基于电磁耦合抵消的自解耦MIMO天线

本发明属于天线技术领域，特别是涉及一种自解耦mimo天线，可用于5g无线通信系统。

背景技术：

多输入多输出mimo技术就是在接收端和发射端上均采用多副天线进行信号传输，实现信道的空间分集，从而有效地提高频谱利用率，增加信道容量，增强通信质量，其被认为是未来移动通信与个人通信系统实现高速率数据传输，提高传输质量的重要途径。它可以充分挖掘利用空间资源，最大限度地提高频谱利用率和功率效率，成为下一代移动通信研究的关键之所在。然而智能设备日趋小型化，空间有限，当多天线集成在一个很小的终端时，天线单元之间存在强烈的互耦，这种互耦将造成天线不匹配、方向图恶化、信道容量低的问题，从而降低mimo系统的性能，所以mimo解耦成了研究者们关注的热点。

现有的解耦技术主要有如下几种方案：

一是使用中和线连接天线单元，通过物理连接天线单元，从而抵消原有耦合；

二是在天线单元中间添加寄生耦合单元，引入新的耦合路径，从而抵消原有耦合；

三是将天线正交放置，实现极化分集，提升隔离度；

四是采用缺陷地结构，即在天线间的地板上刻蚀缝隙，达到解耦的目的。

上述这些解耦技术由于在实现解耦时都需要添加额外的解耦结构或匹配电路，因而增加了天线设计的复杂性，降低了天线应用的灵活性，限制了其应用场景。

为解决上述几种解耦方法存在的问题，自解耦天线近些年被广泛研究。由于其不需要添加任何额外的解耦结构，仅靠天线本身的结构特性就可以实现较高的隔离度，相比其他的解耦技术，具有自己独特的优势，应用较为灵活。然而目前的自解耦天线，普遍面临着带宽较窄的问题，大多数仅仅覆盖3.4-3.6ghz这一个5g频段，这显然不能应对无线通信行业飞速发展对终端天线带来的高要求，所以拓展自解耦mimo天线的带宽成了亟需解决的问题。

根据工信部5g频段划分，中国移动拥有的5g频段为2515mhz-2675mhz和4800mhz-4900mhz；中国电信为3400mhz-3500mhz；中国联通为3500mhz-3600mhz；而中国广电则拥有703mhz-743mhz，758mhz-798mhz低频段以及4.9ghz中频段的5g频段。另外电信、联通以及广电共同享有3300mhz-3400mhz的5g频段。四大运营商频谱范围覆盖中低频段，各具优势，协同发展。可以预见，在未来的无线通信领域，无线通信技术的发展势必对mimo天线的带宽有更高的要求，使其可以满足多个通信标准，宽频或者多频段工作势必成为天线发展的趋势。

jiangweisui和ke-liwu在2020年7月出版的transactionsonantennasandpropagation期刊68卷第7期的第5289–5296页发表了一篇题目为“aself-decoupledantennaarrayusinginductiveandcapacitivecouplingscancellation”的文章，公开了一种工作在3.3-3.8ghz的自解耦结构mimo移动设备天线，如图1所示，其包括：介质基板1、辐射贴片2、地板3、金属化通孔4、非金属化通孔5和圆形孔6；所述辐射贴片2包括：馈电线21、辐射枝节22、短路枝节23和解耦枝节24；所述馈电线21的末端与地板之间设有非金属化通孔5，用以与同轴馈电接头的内芯连接；所述短路枝节23的末端与地板之间设有金属化通孔4，用以实现其与金属地板3的连接；地板3的表面设有与非金属化通孔5同心的圆形孔6，用以与同轴馈电接头的外部连接。该天线整个频带上的s21参数均在20db以下，实现了良好的隔离度。但其存在的不足是相对带宽只有14％，不能满足未来无线通信系统对mimo天线的高带宽要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出一种基于电磁耦合抵消的宽频带自解耦mimo天线，以提高天线带宽，满足5g无线通信系统对mimo天线的高带宽要求。

