CN117220019A - 一种具有全隔离特性的自解耦耦合线天线对及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有全隔离特性的自解耦耦合线天线对，包括基于耦合线电路的自解耦天线对、天线对辐射体、地板层、天线对馈电网络；所述地板层由第一基板承载，所述地板层用于承载第二基板；所述基于耦合线电路的自解耦天线对、天线对馈电网络印刷在所述第二基板上；所述基于耦合线电路的自解耦天线对包括耦合线路对；所述耦合线路对拥有四个端口，其中两个端口处于耦合线路对的对立两端，分别单独馈电一支耦合线；剩余两个端口一个短路接地，另一个接开路。本发明还提供了上述自解耦耦合线天线对的设计方法。

Description

一种具有全隔离特性的自解耦耦合线天线对及其设计方法

技术领域

本发明涉及天线的技术领域，尤其涉及一种具有全隔离特性的自解耦耦合线天线对的设计。

背景技术

万物互联时代对无线通信的需求快速增长，一台终端设备需要兼容多个频段，同一台终端设备上则要分布多个天线。每个天线除了要保证自身的效率之外还要兼顾与其他天线之间的隔离度。因此终端设备上常常会尽量拉大天线间的距离来提高天线间的隔离度，例如将多个天线会分别设置在终端设备的不同侧边。然而，由于终端设备的体积有限，拉大天线间距离的方式会造成整体空间布局紧张。因此，如何减少天线之间的耦合成为无线终端天线设计中最关键的问题之一。

在过去十年左右的时间里，关于开发用于减少在相同频带中工作的MIMO天线间的耦合方法已经取得了相当大的进展。主要有两种策略可以处理天线耦合：解耦或自解耦。解耦是在寻找缓解传统形式天线之间相互耦合的方法；自解耦是在天线结构建立中采用的一种机制，使并置的天线自我隔离。解耦方法最明显的缺点是其对天线空间重用的严重限制。如果有足够的空间和设计自由度，基于特征模式理论的极化分集天线和自解耦天线将是有效的解决方案。同样，它们的空间重用水平也很低。

最早的基于电感-电容耦合消除的紧凑型自解耦天线对在2010年被提出，该结构包括一对受超材料启发的紧密间隔的单极天线。该天线对在两个单极子之间产生了平衡的电感和电容耦合。该文中另一项引人注目的工作是一对间隙耦合环形天线，每个天线都拖着一条短接地的长尾，在固有电容的基础上引入适量的电感耦合。随后，在2019年一种基于共模(CM)和差模(DM)抵消的对称条形天线结构被提出，该文指出对称天线对所需要的一切都是确保CM和DM的有源反射系数之差尽可能小，为了在一对对称天线上激励一对CM和DM，两个天线可以分别由不平衡和平衡端口馈电。但是由于对对称性的要求，这种天线对存在两个问题：设计自由度太少和易受不对称环境的影响。

发明内容

本发明提供了一种具有全隔离特性的自解耦耦合线天线对于高集成度，具有高空间利用度，高隔离度等优点，非常适合终端紧凑型天线阵列的应用场景。预计新型自解耦天线对将为行业提供更多的设计选择，以应对为无线终端设计多天线的挑战。

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种具有全隔离特性的自解耦耦合线天线对，包括基于耦合线电路结构的天线对、地板层、天线对馈电网络结构；

所述地板层由第一基板承载，所述地板层用于承载第二基板；所述基于耦合线电路的自解耦天线对、天线对馈电网络印刷在所述第二基板上；

所述基于耦合线电路的自解耦天线对包括耦合线路对；所述耦合线路对拥有四个端口，其中两个端口处于耦合线路对的对立两端，分别单独馈电一支耦合线；剩余两个端口一个短路接地，另一个接开路。

在一较佳实施例中：所述天线对辐射体采用半波长耦合线。

在一较佳实施例中：所述地板层为FR4基板。

在一较佳实施例中：所述天线对馈电网络采用直接馈电方式或耦合馈电方式。

在一较佳实施例中：所述天线对馈电网络采用直接馈电方式时，所述耦合线的端口通过匹配电路对耦合线进行馈电；

所述匹配电路包括一个与耦合线并联的电感以及与耦合线串联的电容。

在一较佳实施例中：所述天线对馈电网络采用耦合馈电方式时，所述天线对馈电网络的端口不直接与耦合线路对的端口相连；所述天线对馈电网络的端口连接到一个印刷在耦合线电路对所在第二基板的另外一面的金属馈电结构。

