CN114243293A - 一种多单元自解耦高隔离小型化mimo天线阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种多单元自解耦高隔离小型化MIMO天线阵列，主要解决了小型化MIMO天线阵列中天线间的强耦合问题。本发明包括n个四单元自解耦高隔离小型化MIMO天线阵列；其中每个四单元自解耦高隔离小型化MIMO天线阵列包括介质基板、分别铺设在介质基板上下表面的金属层和系统地板；所述金属层包括结构相同且互不接触的4个天线单元。天线单元的天线辐射部分中的其中一臂部进行自身弯折。通过弯折实现了每两个天线单元之间的较高的端口隔离度(>20dB)。本发明为自解耦技术不额外添加任何结构，因此结构简单易于实现，并且相比其他解耦技术可实现隔离度更高的提升，更好地解决MIMO天线阵列当中的存在的强耦合问题。

Description

一种多单元自解耦高隔离小型化MIMO天线阵列
技术领域
本发明属于电磁场与微波技术领域，涉及一种多单元自解耦高隔离小型化MIMO天线阵列，具体是一种工作在5.1Ghz至5.3Ghz频带上且每两个单元之间都具有高隔离特性的天线阵列。
背景技术
在5G无线通信领域中，多输入多输出(Multi-Input Multi-Output，MIMO)天线系统被广泛用于提高通信速率，增大信道容量，以及降低通信时延。同时近年来许多的5G相关设备，例如移动终端和基站的天线阵列均被放置在一个有限的空间中。当天线之间的距离太近时，天线之间会产生强烈的相互耦合，这将会降低天线辐射效率，恶化匹配条件，扭曲辐射模式。由于MIMO天线阵列中存在强耦合现象，MIMO天线阵列的解耦问题成为目前较为迫切需要解决的问题。
目前已有的解耦技术包括缺陷地结构(Defected Ground Structure，DGS)，中和线，寄生结构，周期谐振结构，解耦网络等。缺陷地结构技术是通过引入DGS来抑制地板上的耦合电流产生，从而实现天线单元之间的高隔离；中和线通过产生削弱原来天线耦合的额外耦合路径，以增强隔离；寄生结构是一种无源器件，通常不与天线直接相连，而是利用其与天线本身的耦合效应来消除原天线耦合，提高隔离性能，常见的寄生结构主要有平面螺旋线，非对称环谐振器，以及带有阶梯阻抗负载的虚拟元件；周期谐振结构也被经常应用于MIMO天线阵列的解耦，通过抑制指定频率的波传播来提高天线之间的耦合，常见的周期谐振结构有电磁带隙结构，波导超材料等。
前面所提到的解耦技术虽然都能达到使MIMO天线阵列解耦的目的，但都存在一定的缺陷，或是引入了额外的结构增大了PCB板的面积，或是结构过于复杂但解耦效果并不明显，显然这些解耦技术都不太适合应用到实际的天线阵列中。
随着5G无线通信技术的不断发展，天线数量一定会朝着越来越多的趋势发展，天线放置的空间越来越小导致天线之间的间距不断缩小，并且不可避免的会带来多天线之间发生强耦合的问题，因此一种既不增大电路面积，又设计简单易于实现并且可以达到天线之间高隔离的技术变得尤为的重要。
本发明提出了一种四单元自解耦高隔离小型化MIMO天线阵列，利用天线间的互耦受天线自身辐射枝节的形状和排布的影响，在传统的四单元MIMO天线阵列设计结构的基础上通过弯折整形的方法使不同天线之间的耦合电流相互抵消，达到使天线解耦的目的。所提出的解耦方法并未给电路带来额外的结构，且方法易于实现。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种多单元自解耦高隔离小型化MIMO天线阵列。
为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种多单元自解耦高隔离小型化MIMO天线阵列，包括n个四单元自解耦高隔离小型化MIMO天线阵列，n≥1；其中每个四单元自解耦高隔离小型化MIMO天线阵列，为轴对称结构，包括介质基板、分别铺设在介质基板上下表面的金属层、系统地板；