为实现上述目的，本发明基于电磁耦合抵消的宽频带自解耦mimo天线，包括矩形介质板1，两个辐射贴片2和金属地板3，该辐射贴片2和金属地板3分别印制在矩形介质板1的上、下表面，每个辐射贴片包括馈电线21，辐射枝节22和短路枝节23，该辐射枝节22位于馈电线21的上方，短路枝节23位于馈电线21的内侧，其特征在于：

所述辐射枝节22，其下方设有附加枝节26，以增加天线的带宽；其两侧的末端分别延伸有解耦枝节24和调谐枝节25，以分别用以调节电磁耦合和调节天线谐振频率；

所述解耦枝节24和调谐枝节25，均为两个倒l型枝节，且两者之间设有一个矩形缝隙27。

进一步，所述两个辐射贴片2，关于矩形介质板1的x轴方向的中线呈对称分布。

进一步，所述短路枝节23的末端与地板之间设有金属化通孔4，用以实现其与金属地板3的连接。

进一步，所述馈电线21的末端与地板之间设有非金属化通孔5，用于与同轴馈电接头的内芯连接。

进一步，所述地板3的表面设有与非金属化通孔5同心的圆形孔6，用以与同轴馈电接头的外部连接。

进一步，所述附加枝节26的下边沿与介质板下表面的金属化地板3的上边沿平行且紧贴。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明由于辐射贴片采用了自解耦的结构形式，使得天线不需要增加任何额外的解耦结构或者匹配结构，即可实现天线间的高隔离度，提升了天线设计的灵活度，增加了天线的应用场景。

2、本发明在天线的辐射臂下方设有附加枝节，增加了天线的谐振频点个数，有效拓展了天线的工作带宽，同时并没有恶化天线间的隔离度，在宽频带上实现了优于20db的隔离度。

附图说明

图1是现有自解耦mimo天线的正面结构示意图；

图2是本发明的整体结构示意图；

图3是本发明的正面结构示意图；

图4是本发明的细节尺寸示意图；

图5是现有自解耦mimo天线的s参数-频率仿真结果图；

图6是本发明实施例的s参数-频率仿真结果图；

图7是本发明实施例在3.5ghz下的辐射方向图；

图8是本发明实施例天线单元间的包络相关系数ecc图；

图9是本发明实施例的天线总效率图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例和效果作进一步的详细描述。

参照图2、图3、图4，本实施例包括：介质基板1、辐射贴片2、金属地板3，其中，介质基板1采用相对介电常数为4.3的环氧树脂fr4_epoxy材料，其大小为100mm×60mm×1.6mm。

所述辐射贴片2，印制在介质基板1的上表面，其由两个宽频带自解耦mimo天线单元组成，第一个天线单元a与第二个天线单元b的间距仅为p＝2mm，且且两者关于x轴互相对称，结构完全相同。每个单元包括：馈电线21、辐射枝节22、短路枝节23、解耦枝节24、调谐枝节25、附加枝节26和矩形缝隙27。

该馈电线21为竖直矩形枝节，其长度由传输线阻抗计算器tx-line得到，5g频段中2个重要工作频段为3.4ghz-3.6ghz和4.8-5.0ghz，均在被设计工作频带内，两个频段中心频率对应的50欧姆传输线长度为8.3mm和11.7mm，馈电线21的长度t应为8.3mm-11.7mm，本实例取但不仅限于t＝10mm，宽度t＝3mm。

该辐射枝节22为水平矩形枝节，其长度等于工作频段中心频率对应的四分之一波长，即本实例中工作频段为3.1ghz-5.9ghz，由此得到y≈16mm，其宽度y＝1.8mm。

该短路枝节23为竖直矩形枝节，设在辐射枝节22的末端，与馈电线21平行，距离馈电线21的水平距离为j＝3.8mm，其长与宽的比例为4.5:1，本实例取但不仅限于其长度c＝9mm，宽度c’＝2mm。

