CN113178689B - 基于贴片mimo天线的低剖面小型化去耦结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于贴片MIMO天线的低剖面小型化去耦结构，所述去耦结构包括由下至上依次设置的金属接地板、矩形介质基板，该矩形介质基板的上表面上设置第一贴片天线、第二贴片天线以及微带谐振器，各天线与微带谐振器相耦合的边到微带谐振器的距离相等，且耦合强度相等；所述第一贴片天线、第二贴片天线上分别设置第一输入端口、第二输入端口，所述微带谐振器的中心位置一侧设有方形枝节，方形枝节中心设有金属化过孔；第一贴片天线到第二贴片天线的耦合与第一贴片天线经微带谐振器后再到第二贴片天线的耦合等幅反向。本发明具有结构紧凑、低剖面、高性能等优点，适用于MIMO通信系统。

Description

基于贴片MIMO天线的低剖面小型化去耦结构
技术领域
本发明属于微波无源器件技术领域，特别涉及一种基于贴片MIMO天线的低剖面小型化去耦结构。
背景技术
在MIMO天线系统的设计中，多天线单元通常布置在有限的空间内，相邻天线单元之间的强烈的相互耦合形成了较大的电磁干扰，从而影响MIMO系统的工作性能。另一方面，贴片天线由于其低剖面、易于集成和形式多样化的性能，是MIMO系统中最典型的天线形式之一。为了充分利用贴片天线的优势，设计一种结构紧凑、低剖面、高性能的贴片天线去耦结构具有非常重要的应用价值。
近年来，研究者对多种去耦结构设计方法进行了研究。
在文献1(K.-L.Wu,C.Wei,X.Mei,and Z.-Y.Zhang,“Array-antenna decouplingsurface,”IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.65,no.12,pp.6728–6738,Dec.2017.)中，引入了一个由多个金属反射贴片组成的阵列天线去耦表面(ADS)来抑制贴片天线的互耦，ADS被放置在天线阵的上方距离超过0.25λ0的位置，以创建一个新的反射信号来抵消相邻天线单元的耦合信号,从而提高天线端口之间的隔离。然而ADS等上层反射结构会使得天线的剖面增高，没有充分利用上贴片天线的低剖面优势，在一些低剖面要求较高的环境中就不太适用。
在文献2(Y.Zhang,S.Zhang,J.Li and G.F.Pedersen,"A Transmission-Line-Based Decoupling Method for MIMO Antenna Arrays,"in IEEE Transactions onAntennas and Propagation,vol.67,no.5,pp.3117-3131,May 2019.)中，天线下方增加了一层介质来加载T型去耦网络，该去耦网络是将补偿后的传输线部署在每一对天线的馈线上，实现纯虚数的传输导纳，然后通过引入的两条传输线之间的并联反应来抵消这个传输导纳，最终实现隔离的增强。然而，去耦网络的设计往往是复杂的，为了获得良好的去耦性能，必须对去耦网络进行综合优化。同时，去耦网络需要在地板层下方再增加一层介质用于加载去耦网络层，会增大天线的剖面。
在文献3(Z.Niu,H.Zhang,Q.Chen and T.Zhong,"Isolation Enhancement for 1×3Closely Spaced E-Plane Patch Antenna Array Using Defect Ground Structureand Metal-Vias,"in IEEE Access,vol.7,pp.119375-119383,2019.)中，引入了DGS来增强紧密靠近的1×3的E面贴片天线阵的隔离。在地板足够大的前提下，通过对地开槽可以获得较好的去耦性能。然而在地板开槽会带来不必要的背向辐射，同时对地板的大小有一定的要求。
总之，现有技术存在的问题是：贴片MIMO天线去耦结构在实现性能良好的前提下较难同时满足结构紧凑、低剖面等要求，不利于贴片MIMO天线在实际应用中的推广使用。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题，提供一种结构紧凑、低剖面、高性能的贴片MIMO天线去耦结构。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于贴片MIMO天线的低剖面小型化去耦结构，所述去耦结构包括由下至上依次设置的金属接地板、矩形介质基板，该矩形介质基板的上表面上设置第一贴片天线、第二贴片天线以及微带谐振器，各天线与微带谐振器相耦合的边到微带谐振器的距离相等，且耦合强度相等；所述第一贴片天线、第二贴片天线上分别设置第一输入端口、第二输入端口，所述微带谐振器的中心位置一侧设有方形枝节，方形枝节中心设有金属化过孔；第一贴片天线到第二贴片天线的耦合与第一贴片天线经微带谐振器后再到第二贴片天线的耦合等幅反向。
