CN115863997A - 由双单元子阵与解耦中和线构成的高隔离度贴片天线阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开由双单元子阵与解耦中和线构成的高隔离度贴片天线阵列，主要用于降低MIMO天线阵列中由于双单元子阵之间距离过近所导致的两个端口间的互耦。本发明包括两个双单元天线阵列与接地面，其中每组阵列包括两个天线单元。通过在两个双单元天线阵列的馈电口处通过间隙耦合的方式连接中和线使隔离度(S21<‑20dB)。为了避免与天线阵列的布局上形成冲突，将中和线位于接地板的底部。本发明仅在原有天线阵列的基础上增加了一段中和线，因此结构简单易于实现。并且相比较其它解耦技术仅在不同天线单元之间解耦，本发明实现了天线阵列间的解耦，从而节省了人力物力成本。

Description

由双单元子阵与解耦中和线构成的高隔离度贴片天线阵列

技术领域

本发明属于天线技术领域，一种由双单元子阵与解耦中和线构成的高隔离度贴片天线阵列，具体是一种可以在2.5Ghz至3.5Ghz频带上实现双单元天线矩阵间解耦高隔离的技术。

背景技术

在无线电通信领域，多输入多输出(MIMO)的天线阵列已经被广泛使用于各类通信系统中。这种阵列具有提升数据的无线传输速率和传输质量，并能扩大信道容量，增强天线的辐射增益等诸多优势。然而，当MIMO天线阵列需要放置于狭小封闭的空间中时，设计者就必须将天线单元尽量紧凑地布置，而这时天线单元与单元之间，天线阵列与阵列之间的相互耦合就会显著的提升，进而严重影响MIMO天线阵列的性能。

为了提高MIMO天线阵列的隔离性能，研究者们研发出了多种解耦技术，大多仅用于天线单元与单元间的解耦。这些解耦技术包括缺陷地结构(Defected GroundStructure，DGS)，解耦网络等。缺陷地结构技术是在接地面上雕刻周期性的间隙结构来抑制接地面上的耦合电流产生，进而实现天线单元之间的高隔离性，但是某些间隙结构复杂，制作难度大，加工成本昂贵。解耦网络是在每对天线单元之间添加传输线网络。并且该网络的互导纳与耦合天线单元的互导纳正好相反，以此从窄带上消除两只天线单元之间的互耦。后来，人们又在这个概念上进一步发明了耦合谐振器网络，达到了一个宽带上的解耦效果，但依然没能改变仅仅只能在两个天线单元间消除互耦。阵列天线解耦表面(Array-Antenna Decoupling Surface)是近年来新出现的一种解耦方法，其在天线阵列的正上方放置一块介质板，用于放置金属贴片，每块金属贴片位于每个天线单元的正上方，用于反射天线辐射的电磁波，金属贴片折射的电磁波与天线单元之间的耦合电磁波形成180度的相位差且幅度刚好相等时，二者相互抵消，形成了解耦，这种方法效果很好，但是在天线阵列上方增加介质板会大幅增加水平方向上所占的体积。

因此这些解耦技术虽然都能使MIMO天线阵列达到解耦的效果，但它们都存在自身不可忽视的缺点。故，研发一种应用于双单元子阵，简单可行易于加工，不会增大体积且可使子阵间解耦效果良好的技术是必要的。

本发明提出了一种应用于双单元天线阵列间的解耦中和线技术，在两个天线阵列端口处添加中和线,两个天线阵列通过辐射耦合的电磁波和中和线耦合的电磁波相位相差180度且幅度相等，二者相互抵消以达到天线阵列间解耦的目的。为了控制中和线耦合的能量不至于太大，中和线与天线阵列馈电端口处的连接采取间隙耦合的方式。相比于其它的一些技术仅能在天线单元间实现解耦，该技术能够实现天线阵列间的解耦。所提出的解耦方法并未增大原有MIMO天线阵列的体积，且易于加工制造。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种应用于双单元天线阵列间的解耦中和线技术。

