一种四单元半缝隙结构高隔离共面5GNR天线的制作方法

一种四单元半缝隙结构高隔离共面5gnr天线
技术领域
1.本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种四单元半缝隙结构高隔离共面5gnr天线。


背景技术：

2.自2019年11月1日,中国三大移动运营商正式上线5g商用套餐,标志着我国正式进入5g商用时代。5g具有更丰富的应用场景,要求更高的数据传输速率。为了满足5g通信的需求,国家工信部给各大移动运营商分配了新的频谱资源。我国分配了sub-6g频段,具体包括中国移动2515～2675mhz(n41)与4800～4900mhz(n79)两个频段共260mhz,中国电信3400～3500mhz(n78)的100mhz频段,中国联通3500～3600mhz(n78)的100mhz,以及中国广电4900～5000mhz(n79)的100mhz。这就意味着5g终端用户要实现在不同运营商网络中进行切换,必须能够同时满足这些不同的频段。因此设计出一个可以用于全频段的天线的研究越来越重要。
3.随着5g移动通信领域sub-6g频段的划分，越来越多的学者开始设计5g天线，但是单一的天线单元并不能满足移动通讯的要求，所以需要引入更多单元天线组阵来获得更高的增益。在小尺寸情况，还需要放置多个天线，这样还需要解决互耦问题。因此在设计多mimo天线对于解耦有一定的要求。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种在物理空间受限、带宽需求比较宽且相邻天线单元存在强烈的互耦的情况下，采用去耦结构改善天线单元之间的耦合性能，提高单元之间的隔离度的天线。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种四单元半缝隙结构高隔离共面5gnr天线，包括：
6.四个设有半缝隙结构且工作在5gnr频段的天线单元，天线单元是逆时针放置；
7.四个天线单元相互垂直放置的拓扑结构；
8.所述天线单元与地板均印刷在介质基板的同一平面中，所述支撑谐振单元的介质基板根据实际情况需求，可以采用不同的厚度、不同的介电常数的介质基板。
9.优选的，四个天线单元与地板印刷在介质基板的同一平面中，并且采用共面波导馈电结构，共同构成5gnr天线的辐射结构，影响天线的辐射性能。
10.优选的，四个天线单元相互垂直放置，分别以相同形式印刷在介质基板上，由于存在的极化分集使得5gnr天线本身就具有较好的隔离度效果。
11.优选的，四个天线单元和地板共同构成5gnr天线的辐射结构，分别影响不同的频段，低频段主要是由地板的辐射引起，高频段则是由天线单元构引起，可以通过对天线单元形状和地板结构的的调整来达到不同的频段需求。
12.优选的，相互垂直设置的所述四个天线单元能够采用半切工艺，将完整的天线单
元沿着馈电切开，可以有效减小5gnr天线的尺寸，并且不会影响5gnr天线的匹配带宽和隔离度等基本性能。
13.优选的，所述半缝隙结构为开设在地板和介质基板上的音叉形缝隙，且缝隙形状根据实际天线系统需求改变，针对于地板完整的天线而言，加入“音叉状”缝隙结构可以有效延长5gnr天线的电流路径，使得天线单元间的相互作用减小，有效提高天线在整个频段内的隔离度。
14.优选的，针对于通过地板分离的天线而言，设有回型谐振环结构，加入回型谐振环结构可以改变天线各单元间的耦合路径，使得天线单元间的相互作用减小，有效提高天线在整个频段内的隔离度，回型谐振环结构通过实际天线系统需求而改变形式。
15.采用共面波导馈电结构，将四个半缝隙结构天线单元相互垂直放置共同组成5gnr天线。由于四个天线相互垂直放置使得四个天线单元之间存在着极化分集，因此使得各个天线单元间本身就具有较好的隔离度效果。为了获得更好的隔离度效果，针对于完整地板的天线而言，可以在地板上蚀刻“音叉状”缝隙结构。针对于地板分离的天线而言，可以加入“回型谐振环”结构。可以使得天线各单元之间的耦合能够有效降低到15或20分贝以下。
16.与现有技术相比，本发明一种四单元半缝隙结构高隔离共面5gnr天线，在物理空间受限、带宽需求比较宽且相邻天线单元存在强烈的互耦的情况下，提高单元之间的隔离度。
