CN112952401B - 基于电磁带隙结构的天线阵 - Google Patents

Abstract

本公开实施例提供了一种基于电磁带隙结构的天线阵，包括：基板，包括相对的第一平面和第二平面，第二平面为接地平面；设置于第一平面的第一金属层，第一金属层具有电磁带隙结构，电磁带隙结构包括多个贴片、多个电容及多个电感，其中，多个贴片呈矩阵状间隔排布，行向上任意相邻两个贴片之间及列向上任意相邻两个贴片之间均设置有一个电容，每个电感与呈十字形排列的四个电容相邻、并与相邻的四个贴片中的至少三个贴片连接；以及，设置于接地平面的第二金属层，第二金属层通过过孔结构与多个贴片连接。

Description

基于电磁带隙结构的天线阵

技术领域

本公开涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种基于电磁带隙结构的天线阵。

背景技术

近年来，随着5G的快速发展，高可靠性大容量无线通信已经成为研究人员高度感兴趣的通信技术。众所周知，采用MIMO(multiple input multiple output，多进多出)技术可以提高系统的可靠性和信道容量，而MIMO天线通常随着移动终端和无线设备小型化趋势占用很小的空间。当多个天线紧密放置时，带来的高度耦合是最严重的问题之一，高度耦合将会恶化MIMO天线的辐射性能和MIMO系统的信道容量。目前，为了提高端口隔离度，以改善高度耦合的问题，已经提出了多种方法，例如：缺陷地结构、电磁带隙(ElectromagneticBand Gap，EBG)结构、加载寄生单元、和中和线技术等。每种方法都能有效增加端口隔离度，而加载EBG结构的方法因其隔离效果较为突出目前越来越受到重视。

相关技术中，通常采用的天线阵结构为在两个天线单元之间加载EBG结构，EBG结构的宽度为8.4mm，EBG结构具体为：在金属层上设置多个周期性排列的矩形凹槽，但是该技术方案中的EBG结构的隔离度较低。

发明内容

本公开实施例的目的在于提供一种基于电磁带隙结构的天线阵，以提高天线阵的隔离度。

本公开实施例提供了一种基于电磁带隙结构的天线阵，包括：

基板，包括相对的第一平面和第二平面，所述第二平面为接地平面；

设置于所述第一平面的第一金属层，所述第一金属层具有电磁带隙结构，所述电磁带隙结构包括多个贴片、多个电容及多个电感，其中，所述多个贴片呈矩阵状间隔排布，行向上任意相邻两个所述贴片之间及列向上任意相邻两个所述贴片之间均设置有一个所述电容，每个所述电感与呈十字形排列的四个所述电容相邻、并与相邻的四个所述贴片中的至少三个所述贴片连接；

以及，设置于所述接地平面的第二金属层，所述第二金属层通过过孔结构与所述多个贴片连接。

在一些实施例中，所述多个电感包括至少一个第一电感和至少一个第二电感，第一电感与相邻的四个所述贴片中的其中三个所述贴片连接，并与相邻的四个所述贴片中的另一个所述贴片断开，第二电感与相邻的四个所述贴片均连接。

在一些实施例中，所述多个贴片排列为两列。

在一些实施例中，所述电容为交指电容。

在一些实施例中，所述交指电容包括间隔设置的多个第一金属条以及间隔设置的多个第二金属条，所述多个第一金属条和所述多个第二金属条交错设置，所述多个第一金属条与所述相邻两个贴片中的一个连接，所述多个第二金属条与所述相邻两个贴片中的另一个连接。

在一些实施例中，所述电感包括呈2*2矩阵状排列的四个弯折电感。

在一些实施例中，所述弯折电感呈方波形，且所述四个弯折电感连接于一点，位于左上方位和右下方位的弯折电感向列向延伸，位于左下和右上的弯折电感向行向延伸。

在一些实施例中，所述第一金属层沿行向的尺寸范围为5-10mm。

在一些实施例中，所述基于电磁带隙结构的天线阵还包括设置于所述第一平面的多个天线单元，以及与各所述天线单元连接的多个馈电探针，所述第一金属层为长条状，多个所述天线单元均布于所述第一金属层行向的两侧。

