CN100372172C - 用于多输入多输出通信系统移动终端的平面四天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术的天线设计领域。其特征在于，四个天线单元每两个轴对称排列，即左右、上下各两个天线单元；在左右对称位置的天线形式一样，而在上下位置的天线形式一样，也可以不一样；上下两个天线单元的主辐射单元相互垂直；其金属地包括用来模拟通信系统中除天线外的其它金属部分和T形或其变形结构；左右两个天线单元之间用T形或其变形结构减小其互耦；上下两个天线单元之间用在金属地上割缝的方式减小其互耦，还可以采用其它结构进一步减小其互耦。四个天线单元和馈线印制在印刷电路板的同一个面上；天线的金属地印制在另一个面上。本发明具有电小尺寸、低成本、易制作、易集成，特别适用于无线通信移动终端的特点。

Description

用于多输入多输出通信系统移动终端的平面四天线系统

技术领域

本发明涉及一种无线通信特别但不限于用于多输入多输出通信系统移动终端的平面四天线系统的结构设计，属于无线通信技术的天线设计领域。

背景技术

移动通信的迅速发展和普及应用是全球信息化进程中最引人注目的成就，极大地推动了社会的发展，并对人们的生活方式带来了深刻的影响。在过去的20年，移动通信已经历了从第一代模拟通信、第二代数字通信和第三代宽带多媒体通信的三个阶段。用户数量的急剧增加和数据的交换量的持续增长，需要寻求增加网络容量的有效方法以满足未来的需求。目前世界各国在推动第三代移动通信系统产业化的同时，已把研究重点逐渐转入后三代(Beyond3G)或4G的新一代移动通信技术、无线宽带分组通信技术等的先期研究，在概念和技术上寻求创新和突破，从而使无线通信的频谱效率、容量和速率有十倍甚至百倍的提高。

通信系统需要满足恶劣通信环境下高容量、高数据率、高覆盖率、高频谱效率、高可靠性的要求，采用多输入多输出(MIMO，multiple input multiple output)技术的MIMO通信系统由于可以增加通信系统的容量而受到重视。MIMO系统通过使用正交传播路径增加系统容量，可以用于蜂窝和无线局域网(WLAN，wireless local area network)。这种系统利用接收和发射天线之间平行或不相关的无线信道。在收发天线两端都需要许多天线，结合适当的波束成形和信号处理技术就可以在两者之间提供两个或更多正交无线信道。为了使邻近天线单元间的信号不相关，天线单元之间必须保持一定的距离。这会存在要求天线单元之间的距离非常大的问题，特别是在蜂窝系统的基站，由于低的角度扩展，要求距离在10到20个波长的量级。而在蜂窝系统的终端，由于通常在终端附近有大量的反射体存在，因此通常有大的角度扩展，要求的天线单元之间的距离可以小很多，在0.25到0.5个波长。然而，考虑到移动通信终端尺寸的限制，这个问题仍然在不同应用场合不同程度地存在。此外，传播路径的正交性对终端特别是手持终端天线的方向敏感。类似问题在WLAN应用时也存在。

移动通信终端的单天线形式很多，但支持MIMO功能并适用于移动终端的多天线结构很少。已有的天线结构为：在采用三根天线时，该结构采用安装在相互垂直的三个地平面上的三个天线单元构成，其中两根天线的极化方向正交，第三个地上的天线的极化方向与前两根天线中的一根的正交，与另一根极化方向相同，并在空间上远离前两根天线，减少了天线单元之间的相关性(采用了极化、空间分集)；在采用四根天线时，增加了一根安装于平行于以上三个地平面中的一个地平面上的天线；在这些地面上还可以安装更多的天线；采用的天线形式为传输线加载天线，如折叠单极、传输线加载单极、倒F、平面倒F形天线。这种多天线结构，在尺寸方面，对于尺寸较大的移动终端如笔记本电脑等较为适用，但对于尺寸较小的移动终端如手机、个人数字助理(PDA，personal digital assistant)等则不适用；在结构方面，由于是三维结构，不容易安装和集成。

