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用于紧凑型天线阵列的天线去耦设备以及包含有该设备的天线阵列

摘要

本说明书公开了一种对两单元紧凑型天线阵列去耦的设备和方法以及包含该设备的天线阵列。根据所提出的实施方案,该设备包括两个互相耦合并分别耦合到源端口和负载端口的耦合谐振器;其中,紧凑型天线阵列中的两天线也分别连接至源端口和负载端口。为了达到对紧凑型天线阵列去耦及各端口匹配的要求,该设备中所包含的各种耦合系数必须满足以下条件:即,由紧凑型天线阵组成的两端口网络与由两个谐振器耦合组成的两端口网络并联构成的总网络的隔离度尽可能接近于零,而其每个端口(源端口和负载端口)的反射系数最小。该设备可能存在的耦合系数包括:从源端口到第一谐振器的第一耦合,两个谐振器之间的第二耦合以及从负载端口到第二谐振器的第三耦合。

著录项

  • 公开/公告号CN103855469A

    专利类型发明专利

  • 公开/公告日2014-06-11

    原文格式PDF

  • 申请/专利权人 香港中文大学;

    申请/专利号CN201310618560.9

  • 发明设计人 吴克利;赵鲁豫;杨立勤;

    申请日2013-11-28

  • 分类号H01Q1/52;H01Q21/28;

  • 代理机构北京英赛嘉华知识产权代理有限责任公司;

  • 代理人余朦

  • 地址 中国香港新界

  • 入库时间 2024-02-20 00:20:11

法律信息

  • 法律状态公告日

    法律状态信息

    法律状态

  • 2016-09-07

    授权

    授权

  • 2014-07-09

    实质审查的生效 IPC(主分类):H01Q1/52 申请日:20131128

    实质审查的生效

  • 2014-06-11

    公开

    公开

说明书

技术领域

本申请涉及天线去耦技术,具体地,涉及用于使紧凑型天线阵列 中的两个或更多个天线去耦的设备以及具有这种设备的紧凑型天线阵 列。

背景技术

下一代通信系统的飞速进步激发了高吞吐率、小型化便携移动终 端的发展。根据著名的香农定理,为了改善通信系统的信道容量/吞吐 率,一种方法是增加系统带宽,该方法已在第三和第四代移动终端中 广泛采用。另一种方法是使用多输入多输出(MIMO)技术。该技术 在发送机和接收机处均使用多个天线以使信道容量成倍提高。因此, 未来的高速移动终端需要宽带紧凑型的多天线阵列系统。

由于无线通讯设备正在变得更小且更轻薄,所以便携式终端中的 多个天线必须放置在有限体积的空间内,因此天线之间的间距将远小 于半波长。如此受限的间距不仅会增大天线之间的空间/方向图的相关 性,还导致天线之间具有较强的互耦。高空间相关性会导致信道相关 联且信道容量减小,而强互耦则导致辐射效率降低,进而降低了信噪 比并最终使得信道容量减小。这个问题已引起许多世界领先公司的高 度重视。

为了保持多天线系统的小型化并减小天线之间的干扰,迫切需要 研发行之有效的去耦技术。

发明内容

本申请的一个方面提出了一种用于对紧凑型天线阵列中的两个天 线去耦的设备,该设备包括两个分别耦合到源端口和负载端口的耦合 谐振器;同时,紧凑型天线阵列中的两天线中的第一天线连接到源端 口,而两个天线中的第二天线连接至负载端口。

第一谐振器和第二谐振器被配置使得源端口与第一谐振器之间的 第一耦合、第一谐振器与第二谐振器之间的第二耦合、以及第二谐振 器与负载端口之间的第三耦合被优化以满足以下条件:即,由紧凑型 的两天线组成的两端口网络与由两个谐振器耦合组成的两端口网络并 联构成的总网络的隔离度尽可能接近于零,而其每个端口(源端口和 负载端口)的反射系数最小。