进一步地，所述第一贴片天线、第二贴片天线的结构相同，且关于矩形介质基板的轴线对称设置。
进一步地，所述微带谐振器关于两贴片天线的对称轴对称设置，且位于相对两贴片天线的同一侧。
进一步地，所述第一贴片天线、第二贴片天线均为矩形结构，且其长边与介质基板的长边平行。
进一步地，所述第一输入端口、第二输入端口分别位于第一贴片天线、第二贴片天线的中轴线上。
进一步地，所述第一输入端口到第一贴片天线中心的距离和第二输入端口到第二贴片天线中心的距离相同。
进一步地，所述方形枝节位于微带线谐振器上远离第一贴片天线和第二贴片天线的一侧。
进一步地，所述第一输入端口和第二输入端口均通过SMA信号探针进行馈电，分别对第一贴片天线、第二贴片天线输入信号。
进一步地，所述微带线谐振器为二分之一波长微带线。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)该去耦结构是单层设计，并且没有在地板上开槽，可以很好的利用贴片天线低剖面优势的同时不增加其背向辐射；2)去耦结构位于天线单元侧面，不会增加天线单元的间距，结构紧凑，有利于小型化的实现；3)较小的去耦结构有利于多单元贴片MIMO天线的集成设计。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为一个实施例中基于贴片MIMO天线的低剖面小型化去耦结构的立体结构示剖析图。
图2为一个实施例中基于贴片MIMO天线的低剖面小型化去耦结构的侧视图。
图3为一个实施例中基于贴片MIMO天线的低剖面小型化去耦结构的尺寸示意图。
图4为一个实施例中参数仿真图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
在一个实施例中，结合图1和图2，提供了一种基于贴片MIMO天线的低剖面小型化去耦结构，所述去耦结构包括由下至上依次设置的金属接地板1、矩形介质基板2，该矩形介质基板2的上表面上设置第一贴片天线3、第二贴片天线4以及微带谐振器7，各天线与微带谐振器7相耦合的边到微带谐振器7的距离相等，且耦合强度相等；所述第一贴片天线3、第二贴片天线4上分别设置第一输入端口5、第二输入端口6，所述微带谐振器7的中心位置一侧设有方形枝节9，方形枝节9中心设有金属化过孔8；第一贴片天线3到第二贴片天线4的耦合与第一贴片天线3经微带谐振器7后再到第二贴片天线4的耦合等幅反向。
进一步优选地，在其中一个实施例中，所述第一贴片天线3、第二贴片天线4的结构相同，且关于矩形介质基板2的轴线对称设置。
进一步优选地，在其中一个实施例中，所述微带谐振器7关于两贴片天线的对称轴对称设置，且位于相对两贴片天线的同一侧。
进一步优选地，在其中一个实施例中，所述第一贴片天线3、第二贴片天线4均为矩形结构，且其长边与介质基板2的长边平行。
进一步优选地，在其中一个实施例中，所述第一输入端口5、第二输入端口6分别位于第一贴片天线3、第二贴片天线4的中轴线上。优选地，位于沿短边方向的中轴线上。
进一步优选地，在其中一个实施例中，所述第一输入端口5到第一贴片天线3中心的距离和第二输入端口6到第二贴片天线4中心的距离相同。
进一步优选地，在其中一个实施例中，所述方形枝节9位于微带线谐振器7上远离第一贴片天线3和第二贴片天线4的一侧。
进一步优选地，在其中一个实施例中，所述第一输入端口5和第二输入端口6均通过SMA信号探针进行馈电，分别对第一贴片天线3、第二贴片天线4输入信号。
进一步优选地，在其中一个实施例中，所述微带线谐振器7为二分之一波长微带线。
进一步优选地，在其中一个实施例中，所述矩形介质基板2的相对介电常数为2.2，厚度为2mm。
基于贴片MIMO天线的低剖面小型化去耦结构的工作原理为：二分之一波长微带线谐振器、方形枝节以及方形枝节中间设有的金属化通孔共同组成了去耦结构。当信号由SMA信号探针从第一输入端口对第一贴片天线进行馈电时，所激励的信号会从两条路径耦合到第二贴片天线上。第一条路径是通过直接耦合的形式，信号从第一贴片天线耦合到第二贴片天线上，由于这种直接耦合的方式为可以等效为容性耦合，耦合信号的相位变化约等于90度；第二条路径是信号从第一贴片天线耦合到二分之一波长微带线谐振器、方形枝节以及方形枝节中间设有的金属化通孔共同组成的去耦结构上，然后再耦合到第二贴片天线上，两个耦合都可以等效为容性耦合，加上二分之一波长微带线谐振器带来的180度相位变化以及方形枝节上的金属通孔带来的90度的相位迟滞，共计270度的相位变化，通过变化去耦结构与贴片天线间的间距可以控制信号的幅度。当第一条耦合路径的信号与第二条去耦路径的信号等幅反相时，第一条耦合路径的信号将会被抵消，因此从第一输入端口输入的信号将不会对第二输入端口产生影响，最终实现贴片MIMO天线间的去耦。
