CN114094335B - 双端口自隔离天线*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双端口自隔离天线***，包括一个未接地的辐射体以及独立于辐射体的一块地板；辐射体连接两个馈电端口，两个馈电端口均连接在地板上；两个馈电端口之间的距离为工作中心频率的四分之一波长，辐射体的长度为工作中心频率的四分之三波长；或者，两个馈电端口之间的距离小于工作中心频率的四分之一波长，地板上蚀刻有位于两个馈电端口之间的缝隙，缝隙的长度为工作中心频率的四分之一波长，辐射体的长度为工作中心频率的半波长。通过将两个端口的馈电点在辐射体上，拉开工作频率的四分之一波长，或者在两个端口的地板上蚀刻一条四分之一波长的缝隙，可以保证两个端口同时工作互不影响，端口之间的隔离度大于20分贝。

Description

双端口自隔离天线***
技术领域
本发明属于无线通信的多天线***领域，涉及一种双端口自隔离天线***。
背景技术
高速率和海量设备通信并发可以说是5G的两个重要的技术特点。为了应对***容量和用户通信速率不断增加的挑战，拓展和挖掘现有无线频谱和信道资源是主要的两条技术路线。在拓展无线频谱方面，5G已经逐渐向毫米波演进以便获得更大的、连续的绝对带宽；在挖掘现有无线信道资源方面，必须要采用更复杂的信道编码和更高阶数的MIMO(多输入多输出)***，MIMO以及Massive MIMO技术在提升***容量、频谱利用率以及用户体验方面的巨大潜力，已经成为4G、5G通信***中无线物理层技术体系中最为核心的技术之一。随着多天线技术的不断演进，无论是通信***的基站还是终端上，配置的天线数目都不断在增长。
在终端侧，最新发布的5G手机，已经有21根天线，其中5G天线已经有14根，某旗舰手机的天线配置，4G的低频天线采用了2xMIMO，5G的各频段天线均采用了4xMIMO，GPS为双天线，Wi-Fi频段为双频的2xMIMO，除此之外还考虑人手握持状态在侧面中间设置了一只4/5G的分集(横屏)天线，以便在任何时候都保证信号质量。如此多的天线，已经几乎占用了手机的全部侧边，而且存在了多个同频、靠近频率的互相干扰风险，极大的提高了设计难度。
发明内容
本发明目的是：提供一种双端口自隔离天线***，在空间有限、不额外增加天线体积，同时又能同时支持两个高隔离度的馈电端口，保证两个端口同时工作互不影响。
本发明的技术方案是：
提供了一种双端口自隔离天线***，包括：一个未接地的辐射体以及独立于所述辐射体的一块地板；所述辐射体连接两个馈电端口，两个所述馈电端口均连接在所述地板上；两个所述馈电端口之间的距离为工作中心频率的四分之一波长，所述辐射体的长度为工作中心频率的四分之三波长；或者，两个所述馈电端口之间的距离小于工作中心频率的四分之一波长，所述地板上蚀刻有位于两个所述馈电端口之间的缝隙，所述缝隙的长度为工作中心频率的四分之一波长，所述辐射体的长度为工作中心频率的半波长；所述工作中心频率为所述双端口自隔离天线***的工作频段的中间值。
通过将两个端口的馈电点在辐射体上，拉开工作频率的四分之一波长，或者在两个端口的地板上蚀刻一条四分之一波长的缝隙，可以保证两个端口同时工作互不影响，端口之间的隔离度大于20分贝。
其进一步的技术方案是：两个所述馈电端口相对于所述辐射体的中心截面对称设置，两个所述馈电端口工作在相同频率。
其进一步的技术方案是：两个所述馈电端口相对于所述辐射体的中心截面不对称设置，以实现两个所述馈电端口的工作频率不同，两个所述馈电端口之间的距离或蚀刻的缝隙长度等于两个工作频率的中间频率的四分之一波长。
其进一步的技术方案是：还包括介质基板，所述辐射体和所述地板分别印刷在所述介质基板的正反面。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1是本申请一个实施例提供的双端口自隔离天线***的示意图；
图2是本申请一个实施例提供的第一种实现形式的双端口自隔离天线***的示意图；
图3是本申请一个实施例提供的第一种实现形式的应用实例示意图；
图4是图3所示天线的S参数示意图；
图5是图3所示天线的表面电流分布情况仿真图；
图6是图5中两馈电端口之间计算出的包络相关系数变化关系图。
图7是本申请一个实施例提供的第二种实现形式的双端口自隔离天线***的示意图；
图8是本申请一个实施例提供的第二种实现形式的应用实例示意图；
图9是图8所示天线的表面电流分布情况仿真图；
图10是图8所示天线***的单一端口馈电的三维方向图；
图11是本申请一个实施例提供的第三种实现形式的双端口自隔离天线***的示意图。
其中：10、辐射体；20、地板；30、馈电端口；40、缝隙；50、介质基板。
