地包含在发射器和接收器之间的通信信道中。
MIMO技术是基于天线阵列而言的，随着对信道容量需求的不断增长，大规模MIMO技术将会成为5G系统的核心，并且紧凑密集的阵列将促进这一进程。然而，无论是5G基站，或是移动终端中，由于空间限制，随着天线数量的增加，天线单元之间的间距相对较小，造成单元之间会形成强烈的互相耦合。在特定的空间内，天线单元数量越多，单元之间的耦合更强，会导致：
（1）空间相关性的增加；
（2）辐射效率的降低；
（3）单元增益的下降；
（4）信噪比的恶化；
（5）信道容量的减小。
综上所述，在有限的空间内，在MIMO系统中如何有效的减小天线单元之间的耦合，提高单元之间的隔离度，并保证原天线的辐射性能，成为了业界研究的热点。
发明内容
研究表明，当材料的等效介电常数和磁导率其中一个为负值而另一个为正值时，电磁波在其特定频段内无法传播。
根据等效参数模型理论，将细金属线阵列和金属开口谐振环两种结构通过周期排列的方式摆放在一起时，电磁场会激励感应电流在周期性金属结构上同时起作用，从而产生负的介电常数以及负的磁导率。
本发明目的是：提供一种去耦芯片，应用在MIMO系统中有效的减小天线单元之间的耦合，提高单元之间的隔离度，并保证原天线的辐射性能。
本发明的技术方案是：
一种去耦芯片，包括四个呈田字分布的金属开口谐振环，四个金属开口谐振环相互连接在一起，集成在一个芯片上，四个金属开口谐振环开口分别在去耦芯片的四个方向上。
优选的，所述金属开口谐振环的内部还分别增加一节金属线，金属线与金属开口谐振环内侧端部之间通过PIN二极管连接，通过实现PIN二极管的通断，实现金属开口谐振环工作频段的调谐。
优选的，所述PIN二极管处于关闭状态时，去耦芯片工作频段在820-960MHz，当PIN二极管处于开启状态时，工作频段向低频偏移，此时工作频段变为700-820MHz。
优选的，所述田字分布的金属开口谐振环设计为多层，使得田字结构的等效介电常数实部在 0.8 GHz～1GHz 内为负，而等效磁导率实部为正值。
优选的，所述去耦芯片利用低温共烧陶瓷技术、薄膜技术、硅片半导体技术、多层电路板技术中的一种进行集成。
优选的，所述去耦芯片用于天线系统的单元天线之间的去耦。
优选的，所述金属开口谐振环的形状为多边形或圆形。
优选的，所述金属开口谐振环个数设计成四个以上。
优选的，去耦芯片替换设计成多层PCB形式，放置在天线之间进行去耦。
本发明的优点是：
本发明通过设计特殊结构的谐振环，并通过低温共烧陶瓷(LTCC)技术，集成芯片，该芯片在一定的频带内产生单负特性，用于天线之间去耦。同时在芯片内部添加PIN二极管，可以调节芯片的工作频段。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为金属谐振环及其等效电路；
图2为实施例1的去耦芯片内部示意图；
图3为实施例2的去耦芯片内部示意图；
图4双天线加载去耦芯片的原理图；
图5为加载实施例1的去耦芯片前后的隔离度参数对比图；
图6为加载实施例2的去耦芯片前后的隔离度参数对比图。
具体实施方式
如图1所示，为一个金属开口谐振环结构及其等效电路，类似于电容电感组成的LC滤波电路。开口谐振环是磁性超材料的一种，一对同心的亚波长大小的开口谐振环，互相反向放置,可以有效地提高磁导率。
实施例1
如图2所示，本实施例的去耦芯片，包括四个呈田字分布的金属开口谐振环7，四个金属开口谐振环相互连接在一起，集成在一个芯片上，四个金属开口谐振环开口分别在去耦芯片的四个方向上。该结构可以看做是由四个金属开口谐振环组合而成。这样做的好处，四个方向都有开口，可以接受各个方向的电磁波，克服了单一开口朝向带来的问题。
为了增强所设计结构的谐振效果以及隔离带宽,我们将四个金属谐振环连接在一起，这样既能增加金属弯折线的长度又能使各金属环的谐振耦合在一起，从而增加了该结构的隔离带宽。