作为一种具体示例，在其中一个实施例中，对本发明的去耦结构进行进一步验证说明。本实施例基于贴片MIMO天线的去耦结构的结构如图1所示，具体尺寸规格如图2、图3所示。所采用的介质基板2的相对介电常数为2.2，厚度为2mm。结合图2、图3，基于贴片MIMO天线的去耦结构的各尺寸参数如下：
所述第一、第二贴片天线短边长度Lp＝30mm，第一、第二贴片天线长边长度Wp＝35.4mm，第一、第二贴片天线相邻短边的间距d1＝2.6mm，第一、第二贴片天线下侧长边到去耦结构的距离d2＝1.2mm，第一输入端口馈电中心到第一贴片天线中心的距离Lf＝4.2mm，二分之一波长谐振器的宽度Wm＝2mm，二分之一波长谐振器的长度Lm＝31mm，二分之一波长谐振器一侧方形枝节边长Wr＝2mm，去耦结构上的金属过孔直径R1＝1.2mm，第一、第二输入端口金属内芯直径R2＝1.2mm，第一、第二输入端口外芯直径R3＝4.2mm，介质基板的高度h＝2mm。
本实施例在电磁仿真软件HFSS.18中进行建模仿真。S参数仿真图和隔离度仿真图如图4所示。由图4可知，该贴片MIMO天线的去耦结构的中心频率为3.16GHz，相对带宽为2％，两贴片天线的间距为0.027λ0，结构紧凑，整体结构的剖面高度为0.02λ0，剖面很低，两个输入端口间的隔离度从7dB提高到了18dB，性能良好。
综上所述，本发明基于贴片MIMO天线的去耦结构，在保证高性能、低剖面，结构紧凑的前提下实现了对贴片MIMO天线单元间隔离度的增强，非常适用于现代无线通信系统。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种基于贴片MIMO天线的低剖面小型化去耦结构，其特征在于，所述去耦结构包括由下至上依次设置的金属接地板(1)、矩形介质基板(2)，该矩形介质基板(2)的上表面上设置第一贴片天线(3)、第二贴片天线(4)以及微带谐振器(7)，各天线与微带谐振器(7)相耦合的边到微带谐振器(7)的距离相等，且耦合强度相等；所述第一贴片天线(3)、第二贴片天线(4)上分别设置第一输入端口(5)、第二输入端口(6)，所述微带谐振器(7)的中心位置一侧设有方形枝节(9)，方形枝节(9)中心设有金属化过孔(8)；第一贴片天线(3)到第二贴片天线(4)的耦合与第一贴片天线(3)经微带谐振器(7)后再到第二贴片天线(4)的耦合等幅反向；所述微带谐振器(7)关于两贴片天线的对称轴对称设置，且位于相对两贴片天线的同一侧。
2.根据权利要求1所述的基于贴片MIMO天线的低剖面小型化去耦结构，其特征在于，所述第一贴片天线(3)、第二贴片天线(4)的结构相同，且关于矩形介质基板(2)的轴线对称设置。
3.根据权利要求1所述的基于贴片MIMO天线的低剖面小型化去耦结构，其特征在于，所述第一贴片天线(3)、第二贴片天线(4)均为矩形结构，且其长边与介质基板(2)的长边平行。
4.根据权利要求3所述的基于贴片MIMO天线的低剖面小型化去耦结构，其特征在于，所述第一输入端口(5)、第二输入端口(6)分别位于第一贴片天线(3)、第二贴片天线(4)的中轴线上。
5.根据权利要求4所述的基于贴片MIMO天线的低剖面小型化去耦结构，其特征在于，所述第一输入端口(5)到第一贴片天线(3)中心的距离和第二输入端口(6)到第二贴片天线(4)中心的距离相同。
6.根据权利要求5所述的基于贴片MIMO天线的低剖面小型化去耦结构，其特征在于，所述方形枝节(9)位于微带谐振器(7)上远离第一贴片天线(3)和第二贴片天线(4)的一侧。
7.根据权利要求6所述的基于贴片MIMO天线的低剖面小型化去耦结构，其特征在于，所述第一输入端口(5)和第二输入端口(6)均通过SMA信号探针进行馈电，分别对第一贴片天线(3)、第二贴片天线(4)输入信号。
8.根据权利要求7所述的基于贴片MIMO天线的低剖面小型化去耦结构，其特征在于，所述微带谐振器(7)为二分之一波长微带线。
9.根据权利要求8所述的基于贴片MIMO天线的低剖面小型化去耦结构，其特征在于，所述矩形介质基板(2)的相对介电常数为2.2，厚度为2mm。
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