在一较佳实施例中：所述金属馈电结构为“F”形状的金属片。

在一较佳实施例中：所述第二基板为PCB板。

本发明提供了一种具有全隔离特性的自解耦耦合线天线对的设计方法，包括以下步骤：

步骤1，采用一对固有全隔离属性的辐射耦合条形天线构成基于耦合线电路的自解耦天线对，耦合线路对的四个端口中两个端口位于两条耦合线电路的相对侧，另两个端口一个开路，一个短路；

步骤2，采用电感馈电时，处于耦合线路对的对立两端直接接入并搭配匹配电路；采用电容馈电时,由两个电磁耦合(EC)F形探针激发；

步骤3，将基于耦合线电路的自解耦天线对垂直于地平面的长边放置，并位于地平面长边的中间；

步骤4，使用商业模拟软件对其性能参数进行EM模拟。

相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：

1.本发明中的天线在自解耦天线结构方面，耦合线路对中的两个端口位于两条耦合线路的相对侧，另两端一个开路，一个短路，所述端口配置为一种全隔离配置，两个端口可以完全理想地隔离，而不考虑耦合系数。由于匹配电路在每个端口都包含一个串联电容器，这意味着可以使用电容馈电结构来激励天线，而不是使用集总元件匹配电路，同时也缓解两个天线的窄匹配带宽。

2.与现有的自解耦天线相比，耦合线自解耦天线具有实现了高度的空间复用、不对称结构和多重设计自由度确保了内在的自隔离、不需要平衡的馈电端口、以及可以在天线形式和天线特征之间进行相当多样化的权衡等优点。

附图说明

图1是本发明所采取的两端口耦合线路对配置和匹配电路示意图(其中a为示意图、b为电路图)；

图2是本发明的天线辐射体实现方式以及电感馈电方式和电容耦合馈电方式的示意图(其中a为天线辐射体实现方式、b为电感馈电图、c为电容耦合馈电图)；

图3-图8是本发明中天线的性能图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是壁挂连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的目的在于实现天线自解耦。本申请提供一种具有全隔离特性的自解耦耦合线天线对的设计。该耦合线路对的全隔离特性被转化为耦合线自解耦天线的内置自解耦特性，耦合线自解耦天线的物理实现随着不同的端口结构、尺寸和匹配而变化。

为达到上述目的，本发明演示案例采用如下方案。

1)仿真模型方面：包括接地层、耦合线天线对；接地层由0.8mm厚的FR4基板承载，尺寸为70×140mm²，耦合线天线对及其馈电结构印刷在0.8mm厚的Panasonic R5725基板上，自解耦耦合线天线对垂直于地平面的长边放置，并位于地平面长边的中间；天线对具有四个端口，两个馈电端口位于两条耦合线路的相对侧，另两端一个开路，一个短路；天线馈电有两种物理实现方式，包括直接电感馈电方式(图2(b))和耦合电容馈电方式(图2(c))，自解耦耦合线天线对工作频带的中心频率处于3.5GHz，耦合线天线对的电长度约为0.5λ。

2)设计方面：本发明的设计方法包括以下步骤：

步骤1，采用一对具有固有隔离属性的辐射耦合条形天线构成一类新的自解耦天线对，天线对的电长度选择可以但不局限于3.5GHz时约为0.5λ；耦合线路对四个端口中两个端口位于两条耦合线路的相对侧，另两端一个开路，一个短路，所述端口配置为一种全隔离配置，两个端口可以完全理想地隔离；

步骤2，分别采用直接电感馈电方式(图2(b))和耦合电容馈电方式(图2(c))进行了理论和实验研究，采用电感馈电时每个天线端口直接接入，采用电容馈电时由两个电磁耦合(EC)F形探针激发；

步骤3，将耦合线自解耦天线垂直于地平面的长边放置，并位于地平面长边的中间；

步骤4，使用商业软件进行EM模拟。

具体的，本发明提供一种全隔离自解耦耦合线天线对的设计，中心频点为3.5GHz，最终模型包括接地层、自解耦耦合线天线对、两种馈电方式。具体设计步骤如下：

请参阅图1，图1为两端口耦合线路对配置和匹配电路示意图，两端口耦合线路对的配置如图1(a)所示，其中耦合线路对中的两个端口位于两条耦合线路的相对侧，另两端一个开路，一个短路。在电路模型中引入衰减系数α后，图1(b)中所示的LC匹配电路用于匹配θ＝π时耦合线路的阻抗。