在一些实施例中，所述天线单元为双枝节辐射单元。

本公开实施例有益效果：

本公开实施例提供的基于电磁带隙结构的天线阵，设置于第一平面的第一金属层具有电磁带隙结构，且电磁带隙结构中的多个贴片呈矩阵状间隔排布，多个贴片呈矩阵状间隔排布，行向上任意相邻两个贴片之间及列向上任意相邻两个贴片之间均设置有一个电容，每个电感与呈十字形排列的四个电容相邻、并与相邻的四个贴片中的至少三个贴片连接，由于电磁带隙结构包括多个电感和多个电容，因此，使得基于电磁带隙结构的天线阵的电感量和电容量均较大，能够更好地减小由公共地中表面电流引起的耦合，从而更好地隔离干扰源与受扰设备，即，更够提高天线阵的隔离度。

当然，实施本公开的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。

图1为本公开实施例的基于电磁带隙结构的天线阵的主视图；

图2为图1所示基于电磁带隙结构的天线阵的后视图；

图3为图1所示基于电磁带隙结构的天线阵的A处局部放大视图；

图4为图3所示基于电磁带隙结构的天线阵的B处局部放大视图；

图5为图3所示基于电磁带隙结构的天线阵的C处局部放大视图；

图6a为参考天线和具有电磁带隙结构的天线阵的传输系数曲线和反射系数曲线的示意图；

图6b为三种天线阵的传输系数曲线示意图；

图7a为参考天线和具有开口电磁带隙结构的天线阵的天线单元在XOY面的测量远场辐射方向图；

图7b为参考天线和具有开口电磁带隙结构的天线阵的天线单元在YOZ面的测量远场辐射方向图；

图8为参考天线阵和具有开口电磁带隙结构的天线阵之间的信号包络相关系数对比图。

具体实施方式

下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员基于本申请所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

本公开实施例提供一种基于电磁带隙结构的天线阵，以提高天线阵的隔离度，从而在满足特定隔离度的前提下，能够尽量减小基于电磁带隙结构的天线阵的尺寸，以更好地适用小型移动终端。

如图1和图2所示，本公开一些实施例提供的基于电磁带隙结构的天线阵，包括：

基板1，包括相对的第一平面11和第二平面12，第二平面12为接地平面。

如图3所示，设置于第一平面11的第一金属层13，第一金属层13具有电磁带隙结构131，电磁带隙结构131包括多个贴片132、多个电容133及多个电感134，其中，多个贴片132呈矩阵状间隔排布，行向上任意相邻两个贴片132之间及列向上任意相邻两个贴片132之间均设置有一个电容133，每个电感134与呈十字形排列的四个电容133相邻并与相邻的四个贴片132中的至少三个贴片132连接。

以及，设置于接地平面的第二金属层121，第二金属层121通过过孔结构与多个贴片132连接。

基板1通常可以为矩形薄板，其材质可以为FR4，相对介电常数为4.4，行向尺寸为55.15mm，列向尺寸为48mm，厚度为1.2mm。基板1上相对的两个平面分别为第一平面11和第二平面12，第二平面12为接地平面。其中，行向和列向如图1所示。

基板1的第一平面11上设置有第一金属层13，第一金属层13具有电磁带隙结构131，电磁带隙结构131包括多个贴片132、多个电容133及多个电感134，其中，多个贴片132呈矩阵状间隔排布，具体地，多个贴片132可以排列为两列，三列，或者更多数量列。行向上任意相邻两个贴片132之间及列向上任意相邻两个贴片132之间均设置有一个电容133，即，行向上，每两个贴片132之间连接一电容133，列向上，每两个贴片132之间也连接一电容133，每个电容133的外形尺寸均相同，这样，每相邻的四个电容133呈十字排列。每个电感134与呈十字形排列的四个电容133相邻、并与相邻的四个贴片132中的至少三个贴片132连接，即，每个电感134位于呈十字形排列的四个电容133的中心、并与位于电感134四周的四个贴片132中的至少三个贴片132连接。需要说明的是，在本公开实施例中，连接指的是电连接。

