CN110350312B - 一种基于电路解耦的5g移动终端mimo天线 - Google Patents

一种基于电路解耦的5g移动终端mimo天线 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于电路解耦的5G移动终端MIMO天线，适用于移动通信领域，包括四个天线模块，一块***地板，一块介质板材；四个天线模块的物理尺寸相同，关于对称面镜像对称；每个天线模块均包含两个子天线，两个馈电端口和一条连接线；两个子天线面对面放置，间距为2mm；两个馈电端口分别为两个子天线提供同相和反相的激励信号；本发明利用分布电路解耦的方法解决了两天线由于间距过小存在强耦合的问题，在3400‑3600MHz频段实现了高隔离，且该分布电路解耦方法具有解耦电路简单，不占用天线空间，制作成本低廉的优点，在移动终端多天线设计中具有较广应用前景。

Description

一种基于电路解耦的5G移动终端MIMO天线
技术领域
本发明属于移动通信技术领域，涉及天线设计，特别涉及一种基于电路解耦的5G移动终端MIMO天线。
背景技术
为了满足物联网、自动驾驶、虚拟现实等应用的需求，当前的移动通信***正向第五代(5G)标准演进。5G移动通信的频谱可划分为sub-6GHz的微波频段和毫米波频段，其中3.5GHz频段(3400-3600MHz)被定为未来5G移动通信的新增频段之一。因此，研制工作在3.5GHz频段的移动终端天线具有重要意义。
MIMO技术具有成倍提高无线信道容量的潜能。在不增加频谱带宽的条件下，该技术在基站端和移动终端同时布置多个天线，通过提高频谱利用率的方式提高信道容量。这需要基站端和移动终端的多个天线互相独立。然而，移动终端的尺寸较小，而且随着屏幕占比越来越大，移动终端内部可用于天线设计的空间越来越少。在移动终端内部集成多个低耦合的天线面临相当大的挑战。目前，学术界已经提出了多种解耦技术来降低两个天线之间的耦合，包括引入中和线、增加寄生分支、在地板上刻槽等手段。这些技术均能有效降低两个天线端口之间的耦合，但是两个天线仍需保持一定的距离。电路解耦技术能够进一步拉近两个天线之间的距离。该技术通过搭建解耦电路来降低两个天线之间的耦合。然而，目前的解耦电路一般需要使用集总元件。当解耦电路的工作频率为3.5GHz，集总电容或集总电感的寄生效应比较明显，不能用单一元件等效，而且电容值或电感值会随着频率的变化而变化。这些不确定因素增加了解耦电路建模和调试的复杂度。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于电路解耦的5G移动终端MIMO天线，两个天线的间距较小，通过电路解耦，可实现两个馈电端口的高隔离。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于电路解耦的5G移动终端MIMO天线，包括***地板5和介质板材6，***地板5印刷在介质板材6的下表面，其特征在于，在介质板材6上表面印刷有结构和尺寸均完全相同的天线模块一1、天线模块二2、天线模块三3和天线模块四4，所述天线模块1包括子天线一1a、子天线二1b、馈电端口一1c、馈电端口二1d和连接线1e，所述子天线一1a和子天线二1b为U形弯折单极子，二者开口相对，一臂之间留有间隙，另一臂之间通过连接线1e相连，子天线一1a通过微带线与馈电端口一1c相连，子天线二1b通过微带线与馈电端口二1d相连，馈电端口一1c和馈电端口二1d分别为子天线一1a和子天线二1b提供同相和反相的激励信号。
所述天线模块一1和天线模块二2以及天线模块三3和天线模块四4均关于介质板材6的一条中垂线镜像对称，天线模块一1和天线模块四4以及天线模块二2和天线模块三3均关于介质板材6的另一条中垂线镜像对称。
所述子天线一1a与子天线二1b为两臂不等长的U形弯折单极子，二者的短臂相对，之间留有间隙，长臂相对，通过连接线1e相连，馈电端口二1d位于子天线一1a和子天线二1b连接臂的中垂线上。
所述子天线一1a与子天线二1b的短臂位于介质板材6的主体部分之外。
所述天线模块一1、天线模块二2、天线模块三3和天线模块四4的尺寸均为25×3.5mm2，每个天线模块与***地板5顶角的距离为17.5mm，所述子天线一1a和子天线二1b的尺寸相同，均为11.5×3.5mm2，所述间隙的距离为2mm。
所述每个天线模块的线宽有两种，较窄的线宽为1.5mm，较宽的线宽为2.5mm。
所述***地板5的形状为矩形，所述介质板材6的主体部分形状为矩形，在每个天线模块所处位置的边沿有延长部，所述子天线一1a和子天线二1b的一部分印刷于延长部上。