为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

一种由双单元子阵与新型去耦网络构成的高隔离度贴片天线阵列，包括：

介质基板；

系统地板(1)，位于介质基板的上方；

两个双单元天线阵列(2)，位于系统地板的上方，且关于系统地板(1)长边方向中轴线呈轴对称；且两个双单元天线阵列(2)与所述系统地板(1)间留有空气层；

解耦中和线(3)，位于介质基板的下方；

两个一分为二馈电网络(4)，位于介质基板的下方；

其中：

所述双单元天线阵列(2)包括两个天线单元(2-1)，且两个天线单元(2-1)关于系统地板(1)宽边方向中轴线呈轴对称；

同一个双单元天线阵列(2)的两个天线单元(2-1)分别通过一根贯穿系统地板(1)、介质基板的金属圆柱(5)与其中一个一分为二馈电网络(4)的两个馈电输出口连接；

作为优选，所述天线单元(2-1)采用金属贴片；更为优选，所述金属贴片为方形；

所述解耦中和线(3)包括第一耦合端口(3-1)、第二耦合端口(3-2)、第一传输线(3-3)、第二传输线(3-4)、第三传输线(3-5)、第四传输线(3-6)；所述第一耦合端口(3-1)为T型结构，包括第一耦合微带线(3-1-1)、第二耦合微带线(3-1-2)；所述第二耦合端口(3-2为T型结构，包括第三耦合微带线(3-2-1)、第四耦合微带线(3-2-2)；所述第一耦合微带线(3-1-1)的中点与所述第二耦合微带线(3-1-2)的一端连接，所述第二耦合微带线(3-1-2)的另一端接所述第一传输线(3-3)的一端，所述第一传输线(3-3)的另一端接所述第二传输线(3-4)的一端、所述第三传输线(3-5)的一端，所述第三传输线(3-5)的另一端接所述第四传输线(3-6)的一端，所述第四传输线(3-6)的另一端接所述第三耦合微带线(3-2-1)的一端，所述第三耦合微带线(3-2-1)的另一端接所述第四耦合微带线(3-2-2)的中点。所述第二传输线(3-4)的另一端开路；

所述第一耦合端口(3-1)、第二耦合端口(3-2)分别与两个一分为二馈电网络(4)间存在间隙，实现间隙耦合；

作为优选，所述第一传输线(3-3)、第二传输线(3-4)、第三传输线(3-5)、第四传输线(3-6)各自独立采用部分或全部不同形式的弯折；

更为优选，所述第三传输线(3-5)中间段部分采用“U”字形弯折；

作为优选，所述一分为二馈电网络(4)包括输入馈线、第一馈线分支、第一输出馈线、第二馈线分支、第二输出馈线；输入馈线的一端接入馈电，另一端接所述第一馈线分支的一端、所述第二馈线分支的一端，所述第一馈线分支的另一端接所述第一输出馈线的一端，第一输出馈线的另一端作为馈电输出口，所述第二馈线分支的另一端接所述第二输出馈线的一端，第二输出馈线的另一端作为馈电输出口；所述第一馈线分支、第二馈线分支位于同一直线；

更为优选，所述第一耦合微带线(3-1-1)与所述第一馈线分支、第二馈线分支位于同一直线平行。

作为优选，所述第二传输线(3-4)的长度可调，用以实现天线矩阵中心频率的匹配(S11)和隔离度(S21)的调谐。更为优选，所述第二传输线(3-4)的长度为81.5mm。

作为优选，所述第二传输线(3-4)的宽度可调，用以实现天线阵列中心频率的匹配(S11)和隔离度(S21)的调谐。更为优选，所述第二传输线(3-4)的宽度为2.72mm。

作为优选，所述第三传输线(3-5)的长度可调，用以实现隔离度(S21)的调谐。更为优选，所述第三传输线(3-5)的长度为77mm。

作为优选，所述第三传输线(3-5)的宽度可调，用以实现解耦效果的调谐。更为优选，所述第三传输线(3-5)的宽度为1.09673mm。

工作原理：两个双单元天线阵列(2)在辐射电磁波时相互之间会通过空间辐射或介质基板表面波的方式产生耦合，这种耦合会改变双单元天线阵列(2)的电流分布及幅度和相位。具体而言就是两个双单元天线阵列(2)之间产生了不必要的传输路径，为了抵消这种影响，可以引入一条新的传输路径，新的传输路径与耦合路径的电压幅度和电压相位应当满足如下关系式：

其中

表示耦合路径的电压传输系数，/>

表示新引入传输路径的电压传输系数，Phase表示取相位的函数，n表示任意奇数。

公式(1)表达的意义是耦合路径与新引入的路径电压幅度相同，符号相反，根据电压叠加定理可知二者相加为0，即相互抵消。根据上述定理，在设计解耦中和线(3)时，处于互耦较强的频段时解耦中和线(3)能形成较深用于抵消互耦的路径，而在互耦很低或根本不存在互耦的频段时，解耦中和线(3)也应仅生成较浅或者不生成抵消互耦的路径。整个天线阵列两个端口间的导纳Y₂₁满足公式(3)：