在接地平面上还设置有第二金属层121，第二金属层121沿行向的尺寸，与第一金属层13沿行向的尺寸相同，第二金属层121沿列向的尺寸，与第一金属层13沿列向的尺寸相同。第二金属层121通过过孔结构与多个贴片132连接，具体地，在每个贴片132上均设置有贴片通孔1321，在基板1上设置有与各贴片通孔1321位置对应的多个基板1通孔，在第二金属层121上设置与各贴片通孔1321对应的多个金属层通孔，其中，基板通孔表面具有金属镀层。第二金属层121通过过孔结构与多个贴片132连接，能够进一步增加本公开实施例的基于电磁带隙结构131的天线阵的电容133，而且返回电流能够通过第二金属层121以及金属层通孔、基板通孔以及贴片通孔1321返回至贴片132，即，有利于增加电流的返回路径。

在制作本公开实施例的基于电磁带隙结构131的天线阵时，可以在基板1上通过印制电路方法在基板1上印制第一金属层13和第二金属层121，且在各贴片132上加工通孔，该通孔可以贯穿第一金属层13、基板1和第二金属层121，接着在基板通孔上增加一层金属镀层。

本公开实施例提供的基于电磁带隙结构的天线阵，设置于第一平面11的第一金属层13具有电磁带隙结构131，且电磁带隙结构131中的多个贴片132呈矩阵状间隔排布，行向上任意相邻两个贴片132之间及列向上任意相邻两个贴片132之间均设置有一个电容133，每个电感134与呈十字形排列的四个电容133相邻、并与相邻的四个贴片132中的至少三个贴片132连接，由于电磁带隙结构131包括多个电感134和多个电容133，因此，使得基于电磁带隙结构131的天线阵的电感量和电容量均较大，由于电感量和电容量，与中心频率之间呈反相关，因此，当电感量和电容量提高后，能够降低基于电磁带隙结构的天线阵的中心频率，从而降低其外形尺寸。此外，多个电感134和多个电容133能够更好地减小由公共地中表面电流引起的耦合，从而更好地隔离干扰源与受扰设备，即，更够提高天线阵的隔离度。此外，经仿真实验结果数据可知，相比不具有电磁带隙结构131的天线阵，本公开实施例的基于电磁带隙结构的天线阵能够使天线单元2的各输入端口，在中心频率3.42GHz的隔离度提高31.9dB。这样，在满足特定隔离度的前提下，能够尽量减小基于电磁带隙结构的天线阵的尺寸，以更好地适用小型移动终端。

在本公开的一些实施例中，如图3和图4所示，电感134包括至少一个第一电感1342和至少一个第二电感1343，第一电感1342与相邻的四个贴片132中的三个贴片132连接，并与相邻的四个贴片132中的另一个贴片132断开，第二电感1343与相邻的四个贴片132均连接。具体地，沿列向第五个电感134为第一电感1342，该第一电感1342与位于该第一电感1342四周的四个贴片132中的三个贴片132连接，与四个贴片132中的另一个贴片132断开，其他电感134均为第二电感1343，这些第二电感1343与位于第二电感1343四周的四个贴片132均连接。将其中一个电感134与相邻的四个贴片132中的三个贴片132连接，与相邻的四个贴片132中的另一个贴片132断开，也可以说是在电感134与贴片132的连接处设置开口，该开口能够阻碍表面耦合电流的传播，从而进一步提高隔离度。此外，采用该种结构不会干扰到天线阵电流的返回路径，也不需要占据额外的空间。

在本公开的一些实施例中，如图3所示，电容133为交指电容。具体地，交指电容包括间隔设置的多个第一金属条1331以及间隔设置的多个第二金属条1332，多个第一金属条1331和多个第二金属条1332交错设置，多个第一金属条1331与相邻两个贴片132中的一个连接，多个第二金属条1332与相邻两个贴片132中的另一个连接。具体地，连接于行向上相邻两个贴片132之间的交指电容，第一个第一金属条1331与相邻两个贴片132中位于上方的贴片132连接，与第一个第一金属条1331相邻的第一个第二金属条1332与相邻两个贴片132中位于下方的第二贴片132连接，第二个第一金属条1331与位于上方的贴片132连接，第二个第二金属条1332与位于下方的贴片132连接，以此类推。且每个第一金属条1331和与其相邻的第二金属条1332的间距均相同，第一金属条1331的宽度、第二金属条1332的宽度以及两者之间的间距均相同，这样，能够获得更大的电容量。交指电容具有电容量较大的优点，因此，采用交指电容，能够提高基于电磁带隙结构131的天线阵的电容量，从而能够进一步提高基于电磁带隙结构131的天线阵的隔离度。