该解耦枝节24和调谐枝节25均为倒l型枝节，两者竖直部分长度相等，均为d＝3.5mm，解耦枝节24的水平长度e为6.5mm-8.5mm，本实例取但不仅限于e＝7mm，调谐枝节25的水平长度f为6.5mm-8.5mm，本实例取但不仅限于f＝8mm，两者的水平部分和竖直部分的枝节宽度均为h＝1.5mm；该解耦枝节24用以使天线辐射贴片间的电磁耦合达到一个平衡，此时非激励天线上的原耦合电流被抵消，实现高隔离度；该调谐枝节25，用以调节天线的谐振频率，使其工作在所需频段；该解耦枝节24和调谐枝节25之间设有一个矩形缝隙27，该缝隙水平宽度为g＝1mm。

该附加枝节26的下边沿与金属化地板3的上边沿平行且紧贴，其长度为n＝7.2mm，宽度为n＝6mm，附加枝节26用以增加谐振频点的个数，以获得更宽的工作频带。

所述金属地板3，印制在介质基板1的下表面，其大小为80mm×60mm；该金属地板3与馈电线21的末端之间设有半径为0.5mm的非金属化通孔5，用以连接同轴馈电接头的内芯；该金属地板3与短路枝节23的末端之间设有半径为0.3mm的金属化通孔4，用以实现金属地板3与短路枝节23的连接；金属地板3的表面设有半径为1.5mm，且与非金属化通孔5同心的圆形孔6，用以连接同轴馈电接头的外部。

本发明的效果可结合仿真结果做进一步说明：

一、仿真条件

仿真软件：商业软件ansys_2020，设置求解模式为模式求解，求解频率为仿真频带最高频率6ghz，最高仿真次数为20次，扫频类型为差值扫频，范围为3-6ghz，间隔为0.01ghz。

二、仿真内容与结果

仿真1，利用上述仿真条件对“aself-decoupledantennaarrayusinginductiveandcapacitivecouplingscancellation”文章所提出的现有自解耦mimo天线的s参数-频率进行仿真计算，结果如图5所示。

仿真2，利利用上述仿真条件对本发明实施例的s参数-频率进行仿真计算，结果如图6所示。

对比图5和图6可看出，以s11≤-10db为标准，现有自解耦mimo天线的阻抗带宽为3.2ghz～3.7ghz，相对带宽为14％，在整个工作频带内，隔离度仅优于15db。而本发明实施例的阻抗带宽为3.2ghz～5.9ghz，相对带宽为59％，在整个工作频带内，隔离度优于20db。结果表面本发明相比与现有自解耦mimo天线，显著提高了工作带宽，且在整个工作频带上保持优于20db的高隔离度。

仿真3，利用上述仿真条件对本发明实施例在3.5ghz频率下的远场辐射方向图进行仿真计算，结果如图7所示，其中：图7(a)为xoy面辐射方向图，图7(b)为yoz面辐射方向图，图7中的两条曲线分别表示两个天线单元a和b被单独激励时的辐射方向图，其中实线表示天线单元a被单独激励时的辐射方向图，虚线表示天线单元b被单独激励时的辐射方向图。

从图7(a)和图7(b)中可以看出，天线在自由空间的辐射趋近于覆盖互补的空间，表明天线具有良好的分集特性。

仿真4，利用上述仿真条件对本发明实施例的包络相关系数ecc-频率进行仿真计算，结果如图8所示。

图8结果表明，本发明实施例天线在工作频段内，其两个天线单元间的包络相关系数ecc＜0.04，满足业内mimo天线的ecc＜0.5的评估标准。

仿真5，利用上述仿真条件对本发明实施例的天线总效率-频率进行仿真计算，结果如图9所示。

图9结果表明，本发明实施例天线在工作频段内的效率均大于78％，天线损耗较低，具有良好的工作效率。

综上，本发明的基于电磁耦合的宽频带自解耦mimo天线具有理想的阻抗带宽、良好的分集特性和工作损耗较低的优点，可以满足5g无线通信系统的要求。

以上描述仅是本发明的一个实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。