其中ω＝2πf，f为中心频率；

表示耦合路径的导纳，/>

表示新引入传输路径的导纳；

由于两个双单元天线阵列(2)相互耦合最强的中心频率位于3GHz，故解耦中和线(3)在3GHz处生成用于抵消互耦的路径。

本发明的有益效果是：是通过在两个双单元天线子阵列间添加解耦中和线实现端口的高隔离度，与其他解耦方法相比，本此结构简单易于实现，不会增加额外的体积，节省了人力物力成本。解耦中和线位于介质基板底部充分利用了面积。并且相比较其它解耦技术仅在不同天线单元之间解耦，该技术实现了天线阵列间的解耦，扩展了的天线阻抗带宽，并形成更高的端口隔离度，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。同时相比其余发明可以实现高端口隔离度的解耦(S21>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是包含两个子天线阵列，共计四天线单元的MIMO天线阵列的结构俯视图。

图2是包含两个子天线阵列，共计四天线单元的MIMO天线阵列的结构正视图。

图3是包含两个子天线阵列，共计四天线单元的MIMO天线阵列的结构左视图。

图4是包含两个子天线阵列，共计四天线单元，但并未添加中和线的MIMO天线阵列的结构仰视图。

图5是用于解耦所添加的中和线结构图。

图6是包含两个子天线阵列，共计四天线单元，添加中和线后的MIMO天线阵列的结构仰视图。

图7是未添加中和线前的MIMO天线S参数图，可以看出MIMO天线阵列中的两个子阵列互耦较强。

图8是添加中和线后的MIMO天线S参数图，可以看出通过添加中和线后，MIMO天线阵列中的两个子阵列互耦的互耦明显降低。

图9是添加中和线后的MIMO天线的二维辐射方向图。

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。

一种由双单元天线阵列2与新型去耦网络构成的高隔离度贴片天线阵列，如图1-3包括：

介质基板；系统地板1，位于介质基板的上方，其长度为200mm，宽度为150mm，厚度为1.65mm；两个双单元天线阵列2，位于系统地板的上方，且关于系统地板1长边方向中轴线呈轴对称；且两个双单元天线阵列2与所述系统地板1间留有空气层；解耦中和线3，位于介质基板的下方；两个馈电网络4，位于介质基板的下方；

所述双单元天线阵列2包括两个天线单元2-1，且两个天线单元2-1关于系统地板1宽边方向中轴线呈轴对称；两个双单元天线阵列2中共4个天线单元2-1，所述天线单元2-1采用方形金属贴片，其长和宽都是41.7mm。

同一个双单元天线阵列2的两个天线单元2-1分别通过一根贯穿系统地板1、介质基板的金属圆柱5与其中一个一分为二馈电网络4的两个馈电输出口连接；金属圆柱5的高6.65mm，直径为1.5mm。

两组双天线单元阵列与接地面构成，其中每组阵列又由两个方形天线单元组成。天线阵列1与天线阵列2沿接地面的竖直中线对称分布，每组天线阵列内部的单元则沿接地面水平中线对称分布。每组天线阵列都仅有一条竖直臂与系统地板的馈电端口相连，从馈电口传输进入的能量会平均分配给天线阵列中的两个天线单元。一条用于解耦的中和线通过间隙耦合的方式连接两组天线阵列的馈电口。

所述的天线阵列在不添加中和线之前，天线阵列之间具有较强的耦合，添加中和线之后，天线阵列阵列之间的耦合显著降低(S21<-20dB)，所有隔离度性能的提高都是通过添加中和线来实现的。

通过中和线解耦的方式，可以实现双单元天线阵列间的解耦，而不仅限于单个天线单元之间的解耦。中和线连接天线阵列馈电端口时采用的是间隙耦合而不是直接耦合。

所述的通过中和线解耦的方式，能够解耦的天线阵列不局限于双单元天线阵列之间，可以使任意单元数量的天线阵列之间的耦合降低。中和线解耦的天线阵列单元数量由中和线的数量决定，具体为被解耦天线阵列单元数量是中和线的两倍。

