CN113270728A - 一种用于多天线系统的可调谐去耦网络 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于多天线系统的可调谐去耦网络，包括可调谐电路以及N‑1个寄生体，N等于多天线系统中天线的数量，可调谐电路由N‑1个可调谐单元组成，每个可调谐单元分别包括三个电子器件，三个电子器件为可调谐电容或可调谐电感，第一电子器件的一端作为可调谐单元的第一连接端，第一电子器件的另一端、第二电子器件的一端和第三电子器件的一端连接且其连接端为可调谐单元的第二连接端，第二电子器件的另一端为可调谐器件的第三连接端，第三电子器件的另一端接地，N‑1个可调谐单元的第二连接端与N‑1个寄生体的一端一一对应连接，每相邻两个天线通过一个可调谐单元与发射机对应连接；优点是在满足小型化要求的同时，具有较宽的去耦带宽以及频率。

Description

一种用于多天线系统的可调谐去耦网络

技术领域

本发明涉及一种可调谐去耦网络，尤其是涉及一种用于多天线系统的可调谐去耦网络。

背景技术

随着无线通信技术朝着多元化、宽带化、综合化和智能化的方向发展，移动数据流量呈现爆炸式增长态势。多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)技术是一种可以有效提升无线通信容量以及频谱利用率的通信技术。为了在现代无线通信系统中实现MIMO技术，需要在无线通信系统的移动终端上配置由多个天线构成的多天线系统，移动终端的发射机通过多个天线发射信号。在多功能一体化的要求下，移动终端不但需要广泛支持LTE、5G、Wi-Fi等多种通信协议，而且还需要利用载波聚合技术(CarrierAggregation)来增加信号带宽，提升无线通信的传输速率。因此，天线需要有效覆盖的工作频率范围越来越宽、频段越来越多，且各频段带宽不断增大。另外，出于移动终端的小型化以及大屏幕大电池容量的目的，多天线系统中各天线的空间受到极大限制，排布越来越紧密。然而，排列紧密的天线之间所产生的强耦合作用会造成天线性能如辐射效率的极大下降。故此，如何在多天线系统中实现宽频带去耦受到了高度关注。

目前，用于多天线系统的去耦方案主要有以下三种：第一种是通过优化天线系统的结构实现去耦，如控制各天线之间的间距、使用缺陷地结构、中和线、带隙结构、耦合谐振器或者超材料等方式优化各天线结构；第二种是使用固定去耦网络来实现去耦，其主要是在多个天线和发射机之间增加LC元器件或者180°定向耦合器实现去耦；第三种是通过在多个天线和发射机之间增加由可调谐元器件构成的可调谐去耦网络实现去耦。然而，上述第一种去耦方案会导致多天线系统尺寸整体变大，不符合小型化的需求，第二种去耦方案所实现的去耦带宽以及频率均极为受限，难以满足去耦要求，第三种去耦方案由于采用的可调谐元器件为集总元器件可使得可调谐去耦网络具有小型化的特征，有利于实现多天线系统的小型化，且可以实现去耦工作频段在整个频率覆盖范围内的切换，但是其去耦工作频段带宽及可调谐工作频段覆盖范围受可调谐元器件的调谐范围限制，通常工作带宽较窄，去耦工作频段带宽及可调谐工作频段覆盖范围仍无法满足宽频带去耦的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种在满足小型化要求的同时，具有较宽的去耦带宽以及频率可调谐的应用于紧凑型多天线系统的宽频带可调谐去耦网络。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种用于多天线系统的可调谐去耦网络，包括可调谐电路以及N-1个寄生体，N等于多天线系统中天线的数量，N≥2，所述的可调谐电路由N-1个可调谐单元组成，每个所述的可调谐单元分别包括第一电子器件、第二电子器件和第三电子器件，所述的第一电子器件、所述的第二电子器件和所述的第三电子器件分别为可调谐电容和可调谐电感中的任意一种，所述的第一电子器件的一端作为所述的可调谐单元的第一连接端，所述的第一电子器件的另一端、所述的第二电子器件的一端和所述的第三电子器件的一端连接且其连接端为所述的可调谐单元的第二连接端，所述的第二电子器件的另一端为所述的可调谐器件的第三连接端，所述的第三电子器件的另一端接地；N-1个所述的可调谐单元的第二连接端与N-1个所述的寄生体的一端一一对应连接，所述的多天线系统中，每相邻两个天线之间设置有一个所述的可调谐单元，且该可调谐单元的第一连接端和第二连接端与该两个天线的输入端一一对应连接，发射机中用于连接该两个天线的两个输出端分别通过该可调谐单元的第一连接端和第二连接端与该两个天线对应连接。当多天线系统中天线的数量为3个或者3个以上时，所述的可调谐去耦网络与多天线系统中N个天线和发射机连接后，如果多天线系统的非相邻的第k个天线和第k+a个天线之间的耦合系数不满足多天线系统预设指标时，2≤a≤N-k，所述的可调谐去耦网络还包括设置在第k个天线和第k+a个天线之间的辅助可调谐单元，所述的辅助可调谐单元包括第四电子器件和第五电子器件，所述的第四电子器件和所述的第五电子器件分别为可调谐电容和可调谐电感中的任意一种，所述的第四电子器件的一端与设置在第k个天线和第k+1个天线之间的可调谐单元的第一连接端连接，所述的第四电子器件的另一端与设置在第k+a-1个天线和第k+a个天线之间的可调谐单元的第二连接端连接，所述的第五电子器件的一端与设置在第k个天线和第k+1个天线之间的可调谐单元的第二连接端连接，所述的第五电子器件的另一端与设置在第k+a-1个天线和第k+a个天线之间的可调谐单元的第三连接端连接。该结构中，通过在可调谐去耦网络中增加由第四电子器件和第五电子器件构成的辅助可调谐单元，可以解决多天线系统尺寸较小引入的非相邻天线之间的耦合问题，从而能够实现多天线系统中任意天线之间的去耦功能，可以满足未来多天线系统应用的去耦的需求。

