CN111463571A

CN111463571A - 一种基于正交电流模式的自解耦mimo天线系统

Info

Publication number: CN111463571A
Application number: CN202010317741.8A
Authority: CN
Inventors: 朴海燕; 曲龙跃
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-04-21
Filing date: 2020-04-21
Publication date: 2020-07-28

Abstract

本发明公开了一种基于正交电流模式的自解耦MIMO天线系统，包括接地板、第一天线和第二天线，其中第一天线为环形天线，第二天线为导线天线，第一天线和第二天线与接地板的连接处为接地板的同一侧边的相同位置，且第一天线的电流模式和第二天线的电流模式互为正交。实施本发明，无需任何降耦合结构，并且通过将两个天线单元集成到接地板相同侧边同一位置的不同空间内，实现了空间复用，有利于在有限的侧边空间内排列更多的天线单元，具有结构简单、高度紧凑、空间利用率高等特点。

Description

一种基于正交电流模式的自解耦MIMO天线系统

技术领域

本发明涉及通信天线技术领域，更具体地涉及一种基于正交电流模式的自解耦MIMO天线系统，可用于各种无线通信设备。

背景技术

天线已经成为各种无线设备中的必备装置，用以发射和接收电磁波信号。 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技术采用多个天线装置同时收发，可大幅提高无线传输速率，无需增大发射功率或增加工作频谱，是第四代移动通信和第五代通信系统的核心技术之一。为保证优异的MIMO特性，必须实现天线之间的高隔离度或低耦合，以降低天线之间相关度。但是，由于现代无线设备的空间有限，天线间距较小，天线间的信号干扰变大，严重影响MIMO系统的性能。传统方法依靠拉大天线之间距离来实现高隔离度，难以将更多的天线装置集成到无线设备内部，因而不能满足当前对高传输速率传输的需求。

尤其随着第五代通信系统(5G)的布局和推广，大规模天线阵列成为一种趋势，从而对紧凑型的MIMO天线系统的需求越来越高。在无线终端设备内，天线单元通常配置于接地板的侧边，但随着天线数量的增加，导致侧边可用空间不足，因而可排列的天线数量受限，而现有技术主要通过引入寄生共振、引入降耦网络、利用正交模式等方法来提高天线之间的隔离度。

一方面，在两个天线之间引入新的寄生结构是改善隔离度的最常见的方法之一，寄生结构可生成一个相位相反的耦合路线，以抵消天线之间的原始耦合，从而改善天线隔离度。寄生结构的类型可以是槽缝、环型、条带状、悬浮结构等。但是该方法需要引入额外的结构体,占用的空间较大，不利于天线的小型化设计，此外该方法很难实现高度紧凑的MIMO天线系统。

另一方面，降耦网络通常采用集总元件电路或中和线等方法来抵消天线之间的耦合，可有效地实现紧凑型MIMO天线设计。但是该方法需要较多的元器件或占用较大的电路面积，且目前仅适用于单极子天线或倒F天线。

上述的现有技术或不能实现紧凑型MIMO系统，或具有较复杂的降耦合结构，或具有很大的应用局限性，或具有较大的天线尺寸。

因而，有必要提出一种高度紧凑、空间率高的MIMO天线系统，从而可在接地板侧边排列更多的天线单元；有必要提出一种简易、高效、无需任何降耦合结构的紧凑型MIMO天线系统，从而简化天线设计难度。

发明内容

为了解决所述现有技术的不足，本发明提供了一种基于正交电流模式的自解耦MIMO天线系统，无需任何降耦合结构，并且通过将两个天线单元集成到接地板相同侧边同一位置的不同空间内，实现了空间复用，有利于在有限的侧边空间内排列更多的天线单元，具有结构简单、高度紧凑、空间利用率高等特点。该发明可适用于各种无线通信设备中，尤其适用于大规模阵列在终端设备中的应用。

本发明所要达到的技术效果通过以下方案实现：一种基于正交电流模式的自解耦MIMO天线系统，包括接地板、第一天线和第二天线，其中第一天线为环形天线，第二天线为导线天线，第一天线和第二天线与接地板的连接处为接地板的同一侧边的相同位置，且第一天线的电流模式和第二天线的电流模式互为正交。