图4为不添加中和线时MIMO天线仰视图，具体为：系统地板1底部为两个馈电网络4，两者完全相同并沿系统地板1竖直中线对称。以其中一个馈电网络4为例，电磁波从馈电网络4左侧的馈电臂传入后，等分成功率相同的两股电磁波分别传入同一个双单元天线阵列2的两个天线单元2-1。所述馈电网络4包括输入馈线、第一馈线分支、第一输出馈线、第二馈线分支、第二输出馈线；输入馈线的一端接入馈电，另一端接所述第一馈线分支的一端、所述第二馈线分支的一端，所述第一馈线分支的另一端接所述第一输出馈线的一端，第一输出馈线的另一端作为馈电输出口，所述第二馈线分支的另一端接所述第二输出馈线的一端，第二输出馈线的另一端作为馈电输出口；所述第一馈线分支、第二馈线分支位于同一直线；所述第一耦合微带线3-1-1与所述第一馈线分支、第二馈线分支位于同一直线平行。

图5为中和线结构图，所述解耦中和线3包括第一耦合端口3-1、第二耦合端口3-2、第一传输线3-3、第二传输线3-4、第三传输线3-5、第四传输线3-6；所述第一耦合端口3-1为T型结构，包括第一耦合微带线3-1-1、第二耦合微带线3-1-2；所述第二耦合端口3-2为T型结构，包括第三耦合微带线3-2-1、第四耦合微带线3-2-2；所述第一耦合微带线3-1-1的中点与所述第二耦合微带线3-1-2的一端连接，所述第二耦合微带线3-1-2的另一端接所述第一传输线3-3的一端，所述第一传输线3-3的另一端接所述第二传输线3-4的一端、所述第三传输线3-5的一端，所述第三传输线3-5的另一端接所述第四传输线3-6的一端，所述第四传输线3-6的另一端接所述第三耦合微带线3-2-1的一端，所述第三耦合微带线3-2-1的另一端接所述第四耦合微带线3-2-2的中点。所述第二传输线3-4的另一端开路；

所述第一耦合端口3-1、第二耦合端口3-2分别与两个馈电网络4间存在间隙，实现间隙耦合，使馈电端口间的互耦降低；

所述第一传输线3-3、第二传输线3-4、第三传输线3-5、第四传输线3-6各自独立采用适当的弯折；优选，所述第三传输线3-5中间段部分采用“U”字形弯折；

图6是中和线结构图以及将中和线加入MIMO天线阵列后结构示意图及其尺寸。通过调节中和线竖直方向的位置，达到最优的解耦效果。

本发明的优点可以通过仿真结果进行进一步的说明，对上述具体尺寸添加中和线后的MIMO天线阵列建模并进行全波仿真，得到仿真的S参数图以及辐射方向图；

图7是MIMO天线阵列未添加中和线前的S参数图，可以看出3GHz天线谐振点处S21大于-15dB，2.5～3.5GHz时，S21总体大于-20dB。表现出两个天线子阵列间的互耦较强。

图8是MIMO天线阵列添加中和线后的S参数图，可以看出3GHz天线谐振点处S21降低为-25dB，2.5～3.5GHz时，S21总体小于-20dB。说明添加中和线后，天线阵列间的互耦得到了明显的抑制。同时，天线的谐振带宽也变得更宽，3GHz处，S11依然大于-16dB，性能更加优越。

图9是添加中和线后的MIMO天线的二维辐射方向图，包含0度及90度的方向。

本发明为一种由双单元天线阵列2与新型去耦网络构成的高隔离度贴片天线阵列，通过在两个的天线阵列间添加解耦中和线实现端口的高隔离度，与其他解耦方法相比，本此结构简单易于实现。并且相比较其它解耦技术仅在不同天线单元之间解耦，该技术实现了天线阵列间的解耦，并且节省了人力物力成本，扩展了的天线阻抗带宽，并形成更高的端口隔离度，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。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 (10)