在本申请的实施方式中,谐振器的谐振频率(自耦合)和/或设备 的其他耦合可进一步调整,以便在更复杂的情况下满足以上条件。

在本申请的实施方式中,该去耦网络设备可通过低温共烧陶瓷或 其他多层基板技术或其它无源集成技术实现。

在本申请的实施方式中,谐振器间的耦合可以是固定的,而输入/ 输出耦合可以是可调的,使得该设备可实现为适用于具有不同特性的 紧凑型天线阵的通用元件。

在本申请的实施方式中,还可与第一谐振器和第二谐振器并联或 串联地提供第三谐振器和第四谐振器,以实现双频带去耦。

在本申请的实施方式中,还可添加传输线和/或匹配网络。

本申请的另一方面提出了用于对紧凑型天线阵列中的多个天线去 耦的设备,该设备包括多个谐振器,其中的每个谐振器均耦合至一个 端口,该端口与多个天线中的其中一个连接,设备的耦合系数被调整 以满足以下条件,即,由紧凑型的多天线组成的两端口网络与由多个 谐振器耦合组成的两端口网络并联构成的总网络的隔离度尽可能接近 于零,而其每个端口的反射系数最小。

本申请的又一方面提出了包括多个天线的天线阵列,其中根据本 申请的去耦设备被安置在多个天线中的至少两个天线之间。

附图说明

图1示出了根据本申请的一个实施方式的电路原理图。

图2示出了根据本申请的另一实施方式的电路原理图。

图3示出了适用于对称天线阵列示例的、根据本申请的一个实施 方式的物理结构。

图4示出了适用于非对称天线阵列示例的、根据本申请的实施方 式的物理结构。

图5出于说明的目的示出了对于去耦的对称天线阵列的预期去耦 和匹配结果。

图6出于说明的目的示出了对于去耦的非对称天线阵列的预期去 耦和匹配结果。

图7示出了根据本申请的另一实施方式的电路原理图,其为通用 去耦模块。

图8(a)是没有去耦网络的非对称天线阵列示例。

图8(b)是图8(a)的阵列的仿真和测量的散射参数,示出了无 去耦网络的阵列的隔离和反射系数。

图9(a)是包含根据本申请设计的去耦网络的图8(a)的非对称 天线阵列示例。

图9(b)是图9(a)的阵列的仿真和测量的散射参数,示出了该 阵列的去耦和匹配性能。

图10(a)是添加有根据本申请的去耦网络的对称天线阵列示例。

图10(b)是图10(a)的阵列的仿真和测量的散射参数,示出了 该阵列的去耦和匹配性能。

图11(a)是添加有根据本申请的全部8个耦合系数的去耦网络 的天线阵列示例。

图11(b)是图11(a)的阵列的仿真和测量的散射参数,示出了 该阵列的去耦和匹配性能。

图12示出了测量出的单个天线、图8(a)所示的耦合天线以及 图9(a)所示的去耦天线的辐射效率。

图13示出了测量出的具有/没有根据本申请的去耦网络的耦合天 线的包络相关系数。

图14示出了根据本申请的另一实施方式的电路原理图,提出了实 现用于两个耦合天线的双频带去耦的一个方法。

图15示出了根据本申请的另一实施方式的电路原理图,提出了实 现用于两个耦合天线的双频带去耦的另一方法。

图16出于说明的目的示出了对双频带去耦的对称天线阵列的预 期去耦和匹配结果。

图17示出根据本申请的另一实施方式的电路原理图,提出了三单 元天线阵列去耦的方法。

具体实施方式

在下文中,将参照附图对本申请的实施方式进行描述。具体地, 按以下顺序进行描述:(1)去耦网络的结构、(2)耦合系数的设置、 (3)效果和优点、(4)实验结果、(5)双频带去耦网络、以及(6)用 于三个强耦合天线的三单元去耦网络。

去耦网络的结构

图1示出了根据本申请的实施方式的电路原理图。众所周知,多 天线网络包括多个紧密布置的天线。在下文中,将包括两个紧密布置 的天线的两天线网络作为示例来解释本申请。应该理解,以下所讨论 的配置也可用于包括多于两个天线的天线网络中的每两个天线。还应 该理解,对于包括多于两个天线的天线网络,另一种方法是设计多端 口去耦网络。用于对三单元阵列去耦的三端口去耦网络将作为示例。 这两个方法均等效地产生可控的第二条耦合的路径,从而在宽带意义 上消除了现有的天线与天线间的相互耦合。