所述金属层包括结构相同且互不接触的第一天线单元(1)、第二天线单元(2)、第三天线单元(3)、第四天线单元(4)；第一天线单元(1)、第二天线单元(2)分布在介质基板的一侧，第三天线单元(3)、第四天线单元(4)分布在介质基板的另一侧；第一天线单元(1)、第二天线单元(2)与第三天线单元(3)、第四天线单元(4)关于介质基板长度方向中心线轴对称设置，且第一天线单元(1)、第二天线单元(2)关于介质基板宽度方向中心线轴对称设置，第三天线单元(3)、第四天线单元(4)关于介质基板宽度方向中心线轴对称设置。
所述第一天线单元(1)、第二天线单元(2)、第三天线单元(3)、第四天线单元(4)的天线辐射部分中的其中一臂部进行自身弯折；弯折部分包括n个L形结构，相邻L形结构进行首尾连接，且相邻L形结构连接部分夹角为90°；
作为优选，所述弯折部分还包括竖直部分；位于最外侧的L形结构与竖直部分连接；
作为优选，所述第一天线单元(1)、第二天线单元(2)、第三天线单元(3)、第四天线单元(4)的馈电部分靠近介质基板的中心；
作为优选，天线馈电部分与介质基板宽度方向中心线的距离为0.1波长；
作为优选，天线辐射部分的另一臂部不弯折，其长度为0.13波长；
位于介质基板同一侧的两个天线单元，其中一个为激励单元，另一个为耦合单元；两个天线单元弯折部分产生的耦合电流方向相反，可实现相互抵消，从而这两个天线单元之间的耦合系数S21降低；同时与位于介质基板另一侧的两个天线单元之间的耦合系数S31、S41降低。
本发明天线阵列每两个天线单元之间都存在较高的端口隔离度(>20dB)，所有隔离度性能的提高都通过天线自身形状弯折来实现。所述弯折方式对天线单元之间的解耦是分步骤进行的，以第一天线单元(1)为例，第一步弯折成L形使第一天线单元(1)、第二天线单元(2)之间的耦合降低，第二步弯折成多个L形组合使第一天线单元(1)与第三天线单元(3)、第四天线单元(4)之间的耦合降低。
上述弯折方式可以实现三种隔离度的提高，以第一天线单元(1)为例，弯折天线形状可以使第一天线单元(1)天线与第二天线单元(2)之间的耦合强度S21降低，也可以使第一天线单元(1)与第三天线单元(3)之间的耦合强度S31降低，同时还可以使第一天线单元(1)与第四天线单元(4)之间的耦合强度S41降低。
弯折天线能够解耦的耦合种类数量由弯折的自由度所决定，弯折的自由度越大，降低耦合的数量越多。所述弯折自由度由弯折操作的次数决定，弯折次数越多代表弯折自由度越大。
本发明解耦的原理是通过弯折天线使不同天线枝节上产生方向相反的耦合电流，幅度相当而相位相反的耦合电流相互抵消从而达到使天线之间耦合降低的目的。假设第一天线单元(1)为激励单元而第二天线单元(2)为耦合单元，当将天线弯折成L形，第二天线单元(2)的两个枝节上均产生了耦合电流，且耦合电流的方向相反相互抵消，从而第一天线单元(1)与第二天线单元(2)之间的耦合系数S21得到降低。将天线弯折成多个L形组合是增加弯折的自由度使能够被解耦的天线数量得到增加。
本发明的有益效果是：本发明是一种设计简单实用性强的自解耦天线阵列，高隔离度的实现不需要添加额外的去耦结构，同时可以通过控制弯折天线操作的次数来控制天线的弯折自由度，从而控制能够解耦天线阵列的天线单元数量，同时相比其余发明可以实现高端口隔离度的解耦(>20dB)，同时天线放置紧密且对称具有良好的可实现性。
附图说明
图1是弯折优化过后的自解耦高隔离度四单元MIMO天线阵列的平面结构示意图；
图2是所设计的四单元MIMO天线阵列的叠层信息图；
图3为四单元MIMO天线阵列各弯折步骤的天线结构示意图。
图3(a)是一种未经弯折的四单元天线阵列结构示意图；
图3(b)是弯折成L形的四单元MIMO天线阵列结构示意图；