优选地，第一天线包括第一馈电和第一共振导线，第一共振导线的导线中间区域具有弱电流分布，第一共振导线的导线两端区域具有强电流分布；第二天线包括第二馈电和第二共振导线，第二共振导线的导线中间区域具有强电流分布，第二共振导线的导线两端区域具有弱电流分布。

优选地，第一共振导线的弱电流分布区域内连接第一元器件；第一共振导线的强电流分布区域内连接第一电感元件。

优选地，第一共振导线内连接第一分支，第一分支的一端连接第一共振导线，另一端开口或者第一分支的开口一端通过第一电容元件与接地板连接。

优选地，所述第一天线还包括第一馈电线，第一馈电线配置于第一共振导线中连接有第一馈电的一端；第一馈电线上还连接有第二元器件。

优选地，第二共振导线内还连接第二电感元件。

优选地，第二共振导线不与接地板直接相连或者第二共振导线的两端伸向接地板或者第二共振导线的两端分别通过第二电容元件和第三电容元件与接地板电性相连。

优选地，所述第二天线还包括第二分支，第二分支的一端连接接地板，第二分支的另一端开口。

优选地，所述第二天线还包括第二馈电线，第二馈电线一端连接第二馈电，另一端开口或者第二馈电线的另一端通过第三元器件与接地板电性连接，或者第二馈电线连接在第二馈电的两端。

本发明具有以下优点：

1、不同于现有的技术，本发明中的自解耦MIMO天线系统简单且高效，无需任何降耦合结构，具有结构简单、集成度高等特点；

2、本发明中的自解耦MIMO天线系统具有正交的电流模式，从而保证两个天线单元可以集成到同一空间内而不产生信号干扰，即，两个天线单元在保证隔离度的同时仅占用了单个天线单元在接地板侧边所需的空间，实现了空间复用，提高了空间利用率，具有更广阔的应用前景。

附图说明

图1a展示了本发明中自解耦MIMO天线系统例1的结构示意图；

图1b展示了本发明中自解耦MIMO天线系统例1中第一天线的结构示意图及其电流分布图；

图1c展示了本发明中自解耦MIMO天线系统例1中第二天线的结构示意图及其电流分布图；

图1d展示了本发明中自解耦MIMO天线系统例2的结构示意图；

图2a展示了本发明中第一天线110以不同的共振导线构成的不同实施例( 例一)的示意图；

图2b展示了本发明中第一天线110以不同的共振导线构成的不同实施例( 例二)的示意图；

图2c展示了本发明中第一天线110以不同的共振导线构成的不同实施例( 例三)的示意图；

图2d展示了本发明中第一天线110以不同的共振导线构成的不同实施例( 例四)的示意图；

图3a展示了本发明中第一天线110以不同的馈电方式构成的不同实施例( 例一)的示意图；

图3b展示了本发明中第一天线110以不同的馈电方式构成的不同实施例( 例二)的示意图；

图3c展示了本发明中第一天线110以不同的馈电方式构成的不同实施例( 例三)的示意图；

图4a展示了本发明中第二天线120以不同的共振导线构成的不同实施例( 例一)的示意图；

图4b展示了本发明中第二天线120以不同的共振导线构成的不同实施例( 例二)的示意图；

图4c展示了本发明中第二天线120以不同的共振导线构成的不同实施例( 例三)的示意图；

图4d展示了本发明中第二天线120以不同的共振导线构成的不同实施例( 例四)的示意图；

图5a展示了本发明中第二天线120以不同的馈电方式构成的不同实施例( 例一)的示意图；

图5b展示了本发明中第二天线120以不同的馈电方式构成的不同实施例( 例二)的示意图；

图5c展示了本发明中第二天线120以不同的馈电方式构成的不同实施例( 例三)的示意图；

图5d展示了本发明中第二天线120以不同的馈电方式构成的不同实施例( 例四)的示意图；

图6展示了本发明中自解耦MIMO天线系统的S参数图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“设置”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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，还可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。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发明中的具体含义。

