CN100372173C - 用于多输入多输出无线通信终端的四平面反转f天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信终端上多天线系统领域，其特征在于：分别把4个地平面缩短型平面反转F天线单元按4个象限安装在印刷电路板的正面上，相邻的两个天线单元彼此垂直，而且间距在0.1～0.5倍的天线单元工作波长之间；处于第一、第三两象限的天线单元关于各自在几何位置上相同点的连线的中点呈180±10度旋转对称，且馈电点间距大于0.25倍波长，处于第二、第四两象限的天线单元也一样；各天线单元之间交叉十字路口有和各天线单元地面相连的带过孔的十字扩展型金属地平面，印刷电路板背面的金属层经过孔与十字扩展金属地平面相连；在背面金属层上，第二、第三象限天线单元之间相应的空白处有割缝。本发明具有互耦小、辐射效率高、系统容量大的优点。

Description

用于多输入多输出无线通信终端的四平面反转F天线系统

技术领域

本发明涉及无线通信终端的多天线的天线系统领域。

背景技术

天线是无线通信系统中用于辐射发射信号功率和接收到达信号功率的器件。平面反转F天线(PIFA)是一种典型的内置式天线，它由导体地平面、平行于地平面的导体辐射平面、连接地平面与辐射平面的导体短路柱、连接射频馈线与辐射平面的导体馈线柱组成。PIFA天线的辐射特性主要由天线金属表面的面电流决定，PIFA天线的辐射方向图主要朝辐射平面的外法向方向，辐射方向图的主要波瓣宽度与地平面的大小有关，地平面导体相对与辐射平面导体越大，主要波瓣越集中在辐射平面的外法向方向。单个的PIFA天线单元具有低物理尺寸，高辐射效率的优点[Kathleen L. Virga，Yahya Rahmat-Samii，“Low-Profile Enhanced-BandwidthPIFA Antennas for Wireless Communications Packaging”，IEEE Transactions On MicrowaveTheory and Techniques，Vol.45，No.10，pp.1879，Oct.1997]。但是PIFA天线的辐射效率和它与周围环境的耦合强度有关，当周围金属体靠近PIFA天线金属面电流强的部分在一个波长以内，该金属体可能和PIFA天线发生强烈耦合，即天线辐射的一部分能量会转移到该金属体上，从而造成PIFA天线辐射效率下降。

现有的无线通信通常是单输入单输出(SISO：Single Input Single Output)方式，即终端用一个天线和基站的一个天线进行收发通信。多输入多输出(MIMO：Multi Input Multi Output)通信方式是一种比较新的通信技术，它是无线终端上的多个天线同时与基站的多个天线通信。由于它利用了传播环境中存在的相关性较低的传播路径来通信，MIMO通信系统在城市这样的存在大量反射和散射物体的环境中、结合空时编码技术、可以获得比SISO方式更高的信道容量，从而有效提高系统容量。这种系统容量的提高是解决目前迅速增长的无线数据业务需求和目前通信网络有限的无线接入能力之间矛盾的有效手段之一，因此MIMO技术是下一代移动通信的关键技术之一[Arogyaswami j.Paulraj，Dhananjay a.Gore，Rohit u.Nabar，Helmut blcskei，“An Overview of MIMO Communications-A Key to Gigabit Wireless”，IEEEProceedings，pp.198，2004]。国际上两大标准组织，3GPP、3GPP2和IEEE分别在UMTS和802.11n标准中应用了MIMO技术构建其空中接口标准，WI-FI也在无线接口中使用了MIMO技术。MIMO技术在在蜂窝系统、无线局域网等系统中有广泛的应用前景。

MIMO技术分为分集、复用、分集和复用的折衷三种基本形式。MIMO分集技术在天线实现手段上包括空间分集、极化分集、方向图分集。空间分集是一种可以用于MIMO系统的天线技术。无线电波从发射天线传播到接收天线，在传播环境中存在很多传播路径，每条路径的传播距离不同，因此波达相位也不同，空间各点上信号的电磁场的强弱就是这些不同相位的多径互相叠加的结果。在不同的接收点，由于多径相位的差别，信号的幅度变化很大，即信号的强弱呈现出明显的空间分布。在多径丰富的无线传播环境，如城市环境、室内环境中，空间各点的信号幅度在一个波长之内的距离上仍然变化剧烈，即信号在小尺度上空间衰落十分明显。MIMO天线由于使用了多个天线单元在不同空间点上接收分集，结合时空编码技术，同一时刻不同天线单元接收的信号幅度不同，合并后的接收信噪比较单天线接收更稳定，因此有效对抗了小尺度空间衰落，提高了信道容量。MIMO天线还使用多个天线单元发射信号，由于不同空间点上的天线发射的信号在通信的对端接收天线上的衰落情况不同，结合时空编码技术，对端的合并接收信噪比较单天线发射的情况更稳定，因此也有效对抗了小尺度空间衰落，提高了信道容量。

