CN117977170A - 一种小型化自解耦天线 - Google Patents

Abstract

一种小型化自解耦天线，包括第一基板和第二基板，所述第一基板垂直设置于所述第二基板一侧，还包括天线对、馈电网络结构和接地层；所述天线对设置于所述第一基板，所述天线对包括有两平行设置的耦合线，两所述耦合线的一端分别设置耦合端口；所述第二基板位于两所述耦合线之间并设置有接地层，所述接地层与两所述耦合线的另一端相连；所述馈电网络结构包括两匹配电路，两所述匹配电路分别与两所述耦合端口相连。本发明具有高集成度、高空间复用度和高隔离度等优点。

Description

一种小型化自解耦天线

技术领域

本发明涉及天线领域，特别是指一种小型化自解耦天线。

背景技术

万物互联为人类社会生产、生活方式带来前所未有的便利，是国民经济发展的又一重大机遇。截至2022年，物联网市场产值为五千亿美元，预计在2030年将超过三万亿美元。通信能力是万物互联发展的基础。5G网络高速率、低延迟、大连接的特点，将物联网推向新的高度。然而终端产品的信号收发能力，如果无法满足要求，那么即使网络再好，也是“有网无端”，难以发挥5G的真正价值。一直以来，作为终端信号收发能力的关键部件，天线都是设计的重点和难点。5G的到来，更是将天线的设计的难题推向了难以企及的高度，成为终端设计中最具挑战性的课题之一。

目前，5G终端天线设计主要有三个重难点。首先5G终端要具有强大的多天线系统，以支持Gbps以上的超高速率数据传输要求。它需要在低于6GHz的频段上使用大量的多输入多输出(MIMO)天线，在毫米波频段上使用两个或三个天线封装(AiP)模块，此外还有Wi-Fi天线、Bluetooth天线、GPS天线，NFC天线等各种无线连接方式，甚至无线充电线圈。对于5G智能手机来说，所需的天线总数为15～20根。如果实施载波聚合(CA)/E-UTRAN新无线双路连接(ENDC)和8×8MIMO，天线总数还可以进一步增加到25～30根。其次，5G终端内部空间有限且环境复杂，不易容纳多天线系统。天线是敏感元件，放置位置和方式有严格限制。如果多天线布局设计不合理，将引起天线间强耦合，严重降低天线收发性能。这个问题的传统解决方案是采用双工器和多工器来设计覆盖宽频带和多频带的单馈共辐射器天线。对于一个典型的5G NR MIMO天线设计，需要两根工作在相同频段的天线，同时天线的位置很近，但两根天线之间必须满足高隔离度。显然，这种设计困难不能通过利用滤波器、双工器和复用器来规避。第三，5G终端作为智能终端，功能模块众多，功耗设计压力巨大。如果天线间耦合较大，天线效率不高，将会进一步加剧对电池的消耗。因此如何减少MIMO天线间的耦合、提高天线效率、缩小天线体积是目前无线终端天线设计中亟需解决的问题之一。

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天线的相互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相互耦合：解耦或自解耦。天线解耦技术通过引入寄生结构、解耦网络、超材料结构有效降低天线间的耦合，但是引入这些结构会增加整个系统的剖面高度、占地尺寸或者加工难度，无法完全解决终端天线耦合问题。自解耦天线是在天线设计建立时采用的一种机制，使并置的天线自我隔离。该方法可以避免引入额外的结构影响终端整体设计，但目前设计自由度太少、易受不对称环境、不平衡馈电的影响。

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

本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种小型化自解耦天线，具有高集成度、高空间复用度和高隔离度等优点。

本发明采用如下技术方案：

一种小型化自解耦天线，包括第一基板和第二基板，所述第一基板垂直设置于所述第二基板一侧，其特征在于：还包括天线对、馈电网络结构和接地层；所述天线对设置于所述第一基板，所述天线对包括有两平行设置的耦合线，两所述耦合线的一端分别设置耦合端口；所述第二基板位于两所述耦合线之间并设置有接地层，所述接地层与两所述耦合线的另一端相连；所述馈电网络结构包括两匹配电路，两所述匹配电路分别与两所述耦合端口相连。

进一步的，所述耦合线采用四分之一波长耦合线。

进一步的，所述天线对的电长度为π/2的整数倍。

进一步的，所述匹配电路包括电容和电感，所述电容与所述耦合线串联，所述电感与所述耦合线并联。

进一步的，所述电容为耦合缝隙电容或集总电容。

进一步的，所述第一基板为PCB基板；所述第二基板为PCB基板；所述第一基板垂直设置于所述第二基板一侧的中部位置。

进一步的，两所述耦合线的同一端的所述耦合端口为全隔离配置。

进一步的，所述第一基板与所述第二基板固定连接，或者所述第一基板相对所述第二基板悬空设置。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明中，天线对的两个馈电端口位于两条耦合线的相同侧，两耦合线另一相同侧为短路，馈电端口配置为一种全隔离配置，两个馈电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馈电端口都连接一个串联电容器，则可以使用电容馈电结构来激励天线，电容馈电结构可以通过提供额外的谐振来拓宽匹配带宽。