如图1所示,两天线网络包括两个紧密耦合的天线3、4。天线3 的一端连接至端口1以便从安装有该天线网络的装置(诸如移动终端) 收发数据。天线4的一端连接至端口2以便从安装有该天线网络的装 置(诸如移动终端)收发数据。天线3和4的另一端从其它装置(诸 如其他移动终端或基站)收发数据。在下文中,为便于解释,两个端 口1和2也可分别称为输入端口和输出端口或者源端口和负载端口。

根据本申请,在源端口与负载端口之间提供去耦网络(或去耦设 备),该去耦网络由两个谐振器或谐振回路构成。两个天线3与4之间 的去耦基于以下条件:通过在源端口与第一谐振器(L1、C1)之间设 置耦合系数、在第一谐振器(L1、C1)与第二谐振器(L2、C2)之间 设置耦合系数、以及在第二谐振器与负载端口之间设置系数来实现, 其中,该条件为由两端口天线网络和两端口去耦网络构成的总网络的 互导纳接近于零,并且同时自导纳分别接近于端口1和2的特性导纳。

如图1所示,源端口和负载端口的耦合分别由零电感器LS和零 电感器LL表示。耦合系数mS1和m2L分别是源端口对第一谐振器的耦 合以及第二谐振器对负载端口的耦合,耦合系数mS1和m2L能够由电 容耦合、电感耦合以及混合耦合来实现。根据天线互耦的不同特性, 应选择适当类型的耦合。

在图1中,在天线3与源端口LS之间接有一段传输线5,在天线 4与负载端口LL之间类似地接有另一段传输线6。这种配置可使去耦 后的天线之间具有更好的隔离性能。应注意,根据本申请,对于一些 紧凑型天线阵,传输线5、6不是必需的。

作为示例,图1中的第一谐振回路(L1、C1)由一个电容器C1 和两个电感器L1/2构成,图1中的第二谐振回路(L2、C2)由一个 电容器C2和两个电感器L2/2构成。应注意,谐振回路还可以其他形 式构成。根据本申请,电感器和/或电容器的具体值并不重要,只要谐 振回路的谐振频率相对于耦合天线是适当的并且获得所需的耦合系数 即可。

图2示出了本申请的实施方式,其中在端口1、2还设有匹配网络 8、9。匹配元件可以由集总元件或传输线枝节(stub)以进一步加宽 匹配带宽。

根据本申请,去耦网络可采用不同技术实现,包括LTCC(低温 共烧陶瓷)和多层PCB(印制电路板),或无源集成技术等。下文将 给出以双层PCB形式的去耦网络的示意性示例。

根据本申请的去耦网络可通过采用集总元件或分立元件或二者的 混合来实现,只要获得所需的耦合系数即可。

根据本申请,两个天线可以是相同的或不同的。在两个天线是相 同的情况下,两个谐振器也可彼此相同。否则,两个谐振器可处于彼 此不同的谐振频率。在图3(相同)和图4(不同)中示出了两个原型 电路示例。

在图3中,第一锥形天线16与第二锥形天线17存在强耦合,第 二锥形天线17与天线16相同。为了达到更好的去耦性能,插入两段 传输线18和19。然后加入谐振器26和谐振器27以及匹配网络24和 25。端口22和端口23之间实现了去耦,并且相关性明显降低。在该 原型中的基板21是双层FR4PCB,地板(ground)20能够根据移动 终端的大小和尺寸表现为各种形式。

类似地,对于图4所示的情况,同一锥形天线16耦合至弯折线单 极天线28。插入两段传输线31和32。因为耦合天线是不同的,所以 两个谐振器29和30在不同的频率处谐振。同时,用于端口22的匹配 网络33以及用于端口23的匹配网络34也不同。在该原型中的基板 21是双层FR4PCB,地板20能够根据移动终端的大小和尺寸表现为 各种形式。

图5和图6分别示出了对称以及非对称天线阵去耦的预期效果。 如图5所示,实线表示端口1、2的反射系数,点划线表示在端口1、 2之间的隔离度。中心频率表示为f0,两个端口的低频和高频分别表 示为fL和fU。除端口1、2的频率范围彼此不同之外,图6类似于图5。 具体地,端口1的低频和高频分别表示为fL和fU,端口2的低频和高 频分别表示为fL’和fU’。因此,端口1、2的反射系数彼此不同并且分 别由实线和虚线表示。

