CN112164890A - 一种堆叠式去耦网络 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种堆叠式去耦网络，包括基板，所述基板上设有口字阵型分布的金属通孔，基板上下两层还分布有金属条带，用于连接相邻金属通孔，使其成为一个整体，构成口字单元；金属条带在相邻的金属通孔之间上、下错落分布。所述口字单元的四个端角向左右两侧延伸有四个连结臂，连结臂同样由金属通孔和金属条带构成，连接方式与口字单元相同。所述基板上的金属通孔在口字阵型的各条边上折线形分布，对应的基板上下两层连接相邻金属通孔的金属条带也按折线形走向。本发明根据现有的正交混合网络的核心原理，通过设计折叠式结构的正交混合网络，并通过低温共烧陶瓷技术，集成芯片，该芯片在一定的频带内产生去耦作用，用于多天线系统之间去耦。

Description

一种堆叠式去耦网络
技术领域
本发明涉及多天线去耦领域，特别涉及一种堆叠式去耦网络。
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。
为了降低多个天线之间的耦合, 其中一种有效的方法就是使用 DMN (Decoupling and Matching Networks) 技术。可以设计出 180°的混合耦合器如图 1所示。通过90°/180°正交混合网络，将S矩阵对角化，引入正交模式，将耦合器的2, 3 端口通过通孔连接天线, 1, 4 端口接馈电网络, 就可构成一个双天线的去耦合系统。
发明内容
本发明目的是：利用上述背景技术的核心原理，通过设计特殊结构的正交混合网络，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去耦作用，用于多天线系统之间去耦。
本发明的技术方案是：
一种堆叠式去耦网络，包括基板，所述基板上设有口字阵型分布的金属通孔，基板上下两层还分布有金属条带，用于连接相邻金属通孔，使其成为一个整体，构成口字单元；金属条带在相邻的金属通孔之间上、下错落分布。
优选的，所述口字单元的四个端角向左右两侧延伸有四个连结臂，连结臂同样由金属通孔和金属条带构成，连接方式与口字单元相同。
优选的，所述基板上的金属通孔在口字阵型的各条边上折线形分布，对应的基板上下两层连接相邻金属通孔的金属条带也按折线形走向。
优选的，所述堆叠式去耦网络，利用低温共烧陶瓷技术，或者薄膜技术、硅片半导体技术、多层电路板技术中的一种，制成去耦芯片。
优选的，所述去耦芯片包括六个管脚，其中1、2管脚分别接天线，3、4管脚接天线馈电端，5,6管脚接地，用于多天线之间的去耦。
优选的，所述堆叠式去耦网络，通过调节金属条带的长度，或者变换金属通孔的位置以及粗细，适应于不同频段设计。
优选的，所述堆叠式去耦网络中的口字单元设计为多个。
优选的，所述堆叠式去耦网络设计成多层结构，每层中包含单个或多个口字单元。
本发明的优点是：
本发明根据现有的正交混合网络的核心原理，通过设计折叠式结构的正交混合网络，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去耦作用，用于多天线系统之间去耦。在不同的极化方式下能够保证良好的谐振稳定性，提高多天线系统隔离度，降低单元的电尺寸大小。
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为现有的正交混合网络的原理图；
图2为本发明堆叠式去耦网络的原理图；
图3为本发明弯折型堆叠式去耦网络的原理图；
图4为本发明堆叠式去耦芯片的管脚示意图；
图5为双天线加载堆叠式去耦芯片的示意图；
图6为双天线加载堆叠式去耦芯片前、后的隔离度参数对比图。
具体实施方式
如图1所示的正交混合网络可以用金属微带线实现。本发明在此基础上进行改进，通过设计特殊结构的正交混合网络，
如图2所示，本发明的堆叠式去耦网络，包括基板，所述基板上设有口字阵型分布的金属通孔，基板上下两层还分布有金属条带，用于连接相邻金属通孔，使其成为一个整体，构成口字单元。金属条带在相邻的金属通孔之间上、下错落分布。所述口字单元的四个端角向左右两侧延伸有四个连结臂，连结臂同样由金属通孔和金属条带构成，连接方式与口字单元相同。
金属条带在相邻的金属通孔之间上下错落分布，目的是为了单元在谐振频率时，电流流过的路径比传统的单元更长，这样单元的等效电感更大。仿真结果显示在不同的极化方式下能够保证良好的谐振稳定性，且单元的电尺寸大小对比于传统单元由１/8波长减小至１\32波长。
本发明中为了能够进一步的缩小单元的电尺寸，则需要对孔径和金属走线进行重新布局，使得单元的感应电流路径长度增加，单元的等效电感增大，从而实现最大程度上的单元最小化。为此提出了折线型小型化单元结构，如图３所示，所述基板上的金属通孔在口字阵型的各条边上折线形分布，对应的基板上下两层连接相邻金属通孔的金属条带也按折线形走向。与之前的直线型单元相比，折线型单元在介质基板中插入了更多的金属通孔，以及这些金属通孔之间的金属走线。
所述堆叠式去耦网络中的口字单元设计为多个,可以设计成4个以上。在口字单元之间通过连结臂连接，两个连结臂可以等效成平行板电容器。所以，多个口字单元可以等效成ＬＣ串联电路，在谐振频率处表现出带阻特性。而对于折线型单元，在相同极化状态下，沿感应电流方向，金属通孔和上下表面的金属条带可以等效成电感，金属条带相互连接的金属通孔之间等效成电容。整体结构等效成一个LC去耦网络，实现去耦目的。
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4所示，其中1-6为芯片的6个管脚，其中1、2管脚分别接天线，3、4管脚接天线馈电端5,6管脚接地。本芯片可以用于多天线之间的去耦。
本发明可以用于其他频段的设计，通过调节金属线的长度，或者变换金属通孔的位置以及粗细结构形式，本发明去耦网络的形状除了口字形还可以采用圆形，六边形等其他形状。
本发明同样可以设计成多层结构，每层中包含单个或多个口字单元。
如图5所示，采用本发明去耦芯片提高阵列天线之间的隔离度，两个天线8和9为靠得很近的单极子天线，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去耦芯片，天线的隔离度提升到-14左右，满足工程要求。
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 (8)