对于小尺寸的移动终端，由于天线单元之间的距离很小，在天线数较多的情况下，空间、极化分集的作用有限，通常天线单元之间的互耦(即一根天线辐射的能量耦合到了另一根天线上)很大，使得天线的效率降低，从而降低通信系统的容量。因此，如果能设计出结构紧凑、易集成、支持MIMO功能并适用于移动通信终端特别是小尺寸移动终端的多天线结构，将使多天线技术应用于手持终端成为可能。

发明内容

本发明的目的是提供一种无线通信特别但不限于用于MIMO通信系统移动终端的平面四天线系统的结构设计。它克服了现有无线通信移动终端支持MIMO功能的多天线结构的不足，通过对天线单元位置的对称排列和天线的金属地进行联合设计，减小天线单元之间的相关性、减小天线之间的互耦，从而提高天线的效率和增加通信系统的容量；本发明利用了天线的空间、极化、方向图分集技术；采用平面结构，使天线与通信系统易于集成；采用普通的数字电路的印刷电路板(PCB，printed circuit board)加工工艺，使天线成本很低。

本发明的特征在于，所述系统含有：

印刷电路板；

金属地，印制在所述印刷电路板的背面，该金属地包括用于模拟无线通信系统中除天线外的其他部分的金属部分，以及减小两相邻天线之间互耦的T形结构或T形结构的变形结构；

四个平面型天线及相应的馈线，印制在所述印刷电路板的正面，且在结构上和所述金属地电连接；所述四个天线单元中，每两个形式一样的所述平面天线及其馈线对于所述印刷电路板的纵轴对称排列，即该纵轴左右各分布着两个平面天线及其馈线；该纵轴左侧或右侧的任何一侧中，所述两个平面天线按上、下分布，所述按上、下分布的两个平面天线的主辐射单元相互垂直；在所述印刷电路板最上面、沿着所述印刷电路板的纵轴对称排列的两个平面天线用所述T形结构或T形结构的变形结构来减小所述两个平面天线间的互耦；在所述按上下分布的两个平面天线间用在所述金属地上割的缝来减小所述按上下分布的两个天线间的互耦。