请参阅图2，图2(a)为自解耦耦合线天线对辐射体与接地层的仿真模型示意图，接地层2由0.8mm厚的FR4基板1承载，尺寸为70×140mm²，天线对4、5及其馈电结构可以但不限于印刷在0.8mm厚的R5725基板3上，天线对4、5可以垂直于地平面的长边放置，并位于地平面长边的中间。图2(b)为电感直接馈电方式示意图，耦合线电路结构12的左端口18接馈电端口14，其右端口19接短路负载15到所述地板层。所述耦合线结构13的17端口接开路，其另一个端口20接馈电端口16。图2(c)为电容耦合馈电方式示意图，天线21、22由电磁耦合(EC)F形探针23、24激发，馈电端口25和接地端26分别接入电磁耦合(EC)F形探针23的端口30、31，馈电端口28和接地端27接入电磁耦合(EC)F形探针24的端口33、32，接地端口29直接接入天线21的右端口34。

天线的性能图，请参阅图3-图8。

图3是采用电感馈电的自解耦耦合线天线对的EM模拟和测量的S参数(图3(a))以及测量的总效率和ECC(图3(b)),天线2的匹配带宽和总效率小于天线1的匹配带宽。

图4是采用电感馈电的自解耦耦合线天线对中两个天线的辐射方向图,如图所示，模拟结果和测量结果的具有良好的一致性。

图5是采用电感馈电的自解耦耦合线天线对的测量最大增益和测量复用效率，如图所示由于两个MIMO天线的总效率不平衡，频带内的复用效率低于-1.8dB。

图6是采用电容耦合馈电的自解耦耦合线天线对的EM模拟和测量的S参数(图6(a))以及测量的总效率和ECC(图6(b))；如图6(a)所示测量6dB回波损耗带宽对于天线1可以宽至3.3–3.9GHz，对于天线2可以宽至3.1–3.75GHz，并且在N78频带上测量的隔离度优于12dB，如图6(b)所示，在N78频段，两个天线的总效率在52％–87％的范围内，所测量的ECC在整个频带上低于0.18。

图7是采用电容耦合馈电的自解耦耦合线天线对的两个天线在两个主平面上的模拟和测量辐射方向图，显示出良好的一致性。

图8是采用电容耦合馈电的自解耦耦合线天线对的测量最大增益和测量复用效率，天线1和天线2的最大增益在N78频带内分别高于3dB和2dB，测量的多路复用效率在-2.3dB到-0.6dB的范围内。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (9)

1.一种具有全隔离特性的自解耦耦合线天线对，其特征在于：包括基于耦合线电路结构的天线对、地板层、天线对馈电网络结构；

所述地板层由第一基板承载，所述地板层用于承载第二基板；所述基于耦合线电路的自解耦天线对、天线对馈电网络印刷在所述第二基板上；

所述基于耦合线电路的自解耦天线对包括耦合线路对；所述耦合线路对拥有四个端口，其中两个端口处于耦合线路对的对立两端，分别单独馈电一支耦合线；剩余两个端口一个短路接地，另一个接开路。

2.根据权利要求1所述的一种具有全隔离特性的自解耦耦合线天线对，其特征在于：所述天线对辐射体采用半波长耦合线。

3.根据权利要求1所述的一种具有全隔离特性的自解耦耦合线天线对，其特征在于；所述地板层为FR4基板。

4.根据权利要求1所述的一种具有全隔离特性的自解耦耦合线天线对，其特征在于；所述天线对馈电网络采用直接馈电方式或耦合馈电方式。

5.根据权利要求4所述的一种具有全隔离特性的自解耦耦合线天线对，其特征在于；所述天线对馈电网络采用直接馈电方式时，所述耦合线的端口通过匹配电路对耦合线进行馈电；

所述匹配电路包括一个与耦合线并联的电感以及与耦合线串联的电容。

6.根据权利要求4所述的一种具有全隔离特性的自解耦耦合线天线对，其特征在于；所述天线对馈电网络采用耦合馈电方式时，所述天线对馈电网络的端口不直接与耦合线路对的端口相连；所述天线对馈电网络的端口连接到一个印刷在耦合线电路对所在第二基板的另外一面的金属馈电结构。

7.根据权利要求6所述的一种具有全隔离特性的自解耦耦合线天线对，其特征在于；所述金属馈电结构为“F”形状的金属片。

8.根据权利要求1所述的一种具有全隔离特性的自解耦耦合线天线对，其特征在于：所述第二基板为PCB板。

9.一种具有全隔离特性的自解耦耦合线天线对的设计方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1，采用一对固有全隔离属性的辐射耦合条形天线构成基于耦合线电路的自解耦天线对，耦合线路对的四个端口中两个端口位于两条耦合线电路的相对侧，另两个端口一个开路，一个短路；

步骤2，采用电感馈电时，处于耦合线路对的对立两端直接接入并搭配匹配电路；采用电容馈电时,由两个电磁耦合(EC)F形探针激发；

步骤3，将基于耦合线电路的自解耦天线对垂直于地平面的长边放置，并位于地平面长边的中间；

步骤4，使用商业模拟软件对其性能参数进行EM模拟。