通过发明人深入研究MIMO天线的耦合原理，本发明提出了一种简易且高效的基于正交电流模式的自解耦MIMO天线系统，创造性地通过将两个具有正交电流模式的天线单元配置到接地板侧边的同一空间内，而无需任何降耦合结构，即，两个天线单元在保证隔离度的同时，仅占用了单个天线单元在接地板侧边所需的空间，使得更多的天线单元可沿着接地板侧边排列，既可以提高空间利用率，又可以提高天线的集成度，具有广泛的应用前景。

图1展示了本发明中自解耦MIMO天线系统的结构示意图。

如图1所示，一种基于正交电流模式的自解耦MIMO天线系统，包括接地板102、第一天线110和第二天线120，所述第一天线110和第二天线120与接地板102的连接处为接地板102的同一侧边的相同位置。接地板102铺设于介质基板上，构成常用的印刷电路板。通过将第一天线110和第二天线120在接地板102的同一侧边的相同位置向不同的方向延伸，在实现高隔离度的同时，还可充分利用侧边空间，从而构成集成式的自解耦MIMO系统。而现有技术中，天线单元相邻设置或靠近设置则会导致天线单元之间耦合增大，产生信号干扰，导致MIMO系统的集成度低、性能低下。

如图1a所示，并结合图1b，第一天线110为一环形天线，配置于接地板102 的侧边，并且其所在的平面与接地板102垂直，即，第一天线110配置于yz 平面(yz平面为示例，也可以是与接地板102呈其他夹角设置)。第一天线110 包括第一馈电111和第一共振导线112。第一共振导线112的一端与第一馈电111 连接，另一端与接地板102连接，构成一环形天线；第一馈电111连接接地板 102。第一共振导线112控制第一天线110的共振频率，第一天线110通过第一馈电111进行直接馈电。第一天线110的特征在于，在第一共振导线112的导线中间区域产生弱电流分布，在第一共振导线112的导线两端区域(接地点和第一馈电111附近)产生强电流分布。优选地，第一共振导线112具有对称结构。环形天线由于其输入阻抗可以在很大的范围内变化以匹配传输线的特性阻抗而被广泛应用于终端设备中。

如图1a所示，并结合图1c，第二天线120为一导线天线，配置于接地板102 的侧边，与接地板102位于同一平面，即，xy平面(xy平面为示例，也可以是与接地板102呈其他夹角设置))。第二天线120包括第二馈电121、第二馈电线 122和第二共振导线123。第二馈电线122一端连接第二馈电121，一端开口，第二馈电121连接接地板102。第二共振导线123平行设置于接地板102的外侧，两端开口，构成一导线天线。第二共振导线控制第二天线120的共振频率，第二馈电线122控制第二天线120的阻抗匹配。第二天线120的特征在于，在第二共振导线123的导线中间区域产生强电流分布，在第二共振导线123的导线两端区域产生弱电流分布。通过将所述第一天线110和第二天线120与接地板102的连接处为接地板102的同一侧边的相同位置，结合第一共振导线112 和第二共振导线123的电流分布，可知，第一天线110的电流模式和第二天线 120的电流模式互为正交。

根据本发明的实施例，第二共振导线123与接地板无直接相连，因而可通过电路板印刷技术铺设于介质基板上，亦可以利用柔性电路板(FPC)、激光镭射(LDS)等常用工艺集成到无线终端设备内，在制造和集成上具有灵活性高的特点。

本发明通过配置两个具有正交模式的天线单元，首次实现了接地板相同侧边同一位置的空间复用，而无需将两个天线单元沿着接地板侧边依次排列，不占据其它侧边的空间，亦不占据接地板内的净空区，从而使得接地板侧边可容纳更多的天线单元。需要指出的是，第一天线110和第二天线120均可通过常规技术配置于接地板102的侧边，且所述第一天线110和第二天线120的数量可以是多个。

图1d展示了本发明的一种变形结构。第一天线110和第二天线120与接地板102的连接处为接地板102的同一侧边的相同位置，并且第一天线110和第二天线120配置于同一平面，即，yz平面(yz平面为示例，第一天线110和第二天线120所在的平面也可以是其它夹角设置)。具体来讲，第一天线110配置于接地板102的上侧，第二天线120配置于接地板102的下侧。其具体结构特征与图1a相同。由上述可知，自解耦MIMO天线系统中的第一天线110和第二天线120可以配置于电路板侧边的同一空间内的不同平面内，从而有效地实现了空间复用，大大提高了天线的空间利用率。