具体实施方式
实施例：本申请在空间受限的前提下，采用一个辐射体和两个馈电端口，实现两个独立天线工作的效果，即两个独立的馈电端口，两个端口之间的隔离度达到20分贝，而两个端口之间的回波损耗绝对值大于10分贝，两个馈电端口都可以独立工作，进行信号的辐射和接收。
隔离度是指天线之间相互干扰的程度，指一个天线发射信号，耦合到另一个天线上的信号与该发射信号的比值，对于一个两端口的天线，通常用S参数的S21来表示，通常S21小于-20dB就表明隔离度较好。
去耦又称解耦，是指消除多天线***中各天线之间存在的耦合，或者提高多天线***中各天线之间的隔离度。
极化分集技术是通过利用天线单元之间的极化分集来降低天线单元之间耦合，即调整天线单元之间的位置或者使用不同的辐射贴片来达到不同的方向图指向和极化方式，从而降低天线之间的耦合。
结合参考图1至图11，该双端口自隔离天线***包括：一个未接地的辐射体10以及独立于辐射体10的一块地板20；辐射体10连接两个馈电端口30，两个馈电端口30均连接在地板20上。
辐射体10用于天线辐射信号或接收信号，对辐射体10的大小不做限定，因此自隔离的天线***的工作频率不做限定。
独立于辐射体10，配置有一个完整的地板20。
在第一种可能的实现中，两个馈电端口30之间的距离为工作中心频率的四分之一波长，辐射体10的长度为工作中心频率的四分之三波长。
工作中心频率为双端口自隔离天线***的工作频段的中间值，两个馈电端口的工作频率分别为第一频率和第二频率，则天线***的工作频段为第一频率和第二频率之间，比如工作频段为2.4～2.5GHz，则工作中心频率为2.45GHz。
在第二种可能的实现中，两个馈电端口30之间的距离小于工作中心频率的四分之一波长，地板20上蚀刻有位于两个馈电端口30之间的缝隙40，缝隙40的长度为工作中心频率的四分之一波长，辐射体10的长度为工作中心频率的半波长。
如图1所示，其示出了双端口自隔离天线***的示意图，在一个辐射体10上连接两个馈电端口30，箭头示出的是馈电信号的流向，通过馈电端口的间距或者馈电点之间的地板缝隙，实现两个馈电端口30之间的隔离。
结合参考图2，其示出了第一种实现形式的示意图，即在一根总长度为四分之三波长的辐射体10上，间隔四分之一波长布置两个馈电端口30的双天线***。在具体的实施过程中，需要在一个总长d2为工作中心频率对应的波长的四分之三的辐射体10上，相对中线位置对称选取两个馈电端口30，两个馈电端口30距离中线的距离都是d1，取d1等于八分之一波长，就可以实现独立工作的两个端口。
图3是第一种实现形式的应用实例示意图，一个开口的矩形环状辐射体，分别连接两个对称位置的馈电端口，整个天线印刷在FR4PCB板上，图中浅色的部分是印刷在背面的金属地板，深色部分是辐射体，即下半部分是地板，上半部分采用一个带有双端口的开口谐振环。具体对应的参数如下：ws＝58,ls＝55,wg＝44,wf1＝3.2,lf＝8.2,fd＝12.6,w＝8,wf＝3,k＝5,v1＝1.5,lc＝8,r1＝3,r2＝1.3,r3＝0.8,hs＝1.6,zl1＝1.6,zw1＝3,zl2＝6,zw2＝3,zls＝4,zws＝3(单位：毫米)。
图4是图3所示天线的S参数示意图，图中给出了S11和S21的幅度值，分别为端口匹配和端口间隔离度。可以看出，在中心频率2.45GHz，两个端口同时实现了匹配和隔离的要求。
图5是图3所示天线的表面电流分布情况仿真图，其中，只激励了左边端口，可以看到电流给有耦合到右边端口。
因此，按照下列公式计算包络相关系数：
Figure BDA0003333542230000041
其中，Eθ1(Ω)，Eθ2(Ω)分别为左边端口激励和右边端口激励时候辐射体的辐射电场θ分量，Eφ1(Ω)，Eφ2(Ω)分别为左边端口激励和右边端口激励时候辐射体的辐射电场φ分量，上标的星号表示复数的取共轭操作，G则是对应分量的增益，Ω为空间立体角，计算出的包络相关系数在图6中示出。
如图7所示，其示出了第二种实现形式的示意图，即在一根总长度为半波长的辐射体10上，紧密排布两个馈电端口30，在两个馈电端口10之间的地板20上蚀刻一条长度为四分之一波长的缝隙40。如果辐射体10的空间受限，可以将辐射体10的总长度限制为d3等于半波长，两个馈电端口30紧靠，中间在地板20上蚀刻一条长度d4为四分之一波长的缝隙40，缝隙40的四分之一波长替代了辐射体10的一部分长度，因此辐射体10可以设置为半波长，同样可以实现自隔离的双端口天线***的效果。