本发明具有结构紧凑、易集成、支持MIMO功能并适用于移动通信终端特别是小尺寸移动终端的多天线结构的特点，而且采用普通数字电路制造工艺，制造工艺简单，成本低。

附图说明

图1为本发明提供的一种用于多输入多输出通信系统移动终端的平面四天线系统三维图。

图2为图1的A向视图即纵向剖面图。

图3为图1的可能的第一种结构的B向视图即天线单元和馈线的结构图(图中浅色部分为图4所示结构在这个面上的投影)。

图4为图1的可能的第一种结构的C向视图即天线的金属地的结构图(图中浅色为图3所示结构在这个面上的投影)。

图5为图1的可能的第二种结构的B向视图即天线单元和馈线的结构图(图中浅色部分为图6所示结构在这个面上的投影)。

图6为图1的可能的第二种结构的C向视图即天线的金属地的结构图(图中浅色为图5所示结构在这个面上的投影)。

图7为图1的可能的第三种结构的B向视图即天线单元和馈线的结构图(图中浅色部分为图8所示结构在这个面上的投影)。

图8为图1的可能的第三种结构的C向视图即天线的金属地的结构图(图中浅色为图7所示结构在这个面上的投影)。

图9为图7的B向视图即天线单元和馈线的结构实施实例尺寸图，单位均为毫米(mm)。

图10为图8的C向视图即天线的金属地的结构实施实例尺寸图，单位均为毫米(mm)。

图11为图9、图10的实施实例的四个天线单元的反射系数(S参数)图。

图12为图9、图10的实施实例的四个天线单元的x-y平面的功率增益方向图(工作频率2GHz时)。

图13为图9、图10的实施实例的四个天线单元的相关系数图。

具体实施方式

本发明提供的一种无线通信特别但不限于用于MIMO通信系统移动终端的平面四天线系统，实现了低成本、易集成、电小尺寸的天线结构，如图1-图8所示，天线结构印制在PCB1上，包括天线的金属地2、四个天线单元3、4、5、6和馈线8、9、10，所述的天线的金属地2是指PCB1的两个面中不含四个天线单元3、4、5、6和馈线8、9、10的那个金属面。其特征在于，四个天线单元3、4、5、6每两个对y轴对称排列(如图1中所示的天线3和天线4、天线5和天线6)，即左右各两个天线单元，上下各两个天线单元；所述的天线单元，在左右对称位置的天线的形式(天线3和天线4、天线5和天线6)一样，而在上下位置的天线形式(天线3和天线5、天线4和天线6)可以一样，也可以不一样；天线3和天线5(以及天线4和天线6)的主辐射单元相互垂直；其金属地2如图4、图6、图8所示，包括用来模拟无线通信系统中除天线外的其它部分的金属部分13和如图4中的12(或如图6中的16或如图8中的16+20)的T形结构或T形结构的变形结构；在图1所示的天线3和天线4之间用T形结构或T形结构的变形结构如图4中的12(或如图6中的16或如图8中的16+20)减小两天线之间的互耦；在图1所示的天线3和天线5、天线4和天线6之间用在天线的金属地上割缝的方式减小两天线之间的互耦，割缝形式可以如图4中的14或如图6中的15或如图8中的18，也可以用其它割缝形式，还可以采用其它结构比如采用如图8所示的结构19进一步减小两天线之间的互耦。所述的四个天线单元3、4、5、6和馈线8、9、10(馈线阻抗应为50欧姆，以满足阻抗匹配条件，可以采用微带线馈电，也可以采用其它方式馈电，馈线的长度可根据馈电点与电源的位置调整；图中所示为微带线馈电，图1、图3、图5、图7中，虚线以上部分为天线单元，虚线以下部分为馈线。)如图1、图3、图5、图7相连，印制在PCB1的同一个面上；天线的金属地2印制在PCB1的另一个面上；两个面的相对位置如图2-图8所示(图3-图8中的浅色部分为PCB1另一个面上的结构在图所示结构所在面上的投影)。

所述的天线单元可以是平面单极天线、平面折叠单极、平面倒F形天线、平面L形天线等之一种，或其变形形式。作为示例，图1-图8所示的天线形式为变形平面L形天线和平面折叠单极天线。

本发明的技术方案是这样实现的：四个天线单元3、4、5、6是主辐射单元，决定天线的主要工作频段；T形结构或T形结构的变形结构如图4中的12(或如图6中的16或如图8中的16+20)减小图1所示的天线3和天线4之间的互耦；天线的金属地上割缝，比如图4中的14或如图6中的15或如图8中的18的割缝形式，减小图1所示的天线3和天线5、天线4和天线6之间的互耦；T形结构或T形结构的变形结构和天线的金属地上的割缝会改变天线的地电流分布，其作用不仅会改变天线之间的互耦，同时会改变天线的工作频率、方向图、带宽。最重要的是，由于天线单元、天线的金属地对天线的性能都有影响，因此天线单元、天线的金属地的尺寸应根据需要进行联合设计。

该结构具体说明如下：

首先根据具体的通信系统选定用来模拟无线通信系统中除天线外的其它部分的金属部分13部分的尺寸；其次根据对天线电特性的要求选定四个天线单元的天线形式及其馈电方式，根据对天线工作频段的要求，初步选定天线单元的尺寸，并根据馈电点和电源位置确定馈线：再根据此时天线的电特性和要求的电特性决定减小天线互耦的T形结构或T形结构的变形结构和割缝结构的形式及其初步尺寸；最后再对各部分尺寸进行调整，确定最终尺寸。本发明提供的天线结构可以采用普通的数字电路PCB制作工艺制作。

通常本发明中所述的金属地中用来模拟无线通信系统中除天线外的其它部分的金属部分13部分的尺寸可以根据天线所应用的通信系统的具体情况选定尺寸，比如在手机中可以选定这部分尺寸为长80mm×宽60mm，因为对于具体的通信系统，这部分结构尺寸是固定的，在天线整个结构设计中应保持不变。天线的馈线的阻抗应为50欧姆，以满足阻抗匹配条件，可以采用微带线馈电，也可以采用其它方式馈电，馈线的长度可根据馈电点与电源的位置调整，附图中所示均为微带线馈电。