1.由双单元子阵与新型去耦网络构成的高隔离度贴片天线阵列，其特征在于包括：

介质基板；

系统地板(1)，位于介质基板的上方；

两个双单元天线阵列(2)，位于系统地板的上方，且关于系统地板(1)长边方向中轴线呈轴对称；且两个双单元天线阵列(2)与所述系统地板(1)间留有空气层；

解耦中和线(3)，位于介质基板的下方；

两个一分为二馈电网络(4)，位于介质基板的下方；

其中：

所述双单元天线阵列(2)包括两个天线单元(2-1)，且两个天线单元(2-1)关于系统地板(1)宽边方向中轴线呈轴对称；

同一个双单元天线阵列(2)的两个天线单元(2-1)分别通过一根贯穿系统地板(1)、介质基板的金属圆柱(5)与其中一个一分为二馈电网络(4)的两个馈电输出口连接；

所述解耦中和线(3)包括第一耦合端口(3-1)、第二耦合端口(3-2)、第一传输线(3-3)、第二传输线(3-4)、第三传输线(3-5)、第四传输线(3-6)；所述第一耦合端口(3-1)为T型结构，包括第一耦合微带线(3-1-1)、第二耦合微带线(3-1-2)；所述第二耦合端口(3-2为T型结构，包括第三耦合微带线(3-2-1)、第四耦合微带线(3-2-2)；所述第一耦合微带线(3-1-1)的中点与所述第二耦合微带线(3-1-2)的一端连接，所述第二耦合微带线(3-1-2)的另一端接所述第一传输线(3-3)的一端，所述第一传输线(3-3)的另一端接所述第二传输线(3-4)的一端、所述第三传输线(3-5)的一端，所述第三传输线(3-5)的另一端接所述第四传输线(3-6)的一端，所述第四传输线(3-6)的另一端接所述第三耦合微带线(3-2-1)的一端，所述第三耦合微带线(3-2-1)的另一端接所述第四耦合微带线(3-2-2)的中点。所述第二传输线(3-4)的另一端开路；

所述第一耦合端口(3-1)、第二耦合端口(3-2)分别与两个一分为二馈电网络(4)间存在间隙，实现间隙耦合。

2.根据权利要求1所述由双单元子阵与新型去耦网络构成的高隔离度贴片天线阵列，其特征在于，所述天线单元(2-1)采用金属贴片。

3.根据权利要求2所述由双单元子阵与新型去耦网络构成的高隔离度贴片天线阵列，其特征在于，所述金属贴片为方形。

4.根据权利要求1所述由双单元子阵与新型去耦网络构成的高隔离度贴片天线阵列，其特征在于，所述第一传输线(3-3)、第二传输线(3-4)、第三传输线(3-5)、第四传输线(3-6)各自独立采用部分或全部不同形式的弯折。

5.根据权利要求1所述由双单元子阵与新型去耦网络构成的高隔离度贴片天线阵列，其特征在于，所述第三传输线(3-5)中间段部分采用“U”字形弯折。

6.根据权利要求1所述由双单元子阵与新型去耦网络构成的高隔离度贴片天线阵列，其特征在于，所述一分为二馈电网络(4)包括输入馈线、第一馈线分支、第一输出馈线、第二馈线分支、第二输出馈线；输入馈线的一端接入馈电，另一端接所述第一馈线分支的一端、所述第二馈线分支的一端，所述第一馈线分支的另一端接所述第一输出馈线的一端，第一输出馈线的另一端作为馈电输出口，所述第二馈线分支的另一端接所述第二输出馈线的一端，第二输出馈线的另一端作为馈电输出口；所述第一馈线分支、第二馈线分支位于同一直线。

7.根据权利要求6所述由双单元子阵与新型去耦网络构成的高隔离度贴片天线阵列，其特征在于，所述第一耦合微带线(3-1-1)与所述第一馈线分支、第二馈线分支位于同一直线平行。

8.根据权利要求1所述由双单元子阵与新型去耦网络构成的高隔离度贴片天线阵列，其特征在于，所述第二传输线(3-4)的长度和宽度可调，用以实现天线矩阵中心频率的匹配和隔离度的调谐。

9.根据权利要求1所述由双单元子阵与新型去耦网络构成的高隔离度贴片天线阵列，其特征在于，所述第三传输线(3-5)的长度和宽度可调，用以实现隔离度的调谐。

10.根据权利要求1-9任一项所述由双单元子阵与新型去耦网络构成的高隔离度贴片天线阵列，其特征在于，两个双单元天线阵列(2)在辐射电磁波时相互之间会通过空间辐射或介质基板表面波的方式产生耦合，这种耦合会改变双单元天线阵列(2)的电流分布及幅度和相位；故两个双单元天线阵列(2)之间产生了不必要的传输路径，为了抵消这种影响，引入一条新的传输路径，新的传输路径与耦合路径的电压幅度和电压相位满足如下关系式：

其中

表示耦合路径的电压传输系数，/>

表示新引入传输路径的电压传输系数，Phase表示取相位的函数，n表示任意奇数；

根据上述公式(1)-(2)，在设计解耦中和线(3)时，处于互耦较强的频段时解耦中和线(3)能形成较深用于抵消互耦的路径，而在互耦很低或根本不存在互耦的频段时，解耦中和线(3)仅生成较浅或者不生成抵消互耦的路径；所以整个天线阵列的导纳Y₂₁满足公式(3)：

其中ω＝2πf，f为中心频率；

表示耦合路径的导纳，/>

表示新引入传输路径的导纳。/>

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