结合参考图8，其示出了本申请第二种实现形式的应用实例，在一个辐射体10上紧密排布两个馈电端口30，在两个馈电端口30的地板20上，蚀刻一条四分之一波长的缝隙40。同样在FR4PCB上正反面分别印刷辐射体10和地板20，两个馈电端口30之间距离很近，因此在地板上蚀刻了长度等于四分之一波长的缝隙40，同样实现了两个互相隔离的馈电端口30，且端口是匹配的。
可选的，缝隙40不止可以是直线，也可以是弯折线，比如L型，整个缝隙40的长度为四分之一波长即可。
图9是图8所示天线的表面电流分布情况仿真图，同样为左边端口激励，可以看到很微弱的电流被耦合到右边端口2上。
图10是图8所示天线***的单一端口馈电的三维方向图，由于端口和辐射体相对是对称的，因此只示出了一个端口激励时的三维方向图。
以上两种实现方式，在工作的中心频率，两个馈电端口30之间的隔离度大于20分贝，两个馈电端口30的回波损耗的绝对值大于10分贝，并且两个馈电端口30的驻波比小于2。
本申请实施例涉及两单元的MIMO或者分集天线技术，自动实现两个馈电端口30且馈电端口30之间互相隔离的天线***，通过将两个馈电端口30连接在一个辐射体10上，实现了两个馈电端口30的MIMO模式或者分集模式的同时工作。本实施例提供的方式需要有效的将两个馈电端口30的馈电点在辐射体10上，拉开工作频率的四分之一波长，或者在两个馈电端口30的地板20上蚀刻一条四分之一波长的缝隙40，这样可以保证两个馈电端口30同时工作而互不影响，馈电端口30之间的隔离度大于20分贝，可以针对任意同频率、靠近频率的双端口天线***，且不要任何外接电路、结构或控制逻辑。
可选的，两个馈电端口30相对于辐射体10的中心截面对称设置，两个馈电端口30工作在相同频率，则工作中心频率与馈电端口30的工作频率相同
可选的，两个馈电端口30相对于辐射体10的中心截面不对称设置，以实现两个馈电端口30的工作频率不同，但是两个工作频率非常靠近，两个馈电端口30之间的距离或蚀刻的缝隙长度等于两个工作频率的中间频率的四分之一波长，若一个馈电端口工作在第一频率，另一个馈电端口工作在第二频率，则工作中心频率为第一频率和第二频率的中间值。
图11是本申请第三种实现形式的示意图，即两个馈电端口30相对于辐射体10的中线不等距，由图11可以看到，相对于辐射体10的中线，两个馈电端口30的距离分别是d1和d5，d1≠d5，但是d1+d5等于工作中心频率的四分之一波长，此中心频率是两个端口激励不同的辐射频率的中间频率。可选的，两个馈电端口30也可以不在同一水平线上。
可选的，该双端口自隔离天线***还包括介质基板50，辐射体10和地板20分别印刷在介质基板50的正反面。
可选的，参考图3和图8，介质基板50可以采用FR4PCB。
本申请公开的实施例能够很好的应用在双天线通信***中。
综上所述，本申请提供的双端口自隔离天线***，通过将两个端口的馈电点在辐射体上，拉开工作频率的四分之一波长，或者在两个端口的地板上蚀刻一条四分之一波长的缝隙，可以保证两个端口同时工作互不影响，端口之间的隔离度大于20分贝。
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或隐含所指示的技术特征的数量。由此，限定的“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或者两个以上。
上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种双端口自隔离天线***，其特征在于，包括：一个未接地的辐射体以及独立于所述辐射体的一块地板；所述辐射体连接两个馈电端口，两个所述馈电端口均连接在所述地板上；
两个所述馈电端口之间的距离为工作中心频率的四分之一波长，所述辐射体的长度为工作中心频率的四分之三波长；或者，两个所述馈电端口之间的距离小于工作中心频率的四分之一波长，所述地板上蚀刻有位于两个所述馈电端口之间的缝隙，所述缝隙的形状为直线或弯折线，所述缝隙的长度为工作中心频率的四分之一波长，所述辐射体的长度为工作中心频率的半波长；
所述工作中心频率为所述双端口自隔离天线***的工作频段的中间值。
2.根据权利要求1所述的双端口自隔离天线***，其特征在于，两个所述馈电端口相对于所述辐射体的中心截面对称设置，两个所述馈电端口工作在相同频率。
3.根据权利要求1所述的双端口自隔离天线***，其特征在于，两个所述馈电端口相对于所述辐射体的中心截面不对称设置，以实现两个所述馈电端口的工作频率不同，两个所述馈电端口之间的距离或蚀刻的缝隙长度等于两个工作频率的中间频率的四分之一波长。
4.根据权利要求1至3任一所述的双端口自隔离天线***，其特征在于，还包括介质基板，
所述辐射体和所述地板分别印刷在所述介质基板的正反面。
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