在本公开的一些实施例中，如图4所示，电感134为中心对称结构的电感134，包括呈2*2矩阵状排列的四个弯折电感1341。其中，电感134为中心对称结构的电感134，表明该电感134在初始位置，绕中心旋转180°后，与初始位置的电感134重合。每个电感134包括呈2*2矩阵状排列的四个弯折电感1341，四个弯折电感1341之间互相连接，且可以连接与一点，四个弯折电感1341的连接点，与呈十字形排列的四个电容133的中心重合。

每个弯折电感1341呈方波形，或者S形，四个弯折电感1341连接于一点，位于左上方位和右下方位的弯折电感1341向列向延伸，位于左下和右上的弯折电感1341向行向延伸。弯折电感1341包括多个顺次相连的第三金属条。当弯折电感1341呈方波形时，多个顺次相连的第三金属条中，每两个相连的第三金属条之间相正交，每两个相邻的第三金属条的间距均相同。

在本公开的一些实施例中，第一金属层13沿行向的尺寸范围为5-10mm，如图5所示，电感134和电容133的具体尺寸为：L＝1.875mm，S1＝0.15mm，S2＝0.15mm，S3＝0.075mm，S4＝0.3mm，G＝0.15mm，R＝0.8mm，W＝3.75mm。

在本公开的一些实施例中，如图1所示，基于电磁带隙结构131的天线阵还包括设置于第一平面11的多个天线单元2，以及与各天线单元2连接的多个馈电探针3，第一金属层13为长条状，且第一金属层13的沿行向的尺寸小于基板1沿行向的尺寸，多个天线单元2均布于第一金属层13行向的两侧。其中，天线单元2可以为双枝节辐射单元，天线单元2的数量可以为两个、四个或者六个，且，多个双枝节辐射单元对称地设置于第一金属层13行向的两侧。两个天线单元2的中心距为29.95mm，该中心距为0.34λ0，λ0为中心频率对应的波长，两个天线单元2的外侧边与基板1边缘的间距为19.35mm，该间距为0.22λ0。每个馈电探针3上均设置一个输入端口，每个天线单元2均对应一个馈电探针3，天线单元2利用馈电探针3从侧面馈电，各输入端口的输入阻抗均为50欧姆。

如图2所示，在接地平面上还设置有第三金属层4，该第三金属层4与馈电探针3连接。

以下结合仿真实验综合分析本公开实施例的基于电磁带隙结构的天线阵的性能。

本次仿真实验对三种天线阵的性能进行分析，为方便描述，第一种天线阵命名为具有电磁带隙结构的天线阵，其中的每个电感134与呈十字形排列的四个电容133相邻并与相邻的四个贴片132均连接；第二种天线阵命名为具有开口电磁带隙结构的天线阵，至少一个第一电感1342和至少一个第二电感1343，第一电感1342与相邻的四个贴片132中的三个贴片132连接，并与相邻的四个贴片132中的另一个贴片132断开，第二电感1343与相邻的四个贴片132均连接；第三种天线阵为不具有电磁带隙结构的参考天线阵。图6a中比较了具有电磁带隙结构的天线阵和参考天线阵的反射系数，图6b中比较了三种天线阵的传输系数，其中三种天线阵在同一中心频率3.42Ghz谐振。从图6a中可以看出，在3.42Ghz处具有电磁带隙结构的天线阵的传输系数相比参考天线阵降低了31.9db，即，隔离度提高了31.9db。从图6b中可以看出，在中心频率3.09Ghz～3.78Ghz范围内，与参考天线阵相比，具有电磁带隙结构的天线阵和具有开口电磁带隙结构的天线阵的传输系数急剧下降。

如图6b所示，在中心频率下，与具有电磁带隙结构的天线阵相比，具有开口电磁带隙结构的天线阵的隔离度进一步提高了5.7db。也就是说，引入开口电磁带隙结构后，对互耦的抑制比参考天线提高了37.6db左右。此外，从图6b中还可以看出除了中心频率外，这两条曲线非常接近，这意味着具有开口电磁带隙结构可以在不影响电磁带隙特性的情况下减少互耦。