与现有技术相比，本发明的优点在于采用具有可调谐性的第一电子器件、第二电子器件和第三电子器件构成可调谐单元，以实现多天线系统中相邻天线之间频率和带宽的调谐，且构成可调谐单元的三个电子器件均为集总元器件，具有尺寸小可调谐性高的特性，可以实现去耦网络的小型化，同时将可调谐电路与寄生体相结合，将寄生体放置于多天线系统中相邻天线之间，并不占用额外的空间，通过调整寄生体的位置和尺寸可以实现宽频带的特性，寄生体的引入降低了可调谐电路性能对电子器件性能的依赖性，从而降低可调谐电路的复杂度，以实现去耦网络的小型化和宽带性能，由此本发明在满足小型化要求的同时，具有较宽的去耦带宽以及频率。

附图说明

图1为本发明的用于多天线系统的可调谐去耦网络与多天线系统和发射机的连接原理框图；

图2为本发明的用于多天线系统的可调谐去耦网络的原理框图；

图3为本发明的用于多天线系统的可调谐去耦网络的可调谐单元的结构图；

图4为本发明的用于多天线系统的可调谐去耦网络的辅助可调谐单元的结构图；

图5为本发明的用于多天线系统的可调谐去耦网络用于双天线系统的结构图；

图6为本发明的用于多天线系统的可调谐去耦网络用于双天线系统解耦后的反射系数仿真图；

图7为本发明的用于多天线系统的可调谐去耦网络用于双天线系统解耦后的耦合系数仿真图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一：如图1、图2和图3所示，一种用于多天线系统的可调谐去耦网络，包括可调谐电路以及N-1个寄生体PP1～PP(N-1)，N等于多天线系统中天线的数量，N≥2，多天线系统具有N个天线，第1个天线的输入端作为多天线系统的第m个输入端Em，m＝1，2，…，N，发射机具有连接多天线系统的N个输出端P1-PN,可调谐电路由N-1个可调谐单元组成，每个可调谐单元分别包括第一电子器件T1、第二电子器件T2和第三电子器件T3，第一电子器件T1、第二电子器件T2和第三电子器件T3分别为可调谐电容和可调谐电感中的任意一种，第一电子器件T1的一端作为可调谐单元的第一连接端，第一电子器件T1的另一端、第二电子器件T2的一端和第三电子器件T3的一端连接且其连接端为可调谐单元的第二连接端，第二电子器件T2的另一端为可调谐器件的第三连接端，第三电子器件T3的另一端接地；N-1个可调谐单元的第二连接端与N-1个寄生体的一端一一对应连接，多天线系统中，每相邻两个天线之间设置有一个可调谐单元，且该可调谐单元的第一连接端和第二连接端与该两个天线的输入端一一对应连接，发射机中用于连接该两个天线的两个输出端分别通过该可调谐单元的第一连接端和第二连接端与该两个天线对应连接，由此，多天线系统的第m个输入端E1～EN与发射机的N个输出端P1-PN通过本发明的可调谐去耦网络一一对应连接在一起。

