高隔离紧凑型MIMO天线去耦的研究

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随着2019年末5G商用以来,5G通信技术正在飞速发展,该技术在理论上具有高速率,低时延的优势,大大提升了用户对无线网络的容量以及网络可靠性的需求,但是同时也带来了许多利用传统方式难以解决的问题,这对于移动终端天线以及基站天线的设计带来了不小的挑战。随着手持终端设备的越来越轻薄,留给天线的设计空间越来越小,如何设计小型化终端天线,如何在有限的空间内容纳更多的天线,如何提高多天线之间的端口隔离度成为终端的热点问题;相应的,为了应对通信容量的增加以及空间资源的紧张,基站天线需要在与原本相同的空间内摆放更多的阵列,这不仅会使天线的端口隔离度恶化,工作天线周边天线的辐射体上耦合的电流还会使辐射参数恶化,解决以上两个问题也是研究难点。本论文主要研究了终端小型化MIMO天线以及基站天线阵列的去耦。文中利用不同的去耦方式设计并实现了几款高隔离度MIMO手机天线,以及通过设计出一款新型基站单元,提高了基站天线阵列之间的隔离度,具体工作如下:1、提出了利用耦合中和线以及加载集总元件、T型耦合中和线来提高天线隔离度的方法;先设计出工作在N78(3400-3600 MHZ)频段的小型化边框天线,利用提出的前两种方法分别提高了位于地板两侧、同一侧,这两种排布的二单元MIMO天线的隔离度,达到预期目的之后,再将两种排布形式进行汇总,得到“田”字型排布的四单元MIMO天线,利用T型以及加载集总元件的耦合中和线的方式提高单元之间的隔离度,最终实现了四单元紧凑排布的天线之间的隔离度大于13 d B;实现了天线小型化以及天线的数量的同时也保证了天线之间的隔离度。2、分析天线单元的电流分布以及辐射特性,提出了两种位于地板两侧的自隔离二单元MIMO天线结构,两种结构在N78频段下隔离度分别达到了13 d B以及18 d B;并且分析第二种结构,将端口数量增加了一倍,在原来的辐射体尺寸下拓展成四端口共辐射体MIMO天线,合理调节辐射体上的电感,最终实现四端口共辐射体MIMO天线在N78频段内隔离度大于13 d B。3、针对同频基站天线水平近距离摆放端口隔离度较差的问题,很容易想出将基站天线单元的四周利用金属墙围起来形成背腔天线,理论上可以保证天线单元自身稳定的同时,提高单元间的隔离度,但是由于腔边缘靠近辐射体,所以上面的耦合电流过强,导致天线单元辐射参数变差,同时由于腔间耦合导致单元间的去耦效果也不理想。利用λ/4扼流套筒的思想,设计出一款工作在1850-2400 MHz的背腔扼流基站天线,其中该扼流套筒主要是针对背腔天线的腔体边缘的强电流进行扼流。利用该天线组成的二单元天线与四元两列天线阵列,他们的单元内以及列内的匹配以及极化隔离几乎与单元保持一致,而单元间和列间的同极化隔离得到大幅度的提升,同时,方向图的畸变程度很小,轴向增益以及半功率波瓣宽度非常稳定。
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