一种基于电路解耦的5G移动终端MIMO天线的制作方法

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，当前的移动通信系统正向第五代(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。

技术实现要素：

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，包括系统地板5和介质板材6，系统地板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，每个天线模块与系统地板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。

所述系统地板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，以避免在系统地板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°，与系统地板5的边缘垂直相切，因而各天线模块与系统地板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、系统地板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，系统地板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。每个天线模块与系统地板顶角的距离为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。系统地板5的尺寸为140×70mm²，为当前主流的手机尺寸。系统地板上刻有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，从而避免在系统地板上开孔。

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°，与系统地板的边缘垂直相切，因而各天线模块与系统地板的净空为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。