在端口1、2之间的隔离度反映端口之间的耦合/去耦程度。每个 端口的反射系数反映端口的匹配性能。如图5和图6所示,根据本申 请的去耦网络,两个端口的反射和隔离度应满足所需条件,并因而能 够在所需的频率范围中获得期望的去耦和匹配性能。

实际的匹配带宽还取决于具体天线的带宽。

如上所述,根据本申请的去耦网络可通过诸如LTCC或多层PCB 的基板技术由任何适当形式的谐振器构成。

耦合系数的设置

在下文中,将对耦合系数的设置进行描述。

在如图1所示的电路原理图中,在设计去耦网络时可考虑以下耦 合系数:

mS1:源端口与谐振器1之间的耦合系数;

m12:谐振器1与谐振器2之间的耦合系数;

m2L:谐振器2与负载端口之间的耦合系数;

mSL:源端口与负载端口之间的耦合系数;

mS2:源端口与谐振器2之间的耦合系数;

m1L:谐振器1与负载端口之间的耦合系数;

m11:谐振器1的自耦合系数,与谐振器1的频率偏移成比

例;

m22:谐振器2的自耦合系数,与谐振器2的频率偏移成比

例。

根据本申请的一种实施方式,只要上述8个耦合系数中的前3个 系数mS1、m12、和m2L适当地调整,那么在对称紧凑型天线阵列中的 两个相同天线之间通过空间的耦合将被有效的消除或者至少明显的减 小,从而实现去耦。应该理解,由于天线阵列是对称的,所以去耦网 络也应是对称的,这意味着mS1=m2L。示例在图10(a)中示出。

根据另一实施方式,除上述3个系数之外,还考虑了自耦合系数 m11和m22以使非对称天线阵列去耦。应该理解,由于天线阵列是不对 称的,所以去耦网络也应是不对称的,这意味着mS1≠m2L和m11≠m22。 示例在图9(a)中示出。

根据又一实施方式,除上述三个系数之外,还考虑了系数mS2、 m1L、和mSL以用于极端条件下的耦合天线。例如,如果耦合天线的互 耦在所关注的频率范围内变化明显,那么需要考虑全部8个耦合系数。 示例在图11(a)中示出。

根据本申请,以上耦合系数基于以下条件确定,即,在由两端口 天线网络和两端口去耦网络并联构成的总网络的互导纳接近于零,同 时自导纳分别接近于端口1和2的特性导纳。具体地,对于给定的两 端口天线网络,天线网络的2×2导纳矩阵YA=Y11AY12AY21AY22A是已知的。当与 天线网络并联地添加2×2导纳矩阵为YF=Y11FY12FY21FY22F的两端口去耦网络 时,总网络的导纳矩阵是两个单个导纳矩阵之和 Y=Y11Y12Y21Y22=Y11A+Y11FY12A+Y12FY21A+Y21FY22A+Y22F.由于去耦网络为无耗网络,所以其导纳矩 阵YF的元素全部是纯虚数的。

在由两端口天线网络和两端口去耦网络并联构成的总网络的互导 纳接近于零,同时自导纳分别接近于端口1和2的特性导纳的条件下, 去耦和匹配条件可表示为:

Re{Y21A(f)}0

j·Im{Y21A(f)}+Y21F(f)0

以及

Re{YkkA(f)}1,k=1,2,

j·Im{YkkA(f)}+YkkF(f)0,k=1,2.