如图5所示，本实施例中，多天线系统中天线的数量为2，可调谐电路由1个可调谐单元组成，该可调谐单元和寄生体设置在多天线系统的两个天线之间，该可调谐单元中第一电子器件T1和第二电子器件T2采用可调谐电容实现，第三电子器件采用可调谐电感实现。采用电磁仿真软件HFSS对本实施例结构进行S参数模拟仿真，扫频范围0-6GHz，其中介质基片采用厚度为1mm，相对介电常数为4.4，损耗正角切为0.02的RF4基片，天线结构的尺寸参数为dps＝2mm,lps＝5mm两个天线的长度分别为6mm和5.5mm，可调谐元器件的元件值如表1所示：

表1：不同频段可调谐元器件元件值

	0.8-0.9GHz	1.7-1.8GHZ	2.4-2.5GHZ
				t1＝t2	0.11pF	0.92pF	0.18pF
t3	28.29nH	3.16nH	1.37nH

表1中，t1表示第一电子器件的电容值，t2表示第二电子器件的容值，t3表示第三电子器件的电感值。

采用本实施例的可调谐去耦网络的双天线系统解耦后的反射系数仿真图如图6所示，采用本实施例的可调谐去耦网络的双天线系统解耦后的耦合系数仿真图如图7所示。图6中，tuned state 1为t1＝t2＝0.11pF、t3＝28.29nH时的S参数曲线，tuned state 2为t1＝t2＝0.92pF、t3＝3.16nH时的S参数曲线，tuned state 3为t1＝t2＝0.18pF、t3＝1.37nH时的S参数曲线，分析图6可知：在第一电子器件T1、第二电子器件T2和第三电子器件T3三个可调谐状态下，去耦带宽在最差情况下不仅可以覆盖(0.8-0.9GHz、1.7-1.8GHz和2.4-2.5GHz)三个目标通信频段，还几乎可以覆盖包括整个4G和5G低频段的0.69-6GHz工作频率范围。图7中，t tuned state 1为t1＝t2＝0.11pF、t3＝28.29nH时的耦合强度曲线，tunedstate 2为t1＝t2＝0.92pF、t3＝3.16nH时的耦合强度曲线，tuned state 3为t1＝t2＝0.18pF、t3＝1.37nH时的耦合强度曲线，分析图7可知，在第一电子器件T1、第二电子器件T2和第三电子器件T3这三个可调谐状态下，可实现0.69-6GHz工作频率范围的耦合强度均低于-20dB。

实施例二：如图1、图2和图3所示，一种用于多天线系统的可调谐去耦网络，包括可调谐电路以及N-1个寄生体PP1～PP(N-1)，N等于多天线系统中天线的数量，N≥2，多天线系统具有N个天线，第1个天线的输入端作为多天线系统的第m个输入端，m＝1，2，…，N，发射机具有连接多天线系统的N个输出端P1-PN,可调谐电路由N-1个可调谐单元组成，每个可调谐单元分别包括第一电子器件T1、第二电子器件T2和第三电子器件T3，第一电子器件T1、第二电子器件T2和第三电子器件T3分别为可调谐电容和可调谐电感中的任意一种，第一电子器件T1的一端作为可调谐单元的第一连接端，第一电子器件T1的另一端、第二电子器件T2的一端和第三电子器件T3的一端连接且其连接端为可调谐单元的第二连接端，第二电子器件T2的另一端为可调谐器件的第三连接端，第三电子器件T3的另一端接地；N-1个可调谐单元的第二连接端与N-1个寄生体的一端一一对应连接，多天线系统中，每相邻两个天线之间设置有一个可调谐单元，且该可调谐单元的第一连接端和第二连接端与该两个天线的输入端一一对应连接，发射机中用于连接该两个天线的两个输出端分别通过该可调谐单元的第一连接端和第二连接端与该两个天线对应连接由此，多天线系统的第m个输入端E1～EN与发射机的N个输出端P1-PN通过本发明的可调谐去耦网络一一对应连接在一起。