设计多层周期谐振单元。使得田字结构的等效介电常数实部在 0.8 GHz～ 1GHz内为负，而等效磁导率实部为正值。因此在此频段范围内满足单负材料特性，具有电磁超材料独特的电磁禁带。
利用低温共烧陶瓷(LTCC)技术，或者薄膜技术、硅片半导体技术、多层电路板技术等，这里仅以LTCC技术为例，将多个上述周期谐振单元集成一款芯片，如图2所示，其中1-6为芯片的6个管脚，其中1、2、3、4接天线，5,6管脚接地。本去耦芯片可以用于2个、3个或者4个天线之间的去耦。
本去耦芯片也可以设计4管脚，用于双天线的去耦，或者8和8脚以上，用于多天线系统的单元天线之间的去耦。
本发明可以用于其他频段的设计，通过调节变换金属谐振环的金属线的长度，或者变换金属谐振环的结构形式，如圆形，多边形，本发明中金属开口谐振环的形状可以变形。
本发明中金属开口谐振环的个数可以增加，可以设计成4个以上。
本发明同样可以设计成多层PCB形式，放置在天线之间进行去耦。
实施例2
如图3所示，本实施例的去耦芯片与实施例1相比，为了实现频率可调，将金属开口谐振环结构与PIN二极管8相结合，在金属环的内部增加一节金属线，金属线与金属开口谐振环内侧端部之间通过PIN二极管连接，当二极管处于关闭状态时，系统工作在820-960MHz，而当二极管处于开启状态时，系统由于金属带线的长度加长，工作频段会向低频偏移，此时工作频段变为700-820MHz。这一模型实现了频率电可控性。芯片管脚方面相比实施例1还多了7管脚，用于控制PIN二极管的导通。
如图4所示，为双天线加载去耦芯片的原理图，去耦芯片加载在天线中能提高阵列天线之间的隔离度，一号天线9和二号天线10是靠的很近的单极子天线，在没有采取任何措施之前，820-960MHz之间隔离度基本只有-5dB左右，将两个天线之间加载一个实施例1中的去耦芯片11，天线的隔离度提升到-14左右，如图5所示，满足工程要求。 将两个天线之间加载一个实施例2中的去耦芯片，将PIN二极管导通，此时芯片工作在700-820MHz，此时对比结果如图6所示。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种去耦芯片，其特征在于，包括四个呈田字分布的金属开口谐振环，四个金属开口谐振环相互连接在一起，集成在一个芯片上，四个金属开口谐振环开口分别在去耦芯片的四个方向上。
2.根据权利要求1所述的去耦芯片，其特征在于，所述金属开口谐振环的内部还分别增加一节金属线，金属线与金属开口谐振环内侧端部之间通过PIN二极管连接，通过实现PIN二极管的通断，实现金属开口谐振环工作频段的调谐。
3.根据权利要求2所述的去耦芯片，其特征在于，所述PIN二极管处于关闭状态时，去耦芯片工作频段在820-960MHz，当PIN二极管处于开启状态时，工作频段向低频偏移，此时工作频段变为700-820MHz。
4.根据权利要求1或2所述的去耦芯片，其特征在于，所述田字分布的金属开口谐振环设计为多层，使得田字结构的等效介电常数实部在 0.8 GHz～ 1GHz 内为负，而等效磁导率实部为正值。
5.根据权利要求4所述的去耦芯片，其特征在于，所述去耦芯片利用低温共烧陶瓷技术、薄膜技术、硅片半导体技术、多层电路板技术中的一种进行集成。
6.根据权利要求4所述的去耦芯片，其特征在于，所述去耦芯片用于天线系统的单元天线之间的去耦。
7.根据权利要求4所述的去耦芯片，其特征在于，所述金属开口谐振环的形状为多边形或圆形。
8.根据权利要求4所述的去耦芯片，其特征在于，所述金属开口谐振环个数设计成四个以上。
9.根据权利要求4所述的去耦芯片，其特征在于，去耦芯片替换设计成多层PCB形式，放置在天线之间进行去耦。
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