图3(c)是弯折成多个L形组合的四单元MIMO天线阵列结构示意图；
图4为四单元MIMO天线阵列弯折前后的S参数对比图。
图4(a)是未经弯折的四单元MIMO天线阵列的S参数图；
图4(b)是弯折优化过后的四单元MIMO天线阵列的S参数图；
图5是第一天线单元作为激励单元时在xoy平面的辐射方向图；
图6是第一天线单元作为激励单元时在yoz平面的辐射方向图。
其中，图1为本发明的结构图，主要包括第一天线单元1、第二天线单元2、第三天线单元3、第四天线单元4；标注5-8为四个馈电端口；标注9为地板；图2为叠层信息图，标注10表示天线层为金属结构，标注11表示介质层，标注12表示地板层也为金属结构；图3表示本发明弯折所经历的三个步骤，依次分别是未弯折，弯折成L形，弯折成多个L形组合；图4为解耦前后天线阵列的S参数图，可以看出弯折过后的天线阵列所有耦合参数均得到减小，其中S21减小最为明显，并且各个端口在所需频带的匹配都良好；图5，6为天线阵列的辐射方向图。
具体实施方式
为了将本发明的目的、技术方案及优点阐述的更加清楚明白，通过结合具体实例并结合附图，对本发明进行进一步详细说明，但本发明并不限于这些实施例。
图1-2所示为本发明中的经过弯折过后的自解耦高隔离度四单元小型化MIMO天线阵列结构示意图及参数尺寸设置，主要由第一天线单元1、2、3、4以及系统地板构成，其中第一天线单元1与第二天线单元2沿地板的一条长边对称分布，第三天线单元3与第四天线单元4沿地板的另一条长边对称分布，尺寸参数具体为：馈电线长度L0为11.5mm，宽度W0为2.4mm；馈电线与天线之间的线长度L12为7mm，宽度W1为0.8mm；天线宽度W2为1.7mm；弯折过后的各节天线长度L4＝6.5mm、L5＝2.9mm、L6＝4.7mm、L7＝2.9mm、L8＝4.5mm、L9＝3.0mm、L10＝2.6mm、L11＝6.4mm；两天线单元之间的间隔d＝4mm。
图3为四单元MIMO天线阵列各弯折步骤的天线结构示意图。图3(a)所示为未经弯折的四单元MIMO天线阵列的结构示意图，这种结构下由于未经弯折处理，天线单元间的耦合很高，由图4(a)可以得出在5.1Ghz至5.3Ghz频带上S21仅为-3.46dB至-3.66dB。图3(b)所示为弯折成L形的四单元MIMO天线阵列结构示意图，此时由于弯曲使得耦合电流发生变化，可以产生耦合电流的抵消，从而使相邻天线单元(天线1与天线2，天线3与天线4)间的隔离度得到提高。图3(c)所示为弯折成多个L形组合的四单元MIMO天线阵列结构示意图，此时天线由于弯折多次，耦合电流模式进一步增加，非相邻单元(如：天线1与天线3，天线1与天线4)间的耦合进一步降低。从图4(b)中可以看出S21在5.1Ghz至5.3Ghz频带上S21变为-31dB至-54dB，同时S31、S41也均有很大的隔离度的提高。
图5所示为上述第一天线单元1作为激励单元时xoy平面的辐射方向图，图6为yoz平面的辐射方向图。
弯折不仅提高了各端口的隔离度，还可以提高天线的辐射效率，方向图多样性等性能。当解耦后的天线应用于无线通信系统时，可以使通信系统的信道容量，吞吐量都有一个比较好的提高。
本发明为一种四单元自解耦高隔离小型化MIMO天线阵列，通过采用弯折的技术来实现端口的高隔离度，与其他解耦方法相比，本发明可以大大的减少电路的面积，使电路排布更为紧凑，本发明具有更高的峰值增益，更低的包络相关系数，更高的端口隔离度，因此很好的解决了如今无线通信领域中由于天线间距过小导致的强耦合的问题。
以上所述仅为本发明的一个实施例，只是用于帮助理解本发明的方法以及核心思想。本发明所提出的弯折技术也可以应用于其他类型、其他单元数量的MIMO天线阵列。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行改进，这些改进也将落入本发明权利要求的保护范围内。本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (9)