附图说明
17.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制，在附图中：
18.图1为本发明的去耦原理性框图；
19.图2为本发明的电磁仿真模型图；
20.图3为图2中实例对应的s参数的响应图；
21.图4为本发明中完整地板形式下四单元半缝隙结构高隔离共面5gnr天线，并在地板上蚀刻“音叉状”缝隙来达到解耦效果的电磁仿真模型图；
22.图5为图4中实例对应的s参数响应图；
23.图6为端口1馈电时，本发明中完整地板形式下四单元半缝隙结构高隔离共面5gnr天线的电流分布图；
24.图7为天线在xoy平面上不同频率处的主极化和交叉极化方向图；
25.图8为天线在yoz平面上不同频率处的主极化和交叉极化方向图。
26.附图中：
27.1、天线一；11、端口一；2、天线二；21、端口二；3、天线三；31、端口三；4、天线四；41、端口四；5、地板；6、去耦结构；61、音叉形缝隙；7、介质基板。
具体实施方式
28.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。
29.图1中共有四个天线，端口一11、端口二21、端口三31、端口四41分别连接天线一1、天线二2、天线三3、天线四4，天线各单元之间的耦合标分别为c12、c13、c14，天线单元是逆时针放置，耦合c12与c14之间有相同的性能，因此我们将主要介绍耦合c12与c13。
30.通常，在没有去耦结构时，由于天线单元的结构比较紧凑，导致对应端口一11、端口二21的隔离度|s12|(s12的幅度)与端口11、端口三31的隔离度|s13|(s13的幅度)通常只有10分贝甚至更差。
31.在加入去耦结构之后，天线单元的性能并不会受到去耦结构的影响，而对应端口一11、端口二21的隔离度|s12|与端口一11、端口三31的隔离度|s13|都可以提升5分贝或者10分贝。
32.图2是完整地板形式下四单元半缝隙结构高隔离共面5gnr天线。
33.天线一、二、三、四都是印刷单极子天线，天线与地板5均印刷在介电常数为4.4的fr4介质基板7的正面。
34.天线采用了共面波导馈电结构进行馈电，半缝隙mimo天线有着显著的特性，主要表现为:良好的定向辐射和宽频带特性。
35.天线的辐射单元辐射贴片与地板5一起组成新的辐射结构，通过调节匹配、激励额外的谐振频率即能实现2-6.0ghz极宽频谱范围的完全覆盖。但是由于电流在地板5间的流动，导致端口一11、端口二21的隔离度在低频只有10分贝，端口一11、端口三31之间的距离较远，因此隔离度在18分贝以上。
36.为了解决上述耦合问题，在原有的天线的基础上做了进一步的改进。如图4所示，我们在地板上加入音叉形缝隙61，“音叉状”缝隙结构可以有效延长电流路径，以此拓宽低频的频带宽度和提高尤其是低频频段内的隔离度。通过图5的s参数响应可以看到，该天线在工作时天线的高频的带宽没有受到任何影响，于此同时，低频的频带宽度可以拓展到1.7ghz,并且已经从之前的10分贝左右，上升到15分贝，部分频段可以达到20分贝乃至更高。
37.图6为端口一11馈电时，本发明中完整地板形式下四单元半缝隙结构高隔离共面5gnr天线的电流分布。在低频工作时，天线的地板5与单极子共同构成了辐射结构，因此产生了低频的带宽，而高频主要由单极子产生。从电流路径来看，当其中一个天线单元馈电时，在周围产生了许多电流，沿着地板向周围进行流动，因此使得相连的天线单元间产生了较强的感应电流，使得耦合处于较高的状态。本次所做的去耦结构就是从电流路径的方向进行改变，以此减小任意两单元天线间的相互干扰。
38.如图7所示，为天线在xoy平面上2.5ghz,4.0ghz,5.2ghz处的主极化和交叉极化方向图。如图8所示，为天线在yoz平面上2.5ghz,4.0ghz,5.2ghz处的主极化和交叉极化方向图。可以发现该天线具有稳定的辐射性能。
39.本发明公开的改善耦合性能的方法能够很好的应用在多天线通信系统中。
40.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。