所述馈电端口一1c和馈电端口二1d用微带输入或直接与射频电路相连，以避免在***地板5上开孔。
当馈电端口二1d激励时，馈电信号到子天线一1a和子天线二1b的路径长度相等，子天线一1a和子天线二1b的馈入信号幅度相等、相位相同；当馈电端口一1c激励时，馈电信号到子天线一1a和子天线二1b的路径长度相差二分之一介质波长，两条路径存在180°相位差，子天线一1a和子天线二1b的馈入信号反相。
每个天线模块内的两个子天线可沿臂长方向向上弯折90°，与***地板5的边缘垂直相切，因而各天线模块与***地板5的净空为0mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)两个天线之间的间距很小，仅为2mm，可有效缩减天线在移动终端内的面积。
2)两个天线的端口隔离度很高，在3400-3600MHz频段内实现了17dB的隔离度。
3)解耦电路尺寸较小，且为分布式电路，无需使用集总电感或电容，降低了天线成本和解耦电路的复杂度。
附图说明
图1为本发明优选实施例的三维结构图。
图2为具体实施方式中MIMO天线的俯视图。
图3为具体实施方式中MIMO天线的天线模块一的尺寸，单位为毫米。
图4为具体实施方式中MIMO天线的仰视图。图5为具体实施方式中MIMO天线同一天线模块内的S参数曲线。
图6为具体实施方式中MIMO天线不同天线模块之间的隔离度。
图7为具体实施方式中MIMO天线不同端口激励时的辐射效率。
图8为具体实施方式中MIMO天线的扩展模型。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
作为本发明的一种优选实施例，本发明所述MIMO天线的三维结构图如图1所示。本实施例包括天线模块1、天线模块2、天线模块3、天线模块4、***地板5以及介质板材6。天线模块1、天线模块2、天线模块3和天线模块4印刷在介质板材6的上表面，***地板5印刷在介质板材6的下表面。介质板材6为低成本的FR4板材，厚度为0.8mm，相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02。四个天线模块的物理尺寸相同，均为25×3.5mm2。
本实施例的天线俯视图如图2所示和图3所示。四个天线模块关于对称面镜像对称。每个天线模块与***地板顶角的距离为17.5mm。每个天线模块包含两个子天线。四个天线模块共有8个天线用于MIMO天线设计。天线模块1包括两个面对面的子天线1a和1b。这两个子天线物理尺寸相同，均为11.5×3.5mm2。两个子天线的间距为2mm。子天线1a通过微带线与同轴馈电端口1c相连，子天线1b通过微带线与同轴馈电端口1d相连。两个子天线通过连接线1e相连。同轴馈电端口1d位于两个子天线的中垂线上。天线模块1的线宽有两种，较窄的线宽为1.5mm，较宽的线宽为2.5mm。
本实施例的天线仰视图如图4所示。介质板材6的四个突出部分没有金属覆盖。***地板5的尺寸为140×70mm2，为当前主流的手机尺寸。***地板上刻有8个圆形孔，用于给4个天线模块馈电。在实际使用中，这8个馈电端口可用微带输入或直接与射频电路相连，从而避免在***地板上开孔。
本实施例的中心工作频率选定为3.5GHz，工作带宽为3400-3600MHz，该频段为5G移动通信在6GHz以下的新增频段。
本发明的技术方案是这样实现的：首先是确定各个子天线的工作模式。每个子天线为弯折的单极子辐射体，单极子从地板边缘到开路点的总长度在3.5GHz均为四分之一介质波长，因此每个子天线工作在0.25波长模式。其次是实现任意天线模块内两个子天线之间的解耦。考虑到两个子天线之间的间距仅为2mm，两者存在较强的耦合，本发明利用电路解耦，构建分布式电路解耦网络：当馈电端口1d激励时，馈电信号到两个子天线的路径长度相等，两个子天线的馈入信号幅度相等、相位相同。当馈电端口1c激励时，馈电信号到两个子天线的路径长度相差二分之一介质波长，两条路径存在180°相位差，两个子天线的馈入信号反相。即端口1d分两路给两个子天线馈电，由于对称两路信号幅度天然相等，端口1c信号也分两路给两个子天线馈电，由于不对称，从激励端口1d或1c分出来的两路信号的幅度可能不相等，可通过调节微带线的线宽实现等幅。因此，端口1d和端口1c分别实现了两个子天线的同相和反相激励。由于同相和反相激励的辐射方向图在空间正交，故两个端口可实现高隔离。