1.一种堆叠式去耦网络，其特征在于：包括基板，所述基板上设有口字阵型分布的金属通孔，基板上下两层还分布有金属条带，用于连接相邻金属通孔，使其成为一个整体，构成口字单元；金属条带在相邻的金属通孔之间上、下错落分布。
2.根据权利要求1所述的堆叠式去耦网络，其特征在于：所述口字单元的四个端角向左右两侧延伸有四个连结臂，连结臂同样由金属通孔和金属条带构成，连接方式与口字单元相同。
3.根据权利要求2所述的堆叠式去耦网络，其特征在于：所述基板上的金属通孔在口字阵型的各条边上折线形分布，对应的基板上下两层连接相邻金属通孔的金属条带也按折线形走向。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的堆叠式去耦网络，其特征在于：所述堆叠式去耦网络，利用低温共烧陶瓷技术，或者薄膜技术、硅片半导体技术、多层电路板技术中的一种，制成去耦芯片。
5.根据权利要求4所述的堆叠式去耦网络，其特征在于：所述去耦芯片包括六个管脚，其中1、2管脚分别接天线，3、4管脚接天线馈电端，5,6管脚接地，用于多天线之间的去耦。
6.根据权利要求3所述的堆叠式去耦网络，其特征在于：所述堆叠式去耦网络，通过调节金属条带的长度，或者变换金属通孔的位置以及粗细，适应于不同频段设计。
7.根据权利要求1-3任意一项所述的堆叠式去耦网络，其特征在于：所述堆叠式去耦网络中的口字单元设计为多个。
8.根据权利要求7所述的堆叠式去耦网络，其特征在于：所述堆叠式去耦网络设计成多层结构，每层中包含单个或多个口字单元。
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