其中f是单位为Hz的带通频率。

总网络的散射参数(S参数)以如下方式与导纳参数关联:

S11=(1-Y11)(1+Y22)+Y12Y21(1+Y11)(1+Y22)-Y12Y21

S21=-2Y21(1+Y11)(1+Y22)-Y12Y21

S22=(1+Y11)(1-Y22)+Y12Y21(1+Y11)(1+Y22)-Y12Y21

因此,去耦和匹配条件也可由散射参数表示。具体地,去耦条件 可以是:两端口网络的隔离系数低于预定水平,例如,20dB;匹配条 件可以是:整体网络的反射系数低于另一预定水平,例如,10dB。

图9(a)、图10(a)和图11(a)中的原型的仿真和测量散射参 数分别在图9(b)、图10(b)和图11(b)中示出。应注意,图9(a) 是添加有根据本申请的去耦网络的图8(a)的示例性非对称天线阵列。 在图8(b)中示出的、图8(a)的阵列的仿真和测量出的散射参数示 出了不具有去耦网络的阵列的隔离度和反射系数。

通过理论分析表明,为了实现宽带去耦性能,优选的方案是在设 计耦合系数时,将耦合系数m12设置得尽量大并且固定不变,并将耦 合系数mS1和m2L设置为可调节的,使得去耦网络可用作对于具有图7 所示的不同导纳参数的多种天线阵列的通用组件。

在确定出所需耦合系数后,技术人员可以以任何合适的形式实现 去耦网络。例如,(1)集总元件谐振器;(2)半集总谐振器,诸如LTCC 多层谐振器;(3)短路四分之一波长谐振器,诸如U形折叠式谐振器 和阶梯阻抗谐振器;(4)开路半波长谐振器,诸如开环环形谐振器和 端耦合半波谐振器。

虽然已经讨论了耦合系数的计算方法,但是耦合系数不由上述理 论确定也是可能的。根据本申请,耦合系数可任意地优化或调谐直至 获得了期望的去耦性能。

效果和优点

根据本申请,在确定了合适的去耦网络的耦合系数后,可实现紧 凑型天线阵列的去耦。

具体地,对于对称的天线阵列,如果与天线阵列并联地添加根据 本申请的具有合适的耦合系数mS1、m12和m2L的去耦网络,那么天线 阵列中的天线之间的互耦将被有效的消除或者至少显著的减少。

对于非对称天线阵列,如果与天线阵列并联地添加根据本申请的 具有合适的耦合系数mS1、m12、m2L、m11和m22的去耦网络,那么天 线阵列中的天线之间的互耦将被有效的消除或者至少显著减少。

对于在极端条件下的耦合天线,例如,当耦合天线的互耦在关注 频带中明显发生变化时,在与天线阵列并联地添加根据本申请的、除 上述3个或者5个系数(分别对应于对称或非对称天线配置的情况) 之外还具有合适的耦合系数mS2、m1L和mSL的去耦网络的情况下,天 线阵列中的天线之间的互耦将被有效的消除或者至少显著减少。

这些效果和优点将由以下实验结果进一步验证。

实验结果

已进行多项实验来验证本申请中提出的去耦网络的性能。

在以下示例中,提出的去耦理论应用在对称阵列中,在该阵列中 考虑一对对称的宽带单极天线。两个元件之间的边到边的间距(S)为 9.8mm(0.084λ0)。

因为和是相同的,所以可综合并设计出对称的去耦网 络。谐振器的物理尺寸是:L1=9.5mm、L2=9mm、W1=2.2mm、 W2=6mm、W3=0.8mm和g1=0.35mm。抽头馈线位置(F)为2.9mm, 其在图10(a)中示出。添加两个额外的匹配线枝节以改善匹配性能。 仿真和测量结果在图10(b)中示出,其中实现的耦合系数为:mS1=m2L=1.2421和m12=2.7142。|S21|≤–20dB的去耦带宽约为15%,而|S11|≤ –10dB的匹配带宽约为12%,示出了与现有技术相比,两阶去耦网络 能够实现更宽的去耦带宽。

包络相关系数和辐射效率是去耦网络的两个性能参数。对于任意 具有低隔离度和反射系数的天线对,这两个量必须在关注的频带中足 够好。

可通过测量远场辐射方向图获得效率。图12中所示的测量效率示 出了在去耦网络的工作频带中,去耦后的阵列的总效率比未去耦的耦 合阵列改善了约10%。

同时,瑞利衰落信道中的包络相关系数定义为:

ρe=|4π[E1(θ,φ)·E2(θ,φ)]|24π|E1(θ,φ)|24π|E2(θ,φ)|2

其中

E1(θ,φ)·E2(θ,φ)=Eθ1(θ,φ)E*θ2(θ,φ)+Eφ1(θ,φ)E*φ2(θ,φ)