此外，根据仿真结果与测量结果，具有开口电磁带隙结构的天线阵工作在3.5GHz附近，满足5G频段设计要求，本公开实施例提供的具有开口电磁带隙结构的天线阵的仿真结果与测量结果具有较好的一致性。

图7a为本公开实施例中具有开口电磁带隙结构的天线阵的天线单元2和参考天线阵的天线单元在3.42GHz时，在XOY面的测量远场辐射方向图，图7b为本公开实施例中具有开口电磁带隙结构的天线阵的天线单元2和参考天线阵的天线单元在3.42GHz时，在YOZ面的测量远场辐射方向图。从图7a和图7b中可以看出，本公开实施例的天线单元2后瓣部分辐射减小了，这是由于具有开口的电磁带隙结构131影响耦合，进而使得后瓣部分辐射受到抑制的结果。

图8为基于天线方向图计算的参考天线阵和具有开口电磁带隙结构的天线阵之间的信号包络相关系数(Envelope correlation coefficient，ECC)对比图，其中，信号包络相关系数可以用于评价MIMO通信系统的分集性能，它可以从高斯信号传播环境中的远场辐射方向图中获得。通常，信号包络相关系数标准为小于0.5。本公开实施例的具有开口电磁带隙结构的天线阵的信号包络相关系数，在工作频段内满足要求，尤其在中心频率3.42GHz处仅为0.0004，表明其具有较好的分集性能。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本公开的较佳实施例，并非用于限定本公开的保护范围。凡在本公开的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本公开的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于电磁带隙结构的天线阵，其特征在于，包括：

基板，包括相对的第一平面和第二平面，所述第二平面为接地平面；

设置于所述第一平面的第一金属层，所述第一金属层具有电磁带隙结构，所述电磁带隙结构包括多个贴片、多个电容及多个电感，其中，所述多个贴片呈矩阵状间隔排布，行向上任意相邻两个所述贴片之间及列向上任意相邻两个所述贴片之间均设置有一个所述电容，每个所述电感与呈十字形排列的四个所述电容相邻、并与相邻的四个所述贴片中的至少三个所述贴片连接，所述多个电感包括至少一个第一电感和至少一个第二电感，第一电感与相邻的四个所述贴片中的其中三个所述贴片连接，并与相邻的四个所述贴片中的另一个所述贴片断开，第二电感与相邻的四个所述贴片均连接；

以及，设置于所述接地平面的第二金属层，所述第二金属层通过过孔结构与所述多个贴片连接。

2.根据权利要求1所述的基于电磁带隙结构的天线阵，其特征在于，所述多个贴片排列为两列。

3.根据权利要求1所述的基于电磁带隙结构的天线阵，其特征在于，所述电容为交指电容。

4.根据权利要求3所述的基于电磁带隙结构的天线阵，其特征在于，所述交指电容包括间隔设置的多个第一金属条以及间隔设置的多个第二金属条，所述多个第一金属条和所述多个第二金属条交错设置，所述多个第一金属条与所述相邻两个贴片中的一个连接，所述多个第二金属条与所述相邻两个贴片中的另一个连接。

5.根据权利要求1所述的基于电磁带隙结构的天线阵，其特征在于，所述电感包括呈2*2矩阵状排列的四个弯折电感。

6.根据权利要求5所述的基于电磁带隙结构的天线阵，其特征在于，所述弯折电感呈方波形，且所述四个弯折电感连接于一点，位于左上方位和右下方位的弯折电感向列向延伸，位于左下和右上的弯折电感向行向延伸。

7.根据权利要求1所述的基于电磁带隙结构的天线阵，其特征在于，所述第一金属层沿行向的尺寸范围为5-10mm。

8.根据权利要求1所述的基于电磁带隙结构的天线阵，其特征在于，还包括设置于所述第一平面的多个天线单元，以及与各所述天线单元连接的多个馈电探针，所述第一金属层为长条状，多个所述天线单元均布于所述第一金属层行向的两侧。

9.根据权利要求8所述的基于电磁带隙结构的天线阵，其特征在于，所述天线单元为双枝节辐射单元。

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