图2展示了本发明中第一天线110以不同的共振导线构成的不同实施例的示意图。

如图2a所示，第一天线110包括第一馈电211和第一共振导线212。第一共振导线212的弱电流分布区域内可连接第一元器件213，第一元器件213可以为导线、电感元件或者电容元件等。如图2b所示，第一共振导线212的强电流分布区域内可连接第一电感元件214。如图2c所示，第一共振导线212内可连接第一分支215，第一分支215的一端连接第一共振导线212，一端开口。如图 2d所示，第一分支215的开口一端通过第一电容元件216与接地板102连接。上述方法可以调节第一共振导线212的共振频率，实现天线的小型化、宽频带、多频带等不同的性能指标。

根据本发明的实施例，电容元件具有电容成分，可以为集总元件，例如芯片电容器、变容二极管、晶体管等，也可以为分布元件，例如平行导线、传输线等。此外，电容元件可由一单一电容元件构成，也可以由多个电容元件彼此连接构成。为获得某特定电容，可使用多个元件的组合代替电容元件，例如，电容元件可由电容元件与电感元件的组合结构代替。

根据本发明的实施例，电感元件具有电感成分，可以为集总元件，例如芯片电感器、芯片电阻器等，也可以为分布元件，例如导线、线圈等。同样，电感元件可由一单一电感元件构成，也可以由多个电感元件彼此连接构成。

图3展示了本发明中第一天线110以不同的馈电方式构成的不同实施例的示意图。

图3展示了第一天线110的不同馈电方式。如图3a所示，第一天线110包括第一馈电311和第一共振导线312。第一馈电线313配置于第一共振导线312 中连接有第一馈电311的一端，第一馈电线313的一端连接第一共振导线312 ，一端连接接地板102。第一馈电线313上连接有第二元器件314，第二元器件 314可以为导线、电感元件或者电容元件等。如图3b所示，第一馈电线313跨接在第一共振导线312的两端。且第一馈电线313上连接有第二元器件314。如图3c所示，第一共振导线312的两端均与接地板102连接。第一馈电线313一端连接第一馈电311，一端连接第一共振导线312，第一馈电311连接接地板102 。第一馈电线313上连接有第二元器件314。

根据本发明的实施例，第一天线110可以采用直接激励或者采用第一馈电线313的方式来控制其匹配阻抗。根据本发明的实施例，第一馈电线313可根据其数量、位置、连接方式等具有不同的表现形式，可采用现有技术中任意常规结构的激励回路对天线进行馈电，因而，本发明对第一天线110的馈电方式的具体结构、类型和连接方式等不作出具体限制。

图4展示了本发明中第二天线120以不同的共振导线构成的不同实施例的示意图。

如图4a所示，第二天线120包括第二馈电421、第二馈电线422和第二共振导线423。第二共振导线423内可连接第二电感元件424，用以增加第二共振导线423的电感成分，从而控制第二共振导线423的共振频率，实现天线的小型化。如图4b所示，第二共振导线423的两端伸向接地板102，从而增加第二共振导线423与接地板102之间的电容成分，实现天线的小型化。如图4c所示，第二共振导线423的两端分别通过第二电容元件425和第三电容元件426与接地板102电性相连，以进一步实现天线的小型化。如图4d所示，第二分支426 配置于第二共振导线423的一端，第二分支426的一端连接接地板102，第二分支426的另一端开口。该方法亦可增加第二共振导线423上的电容成分，实现天线的小型化。

图5展示了本发明中第二天线120以不同的馈电方式构成的不同实施例的示意图。

如图5a所示，第二天线120包括第二馈电521、第二馈电线522和第二共振导线523。如图5a所示，第二馈电线522上连接第三电感元件524。如图5b 所示，第二馈电线522通过第三元器件525与接地板102电性连接。如图5c所示，第二天线120可以以直接馈电的方式进行激发第二共振导线523。实际应用中，电路板上的馈电信号可通过传输线引导至第二馈电521。如图5d所示，并结合图5c，第二馈电线526连接在第二馈电521的两端，用以调控天线的阻抗匹配。