其中是在天线2接匹配负载端口的情况下的天线1辐射的电场。 同样地,由天线2产生,其中天线1接匹配负载端口。应该知 晓,较低的包络相关性可获得更好的分集增益。在该示例中和 由仪器测量。获得的包络相关系数ρe在图13中示出。如图13 所示,与其耦合阵列相比,去耦天线阵列的包络相关系数在宽频带上 改进高于10dB,在中心频率附近最大改进了19dB。

双频带去耦网络

根据本申请的去耦网络还可扩展以在多个频带下工作。

图14和图15分别示出了两种类型的双频带去耦网络的电路原型, 其中预期的响应在图16中示出。在图14中,前两个耦合谐振器13 在图16的中心频率f1处工作,而后两个耦合谐振器14在图16的中心 频率f2处工作。对于每个频带,设计原则与之前的单频带情况相同。 只需将一个去耦网络设计在f1处,而另一个设计在f2处,然后如图14 所示将这两个去耦网络耦合至相同的源端口和负载端口。

具体地,将源端口与第三谐振器之间的耦合系数、第三谐振器与 第四谐振器之间的耦合系数、第四谐振器与负载端口之间的耦合系数 调整以满足条件,即,网络中在频率f1和f2集中的两个频带处的隔离 系数接近于零,而该网络的每个端口的反射系数为最小。

同样地,对于对称天线阵列,谐振器的自耦合系数可进一步调整。 对于在极端条件下的耦合天线,源端口与第二/第四谐振器之间的耦合 系数、负载端口与第一/第三谐振器之间的耦合系数以及源端口与负载 端口之间的耦合系数可进一步调整以实现更好的去耦。

图15中的第二种双频带原型同样需要4个谐振器。但是,这些谐 振器通常在f1与f2之间的同一频率处谐振。需要考虑的耦合系数包括:

mS1:源端口与谐振器1之间的耦合系数;

m12:谐振器1与谐振器2之间的耦合系数;

m34:谐振器3与谐振器4之间的耦合系数;

m4L:谐振器4与负载端口之间的耦合系数;

m13:谐振器1与谐振器3之间的耦合系数;

m24:谐振器2与谐振器4之间的耦合系数;

通过简单的最优化,可找到多组能够在f1和f2处对两个天线去耦 的合适耦合系数。

同样地,对于非对称天线阵列,谐振器的自耦合系数可进一步调 整。对于在苛刻条件下的耦合天线,源端口与第二/第四谐振器之间的 耦合系数、负载端口与第一/第三谐振器之间的耦合系数以及源端口与 负载端口之间的耦合系数可进一步调整以实现更好的去耦。

用于三个紧凑型天线的三端口去耦网络

用于两个耦合天线的去耦方法和设备能够扩展为对三单元圆形阵 列去耦,具有图17所示的电路/网络模型。对于对称的三单元阵列, 首先将三个相同的传输线添加至天线,然后设计三端口网络。由于阵 列配置的对称性,考虑三组相同的耦合系数。耦合系数为:

输入/输出耦合:mp11、mp22和mp33;

谐振器间耦合:m12、m23、m31

与用于两个天线的去耦网络相同,谐振器间耦合必须尽可能大以 保证宽带性能。这样,输入/输出耦合根据不同天线阵列的导纳参数的 特点进行设计,使得网络的隔离系数接近于零,以及该网络的每个端 口的反射系数最佳。

由于在每两个天线之间都存在两个谐振器,所以预期应能得到二 阶去耦响应。额外的匹配网络能够进一步扩大匹配带宽。对于三单元 阵列中的每两个天线能够实现图5中的响应。

应该注意,根据本申请的去耦网络还可扩展至适用于天线阵列中 多于三个天线的去耦。

本领域的技术人员应该理解,本文描述的实施方式是为了示例本 发明的基本概念和基本方法的目的,但是并不对本发明构成限制。对 于本领域的技术人员来讲,本发明公开的技术特征可以在合理的范围 内进行重组和修改。但凡在本发明的精神和原则以内,所作出的任何 修改,变化和改进等,均在本发明保护的范围之内。

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