本发明的匹配电路，采用LC匹配电路，提高了天线总效率；电容可采用耦合缝隙电容或集总电容，耦合缝隙电容可节约空间但稳定性差，集总电容稳定性好、测试环节方便根据实际情况调节。

本发明与现有的自解耦天线相比，基于耦合线电路的小型化自解耦天线由于其紧凑的尺寸虽然使其具有相对较窄的带宽和中等的天线效率，在最佳解耦频率处的相关包络系数可以低至0.08。

本发明是一种全新的小型化自解耦天线对设计思路，高集成度，高空间复用度，高隔离度等等，适合终端紧凑型天线阵列的应用场景，例如手机的5G天线阵列。

附图说明

图1(a)是为第一基板上天线对示意图；

图1(b)是天线对和馈电网络结构连接示意图；

图1(c)是第一基板与第二基板垂直示意图；

图2(a)是本发明天线仿真结构图(耦合缝隙电容)；

图2(b)是本发明天线仿真结构图(集总电容))

图3(a)是本发明天线EM模拟的S参数(耦合缝隙电容)；

图3(b)是本发明天线EM模拟的总效率(耦合缝隙电容)；

图3(c)是本发明天线EM模拟的相关包络系数(耦合缝隙电容)；

图4(a)是本发明天线EM模拟的S参数(集总电容)；

图4(b)是本发明天线EM模拟的总效率(集总电容)；

图4(c)是本发明天线EM模拟的相关包络系数(集总电容)；

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。

本发明中，对于术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。对于描述中，采用了“上”、“下”、“左”、“右”、“前”和“后”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，而不是指示或暗示所指的装置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保护范围的限制。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

另外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

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。

本发明的一种小型化自解耦天线，包括第一基板1、第二基板3、天线对、馈电网络结构和接地层等。第一基板1垂直设置于第二基板3一侧，接地层设置于第二基板3。天线对设置于第一基板1，天线对包括有两平行设置的耦合线，两耦合线的一端分别设置耦合端口，两耦合线的另一端分别连接至接地层即短路，第一基板1与第二基板3的相接处位于两耦合线之间，参见图1(a)、图1(c)。馈电网络结构包括两匹配电路，两匹配电路分别与两耦合端口相连，参见图1(b)。匹配电路用于匹配θ＝0.5π时耦合线的阻抗。

天线对的辐射体直接采用耦合线形式即可获得优良的馈电端口隔离特性，两个连接馈电网络结构的馈电端口分别单独馈电一支耦合线，天线对的电长度为π/2的整数倍。耦合线采用四分之一波长耦合线。两耦合线的同一端的耦合端口为全隔离配置。

本发明中，匹配电路可采用LC匹配电路，匹配电路包括但不仅限于印刷在第二基板3上，根据实际情况设计。匹配电路包括电容和电感，电容与耦合线串联，电感与耦合线并联。参见图1(b)电容C1和电容C2分别与两耦合线的耦合端口串联，电感L1和电感L2分别与两耦合线的耦合端口并联。其中电容为耦合缝隙电容或集总电容。该匹配电路提高了天线总效率。

本发明中，第一基板1包括但不仅限于为FR4基板，第二基板3包括不仅限于为FR4基板，第一基板1垂直设置于第二基板3一侧的中部位置，将承载天线对的第一基板1设置于第二基板3侧边，则本发明天线应用于智能产品(例如手机)中时，可充分利用产品的侧面空间。第一基板1与第二基板3固定连接，或者第一基板1相对第二基板3悬空设置，可根据实际情况设定。第一基板1厚度为0.8mm，且第一基板1参数εr＝4.1，tanδ＝0.006。第二基板3厚度可为0.8mm但不限于此，第二基板3参数为εr＝4.4，tanδ＝0.02，尺寸为70×140mm²。本发明的自解耦天线工作频带的中心频率可处于3.5GHz，长度约为0.25λ，但不限于此。