如图4所示，本实施例中，当多天线系统中天线的数量为3个或者3个以上时，可调谐去耦网络与多天线系统中N个天线和发射机连接后，如果多天线系统的非相邻的第k个天线和第k+a个天线之间的耦合系数不满足多天线系统预设指标时，2≤a≤N-k，可调谐去耦网络还包括设置在第k个天线和第k+a个天线之间的辅助可调谐单元，辅助可调谐单元包括第四电子器件T4和第五电子器件T5，第四电子器件T4和第五电子器件T5分别为可调谐电容和可调谐电感中的任意一种，第四电子器件T4的一端与设置在第k个天线和第k+1个天线之间的可调谐单元的第一连接端连接，第四电子器件T4的另一端与设置在第k+a-1个天线和第k+a个天线之间的可调谐单元的第二连接端连接，第五电子器件T5的一端与设置在第k个天线和第k+1个天线之间的可调谐单元的第二连接端连接，第五电子器件T5的另一端与设置在第k+a-1个天线和第k+a个天线之间的可调谐单元的第三连接端连接。

本实施例的可调谐去耦网络既能实现相邻天线之间的去耦，也能实现非相邻天线之间的去耦。

综上所述，本发明的可调谐去耦网络采用简单的电路结构，通过调整其内各个寄生体尺寸以及位置和以及各个可调谐单元在各个工作频段的参数值，可以大幅度提升去耦带宽和降低多天线系统的整体尺寸，可以显著降低多天线系统间任意天线在相同频段或临近频段的耦合，同时也降低多天线系统的复杂度，提升多天线系统的去耦合网络的稳定性。

Claims (2)

1.一种用于多天线系统的可调谐去耦网络，其特征在于包括可调谐电路以及N-1个寄生体，N等于多天线系统中天线的数量，N≥2，所述的可调谐电路由N-1个可调谐单元组成，每个所述的可调谐单元分别包括第一电子器件、第二电子器件和第三电子器件，所述的第一电子器件、所述的第二电子器件和所述的第三电子器件分别为可调谐电容和可调谐电感中的任意一种，所述的第一电子器件的一端作为所述的可调谐单元的第一连接端，所述的第一电子器件的另一端、所述的第二电子器件的一端和所述的第三电子器件的一端连接且其连接端为所述的可调谐单元的第二连接端，所述的第二电子器件的另一端为所述的可调谐器件的第三连接端，所述的第三电子器件的另一端接地；N-1个所述的可调谐单元的第二连接端与N-1个所述的寄生体的一端一一对应连接，所述的多天线系统中，每相邻两个天线之间设置有一个所述的可调谐单元，且该可调谐单元的第一连接端和第二连接端与该两个天线的输入端一一对应连接，发射机中用于连接该两个天线的两个输出端分别通过该可调谐单元的第一连接端和第二连接端与该两个天线对应连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于多天线系统的可调谐去耦网络，其特征在于当多天线系统中天线的数量为3个或者3个以上时，所述的可调谐去耦网络与多天线系统中N个天线和发射机连接后，如果多天线系统的非相邻的第k个天线和第k+a个天线之间的耦合系数不满足多天线系统预设指标时，2≤a≤N-k，所述的可调谐去耦网络还包括设置在第k个天线和第k+a个天线之间的辅助可调谐单元，所述的辅助可调谐单元包括第四电子器件和第五电子器件，所述的第四电子器件和所述的第五电子器件分别为可调谐电容和可调谐电感中的任意一种，所述的第四电子器件的一端与设置在第k个天线和第k+1个天线之间的可调谐单元的第一连接端连接，所述的第四电子器件的另一端与设置在第k+a-1个天线和第k+a个天线之间的可调谐单元的第二连接端连接，所述的第五电子器件的一端与设置在第k个天线和第k+1个天线之间的可调谐单元的第二连接端连接，所述的第五电子器件的另一端与设置在第k+a-1个天线和第k+a个天线之间的可调谐单元的第三连接端连接。

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