根据本发明的实施例，第二天线110可以采用直接激励或者采用第二馈电线的方式来控制其匹配阻抗。根据本发明的实施例，第二馈电线可根据其数量、位置、连接方式等具有不同的表现形式，可采用现有技术中常规结构的激励回路对天线进行馈电，因而，本发明对第二天线120的馈电方式的具体结构、类型和连接方式等不作出具体限制。

图6展示了本发明中自解耦MIMO天线系统的S参数图。

如图6所示，第一曲线6a是第一天线110产生的反射系数，第二曲线6b 是由第二天线120产生的反射系数。两个天线的中心频率均在3.5GHz附近，具有宽带特性。第三曲线6c是两个天线之间的反向传输系数，代表了天线之间的耦合度，可以得知，第三曲线6c在工作频带内产生了一个耦合峰谷，从而可确保天线之间产生较高的隔离度(18dB以上)。此外，该自解耦MIMO天线系统的辐射效率均在80％以上，且仿真和测试中得到的相关度(ECC)均低于0.1。因而，本发明中的自解耦MIMO天线系统具有隔离度高、辐射性能好、相关性低等特点，适用于MIMO系统的应用。

综上所述，上述实施例相比现有技术，具有如下特点：

1)本发明中的自解耦MIMO天线系统无需任何降耦合结构，通过控制天线单元的正交电流模式即可实现一种具有高隔离度的自解耦MIMO天线系统，具有结构简单、隔离度高、相关性低等特点；

2)本发明中的自解耦MIMO天线系统通过将两个天线单元集成到电路板同一侧边的同一空间内，实现了空间复用，提高了空间利用率。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明实施例的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种基于正交电流模式的自解耦MIMO天线系统，包括接地板、第一天线和第二天线，其中第一天线为环形天线，第二天线为导线天线，其特征在于，第一天线和第二天线与接地板的连接处为接地板的同一侧边的相同位置，且第一天线的电流模式和第二天线的电流模式互为正交。

2.如权利要求1所述的一种基于正交电流模式的自解耦MIMO天线系统，其特征在于，第一天线包括第一馈电和第一共振导线，第一共振导线的导线中间区域具有弱电流分布，第一共振导线的导线两端区域具有强电流分布；第二天线包括第二馈电和第二共振导线，第二共振导线的导线中间区域具有强电流分布，第二共振导线的导线两端区域具有弱电流分布。

3.如权利要求2所述的一种基于正交电流模式的自解耦MIMO天线系统，其特征在于，第一共振导线的弱电流分布区域内连接第一元器件；第一共振导线的强电流分布区域内连接第一电感元件。

4.如权利要求2所述的一种基于正交电流模式的自解耦MIMO天线系统，其特征在于，第一共振导线内连接第一分支，第一分支的一端连接第一共振导线，另一端开口或者第一分支的开口一端通过第一电容元件与接地板连接。

5.如权利要求2所述的一种基于正交电流模式的自解耦MIMO天线系统，其特征在于，所述第一天线还包括第一馈电线，第一馈电线配置于第一共振导线中连接有第一馈电的一端；第一馈电线上还连接有第二元器件。

6.如权利要求2所述的一种基于正交电流模式的自解耦MIMO天线系统，其特征在于，第二共振导线内还连接第二电感元件。

7.如权利要求2或6所述的一种基于正交电流模式的自解耦MIMO天线系统，其特征在于，第二共振导线不与接地板直接相连或者第二共振导线的两端伸向接地板或者第二共振导线的两端分别通过第二电容元件和第三电容元件与接地板电性相连。

8.如权利要求2所述的一种基于正交电流模式的自解耦MIMO天线系统，其特征在于，所述第二天线还包括第二分支，第二分支的一端连接接地板，第二分支的另一端开口。

9.如权利要求2所述的一种基于正交电流模式的自解耦MIMO天线系统，其特征在于，所述第二天线还包括第二馈电线，第二馈电线一端连接第二馈电，另一端开口或者第二馈电线的另一端通过第三元器件与接地板电性连接，或者第二馈电线连接在第二馈电的两端。