图5为本实施例MIMO天线的同一天线模块内两个子天线仿真的S参数。两个子天线均谐振在3.5GHz。端口1的-6dB带宽约为680MHz，端口2的-6dB带宽约为280MHz。两个端口重合的带宽覆盖了3400-3600MHz频带。在该频带内，两个端口的隔离度高于17dB。
图6为本实施例MIMO天线的不同天线模块之间仿真的S参数。任意两个天线模块之间的隔离度均在17dB以上。
图7为本实施例MIMO天线仿真的辐射效率。在3400-3600MHz的频段范围内，端口1激励时的辐射效率优于70％，端口2激励时的辐射效率在50％到65％之间波动。
基于本发明的电路解耦方法，图8对本实施例进行了扩展，这个扩展在移动终端内集成了八个天线单元。图8为四组本实施例的天线模块模型，其中每个天线模块内的两个子天线弯折了90°，与***地板的边缘垂直相切，因而各天线模块与***地板的净空为0mm。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限定，凡是在本发明权利要求范围内所作的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种基于电路解耦的5G移动终端MIMO天线，包括***地板(5)和介质板材(6)，***地板(5)印刷在介质板材(6)的下表面，其特征在于，在介质板材(6)上表面印刷有结构和尺寸均完全相同的天线模块一(1)、天线模块二(2)、天线模块三(3)和天线模块四(4)，所述天线模块(1)包括子天线一(1a)、子天线二(1b)、馈电端口一(1c)、馈电端口二(1d)和连接线(1e)，所述子天线一(1a)和子天线二(1b)为U形弯折单极子，二者开口相对，一臂之间留有间隙，另一臂之间通过连接线(1e)相连，子天线一(1a)通过微带线与馈电端口一(1c)相连，子天线二(1b)通过微带线与馈电端口二(1d)相连，馈电端口一(1c)和馈电端口二(1d)分别为子天线一(1a)和子天线二(1b)提供同相和反相的激励信号；
其中，所述天线模块一(1)、天线模块二(2)、天线模块三(3)和天线模块四(4)的尺寸均为25×3.5mm2，每个天线模块与***地板(5)顶角的距离为17.5mm，所述子天线一(1a)和子天线二(1b)的尺寸相同，均为11.5×3.5mm2，所述间隙的距离为2mm，当馈电端口二(1d)激励时，馈电信号到子天线一(1a)和子天线二(1b)的路径长度相等，子天线一(1a)和子天线二(1b)的馈入信号幅度相等、相位相同；当馈电端口一(1c)激励时，馈电信号到子天线一(1a)和子天线二(1b)的路径长度相差二分之一介质波长，两条路径存在180°相位差，子天线一(1a)和子天线二(1b)的馈入信号反相。
2.根据权利要求1所述基于电路解耦的5G移动终端MIMO天线，其特征在于，所述天线模块一(1)和天线模块二(2)以及天线模块三(3)和天线模块四(4)均关于介质板材(6)的一条中垂线镜像对称，天线模块一(1)和天线模块四(4)以及天线模块二(2)和天线模块三(3)均关于介质板材(6)的另一条中垂线镜像对称。
3.根据权利要求1所述基于电路解耦的5G移动终端MIMO天线，其特征在于，所述子天线一(1a)与子天线二(1b)为两臂不等长的U形弯折单极子，二者的短臂相对，之间留有间隙，长臂相对，通过连接线(1e)相连，馈电端口二(1d)位于子天线一(1a)和子天线二(1b)连接臂的中垂线上。
4.根据权利要求3所述基于电路解耦的5G移动终端MIMO天线，其特征在于，所述子天线一(1a)与子天线二(1b)的短臂位于介质板材(6)的主体部分之外。
5.根据权利要求1所述基于电路解耦的5G移动终端MIMO天线，其特征在于，所述每个天线模块的线宽有两种，较窄的线宽为1.5mm，较宽的线宽为2.5mm。
6.根据权利要求1所述基于电路解耦的5G移动终端MIMO天线，其特征在于，所述***地板(5)的形状为矩形，所述介质板材(6)的主体部分形状为矩形，在每个天线模块所处位置的边沿有延长部，所述子天线一(1a)和子天线二(1b)的一部分印刷于延长部上。
7.根据权利要求1或6所述基于电路解耦的5G移动终端MIMO天线，其特征在于，所述馈电端口一(1c)和馈电端口二(1d)用微带输入或直接与射频电路相连，以避免在***地板(5)上开孔。
8.根据权利要求1所述基于电路解耦的5G移动终端MIMO天线，其特征在于，每个天线模块内的两个子天线沿臂长方向向上弯折90°，与***地板(5)的边缘垂直相切，因而各天线模块与***地板(5)的净空为0mm。
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