1.一种多单元自解耦高隔离小型化MIMO天线阵列，其特征在于包括n个四单元自解耦高隔离小型化MIMO天线阵列，n≥1；其中每个四单元自解耦高隔离小型化MIMO天线阵列，为轴对称结构，其包括介质基板、分别铺设在介质基板上下表面的金属层和系统地板；
所述金属层包括结构相同且互不接触的第一天线单元(1)、第二天线单元(2)、第三天线单元(3)、第四天线单元(4)；第一天线单元(1)、第二天线单元(2)分布在介质基板的一侧，第三天线单元(3)、第四天线单元(4)分布在介质基板的另一侧；第一天线单元(1)、第二天线单元(2)与第三天线单元(3)、第四天线单元(4)关于介质基板长度方向中心线轴对称设置，第一天线单元(1)、第二天线单元(2)关于介质基板宽度方向中心线轴对称设置，第三天线单元(3)、第四天线单元(4)关于介质基板宽度方向中心线轴对称设置；
所述第一天线单元(1)、第二天线单元(2)、第三天线单元(3)、第四天线单元(4)的天线辐射部分中的其中一臂部进行自身弯折；自身弯折部分包括n个L形结构。
2.根据权利要求1所述的一种多单元自解耦高隔离小型化MIMO天线阵列，其特征在于相邻L形结构进行首尾连接，且相邻L形结构连接部分夹角为90°。
3.根据权利要求1所述的一种多单元自解耦高隔离小型化MIMO天线阵列，其特征在于所述弯折部分还包括竖直部分；位于最外侧的L形结构与竖直部分连接。
4.根据权利要求1所述的一种多单元自解耦高隔离小型化MIMO天线阵列，其特征在于所述第一天线单元(1)、第二天线单元(2)、第三天线单元(3)、第四天线单元(4)的馈电部分靠近介质基板的中心。
5.根据权利要求1所述的一种多单元自解耦高隔离小型化MIMO天线阵列，其特征在于天线馈电部分与介质基板宽度方向中心线的距离为0.1波长。
6.根据权利要求1所述的一种多单元自解耦高隔离小型化MIMO天线阵列，其特征在于天线辐射部分的另一臂部不弯折。
7.根据权利要求6所述的一种多单元自解耦高隔离小型化MIMO天线阵列，其特征在于天线辐射部分中不弯折部分的长度为0.13波长。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种多单元自解耦高隔离小型化MIMO天线阵列，其特征在于位于介质基板同一侧的两个天线单元，其中一个为激励单元，另一个为耦合单元；两个天线单元弯折部分产生的耦合电流方向相反，实现相互抵消，从而这两个天线单元之间的耦合系数S21降低；同理，与位于介质基板另一侧的两个天线单元之间的耦合系数S31、S41降低。
9.根据权利要求1-7任一项所述的一种多单元自解耦高隔离小型化MIMO天线阵列，其特征在于第一天线单元(1)、第二天线单元(2)、第三天线单元(3)、第四天线单元(4)通过各自的天线辐射部分中自身弯折部分使天线枝节上产生方向相反的耦合电流，幅度相当而相位相反的耦合电流相互抵消从而达到使第一天线单元(1)、第二天线单元(2)、第三天线单元(3)、第四天线单元(4)之间耦合降低。
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CN116151038A (zh) * 2023-04-18 2023-05-23 安徽大学 一种圆极化mimo微带天线阵列自解耦技术的分析方法
WO2023246333A1 (zh) * 2022-06-20 2023-12-28 广州司南技术有限公司 一种多频段多波束mimo电磁透镜阵列天线及天线装置

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