参见图2(a)为本发明的自解耦天线仿真图，第二基板3上在接地层2靠近第一基板1一侧设置有电容C1、电容C2、电感L1、电感L2以及第一连接端10、第二连接端11、第三连接端12和第四连接端13。天线对的两耦合线分为第一耦合线4和第二耦合线5，两耦合线形状可以是长条形或凵形，第一耦合线4位于第一基板1上方，第二耦合线5位于第一基板1下方。第一耦合线4的左端6通过第三连接端12连接电感18，通过调节第三连接端12和第四连接端13之间的缝隙实现耦合缝隙电容作为电容C1。第四连接端13还连接第一馈电端口19，第一耦合线的右端口7接通过连接线15连接至接地层2。第二耦合线5的左端口8通过第二连接端11连接电感17实现并联，通过调节第一连接端10和第二连接端11之间的缝隙实现连接耦合缝隙电容作为电容C2，第一连接端10还连接第二馈电端口16，第二耦合线5的右端口9通过连接线14连接至接地层2。

参见图2(b)为本发明的自解耦天线仿真图，其匹配电路的电容采用集总电容，即在第三连接端12和第四连接端13之间串联集总电容21作为电容C1，以及在第一连接端10和第二连接端11之间直接串联集总电容21作为电容C2，

本发明的一种基于耦合线全隔离特性的小型化自解耦天线对的设计，耦合线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。具体设计方法包括如下：

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，天线对的电长度的选择可以但不局限于3.5GHz时约为0.25λ，耦合线四个端口中两个馈电端口位于两条耦合线的相同侧，另两端短路接地，馈电端口配置为一种全隔离配置，两个馈电端口可以完全理想地隔离；

步骤2，馈电网络中的电容分别采用耦合缝隙电容(图2(a))和集总电容(图2(b))实现，其中耦合缝隙电容可节约空间但稳定性差，集总电容稳定性好、测试环节方便根据实际情况调节但其也会占据一定的空间；

步骤3，本实验演示案例将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；其应用可以更加广泛，可以放在其他天线单元摆放位置，包括但不限于：介质层上方，金属板中央悬空摆放。

步骤4，使用商业模拟软件对其性能参数进行EM模拟。

本发明天线的性能图，请参阅图3、图4。

图3(a)-图3(c)是提出的采用耦合缝隙电容的小型化耦合线自解耦天线的EM模拟的S参数(图3(a))以及的总效率(图3(b))和相关包络系数(图3(c))，图中小型化耦合线自解耦天线中天线1与天线2匹配带宽基本一致，天线2的总效率小于天线1的总效率，天线1的频带内(3.4G-3.6G)效率为55.26％-70％，天线2的频带内(3.4G-3.6G)效率为53.4％-65％，天线-6dB带宽为9.1％，天线频带内(3.4G-3.6G)隔离度小于-10dB，所测量的相关包络系数在最佳解耦频率处低至0.08。

图4(a)-图4(b)是提出的采用集总元件电容的小型化耦合线自解耦天线的EM模拟的S参数(图4(a))以及的总效率(图4(b))和相关包络系数(图4(c))。图中小型化耦合线自解耦天线中天线1与天线2匹配带宽基本一致，天线2的总效率小于天线1的总效率，天线1的频带内(3.4G-3.6G)效率为56％-75.43％，天线2的频带内(3.4G-3.6G)效率为56％-72.3％，天线-6dB带宽为6.2％，天线频带内(3.4G-3.6G)隔离度小于-10dB，所测量的相关包络系数在最佳解耦频率处低至0.06。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (8)

1.一种小型化自解耦天线，包括第一基板和第二基板，所述第一基板垂直设置于所述第二基板一侧，其特征在于：还包括天线对、馈电网络结构和接地层；所述天线对设置于所述第一基板，所述天线对包括有两平行设置的耦合线，两所述耦合线的一端分别设置耦合端口；所述第二基板位于两所述耦合线之间并设置有接地层，所述接地层与两所述耦合线的另一端相连；所述馈电网络结构包括两匹配电路，两所述匹配电路分别与两所述耦合端口相连。

2.如权利要求1所述的一种小型化自解耦天线，其特征在于：所述耦合线采用四分之一波长耦合线。

3.如权利要求1所述的一种小型化自解耦天线，其特征在于：所述天线对的电长度为π/2的整数倍。

4.如权利要求1所述的一种小型化自解耦天线，其特征在于：所述匹配电路包括电容和电感，所述电容与所述耦合线串联，所述电感与所述耦合线并联。

5.如权利要求4所述的一种小型化自解耦天线，其特征在于：所述电容为耦合缝隙电容或集总电容。

6.如权利要求1所述的一种小型化自解耦天线，其特征在于：所述第一基板为PCB基板；所述第二基板为PCB基板；所述第一基板垂直设置于所述第二基板一侧的中部位置。

7.如权利要求1所述的一种小型化自解耦天线，其特征在于：两所述耦合线的同一端的所述耦合端口为全隔离配置。

8.如权利要求1所述的一种小型化自解耦天线，其特征在于：所述第一基板与所述第二基板固定连接，或者所述第一基板相对所述第二基板悬空设置。