天线3和天线4可以通过金属化的过孔11和天线的金属地2在结构上相连，也可以不通过金属化的过孔11和天线的金属地2在结构上相连，而采用如图7所示的结构17使天线3和天线4与天线的金属地2通过电磁耦合在电气特性上相连。在图1所示的天线3和天线5、天线4和天线6之间用在天线的金属地上割缝的方式减小两天线之间的互耦不够的情况下，还可以采用其它结构比如采用如图8所示的结构19进一步减小两天线之间的互耦。通常，采用图7、图8所示的结构的天线3和天线4的工作带宽小于图3-图6所示结构的工作带宽，但天线3和天线5、天线4和天线6之间的互耦分别小于图3-图6所示结构的互耦。

对于电小天线，除了天线单元外，天线的金属地实际上也参与辐射电磁波，也是天线的重要组成部分，本发明中把结构分为天线单元和天线的金属地两部分只是为了描述方便。因此，在天线的结构设计中，特别是最后调整尺寸阶段，应根据对天线电特性的要求，对两部分结构的尺寸都进行调整，以得到最优性能。

为了说明本发明提供的一种无线通信特别但不限于用于MIMO通信系统移动终端的平面四天线系统的性能，下面给出一个具体实例。

在本例中，采用介质基片厚度为0.8mm、相对介电常数为3.8，各部分尺寸如图9、图10所示，图中所有尺寸的单位均为毫米(mm)。

以图9、图10所示尺寸仿真的四个天线单元的反射系数(S参数)结果如图11所示，x-y平面的功率增益方向图如图12所示，相关系数图如图13所示。在本例中，由图11可看出，由于结构对称，天线3和天线4、天线5和天线6的反射系数(S参数)分别相同，四个天线单元的工作频率都大约在2GHz；由图12可看出，工作频率2GHz时，四个天线单元的x-y平面的功率增益方向图互补；由图13可看出，四个天线单元在2GHz时的工作频带内天线的相关系数都小于0.1，能满足MIMO通信系统对四个天线单元不相关的要求。由于其尺寸很小，适合安装在移动通信终端比如手机的盖子上。

Claims (7)

1.用于多输入多输出通信系统的移动终端的平面四天线系统，其特征在于，所述系统含有：印刷电路板；

金属地，印制在所述印刷电路板的背面，该金属地包括用于模拟无线通信系统中除天线外的其他部分的金属部分，以及减小两相邻天线之间互耦的T形结构或T形结构的变形结构；

四个平面型天线及相应的馈线，印制在所述印刷电路板的正面，且在结构上和所述金属地电连接；所述四个平面型天线中，每两个形式一样的所述平面天线及其馈线对于所述印刷电路板的纵轴对称排列，即该纵轴左右各分布着两个平面天线及其馈线；该纵轴左侧或右侧的任何一侧中，所述两个平面天线按上、下分布，所述按上、下分布的两个平面天线的主辐射单元相互垂直；在所述印刷电路板最上面、沿着所述印刷电路板的纵轴对称排列的两个平面天线用所述T形结构或T形结构的变形结构来减小所述两个平面天线间的互耦；在所述按上下分布的两个平面天线间用在所述金属地上割的缝来减小所述按上下分布的两个天线间的互耦。

2.根据权利要求1所述的用于多输入多输出通信系统的移动终端的平面四天线系统，其特征在于：所述的按上下分布的两个平面天线的形式是一样的。

3.根据权利要求1所述的用于多输入多输出通信系统的移动终端的平面四天线系统，其特征在于：所述按上下分布的两个平面天线的形式是不同的。

4.根据权利要求1所述的用于多输入多输出通信系统的移动终端的平面四天线系统，其特征在于：所述的平面天线是平面单极天线、平面折叠单极天线、平面倒F形天线、平面L形天线中的任何一种或其变形形式。

5.根据权利要求1所述的用于多输入多输出通信系统的移动终端的平面四天线系统，其特征在于：所述的平面天线通过金属化的过孔和所述金属地在结构上相连。

6.根据权利要求1所述的用于多输入多输出通信系统的移动终端的平面四天线系统，其特征在于：所述平面天线和所述金属地通过电磁耦合在电气特性上相连。

7.根据权利要求1所述的用于多输入多输出通信系统的移动终端的平面四天线系统，其特征在于：所述金属地中用来模拟无线通信系统中除天线外的其他部分的金属部分的尺寸为长80mm×宽60mm。

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