极化分集是一种可以用于MIMO系统的天线技术。一定极化的无线信号经过传播环境之后会发生极化扩散，在和发射天线相同的极化方向和与之垂直的极化方向都存在信号功率。而无线终端、特别是手持无线终端工作时的朝向是随机的，因此天线极化方向也是随机的，为了能够稳定得接收信号功率，MIMO天线可以使用不同极化方向的天线单元，用极化分集获得稳定的接收功率。

方向图分集是一种可以用于MIMO系统的天线技术。无线信号在多径环境中传播，经过不同的传播路径，以不同的到达角到达接收天线。一个天线只能接收部分方向来波的信号，这样我们用不同天线的不同方向图分集接收来获得更大的接收功率，这可以对抗小尺度上的空间衰落。

复用是一种可以用于MIMO系统的天线技术。无线信号在多径环境中传播，经过不同的传播路径到达接收天线。在丰富散射环境，如城市环境、室内环境中，一部分来波的叠加信号和另一部分的来波的叠加信号之间相关性较低。因此，无论是用不同的天线单元在不同的空间位置、用不同的极化方向、或者用不同的辐射方向图来接收，在丰富散射环境中这些天线单元所在的数据链路互不相关，结合复用的编码技术，可以并行地传输数据。这样MIMO系统的信道容量可以按天线单元数目成倍增长。

无论用哪一种形式实现MIMO天线，MIMO系统容量比SISO系统容量提高必须满足两个必要条件：1)发射MIMO天线各天线单元和接收MIMO天线对应的各天线单元之间的无线传播信道具有低相关性；2)如果我们把MIMO天线单元和信道共同看作扩展信道，各单元对应的扩展信道仍然具有低相关性。这两个条件在已经提出的一些MIMO天线方案中是用将几个基本的PIFA天线的地平面相互垂直地安装来实现，但要求安装天线的终端有足够大的尺寸使天线单元的间隔足够远、或者安装的天线单元数量不多于2个。对于天线终端尺寸在0.5倍波长以内的情况，地平面相互垂直的方案不一定能实现高辐射效率，存在互耦强、辐射效率低的问题。特别是对于手持移动终端、地平面互相垂直的安排要把天线单元安排在终端的各个边沿上，这造成在地平面导体上激励的地电流和周围环境、例如人手、有较强的相互作用，由于周围环境的影响，该天线系统存在匹配特性不稳定和辐射效率下降的问题。由于无线终端设备的电池容量通常很有限，匹配特性不稳定和辐射效率的下降会明显增加终端功耗，减少待机时间。

另一方面天线单元之间的互耦使发生耦合的天线单元的收发信息相关性增加，这破坏了MIMO通信的实现条件，即不同天线所在的数据链路的收发信息必须具有低相关性，这也是现有使用PIFA天线单元的MIMO天线在小尺寸无线终端上应用存在的一个问题。

因此，有必要改进MIMO天线的设计和安排，使之有效地应用于MIMO系统，特别是适用于小型无线终端设备。

发明内容

本发明的目的是提供一种改进的MIMO天线单元的安排方法，特别是使以PIFA天线为单元的MIMO天线的各单元具有低相关性的数据链路，提高MIMO系统所能取得的通信容量；并且使各单元互耦低，从而提高天线的辐射效率和无线终端的待机时间，特别是在天线单元间距在0.25倍到1倍波长以内的小型终端上。

本发明的目的是合理地安排PIFA天线单元的空间位置、间距和空间相互关系，使MIMO具有如下特性：

1)以最小天线单元间距获得低相关数据链路，MIMO天线结构尽量紧凑，特别是小型无线终端内。

2)天线单元在被安装到终端上以后，具有宽的辐射方向图，在以天线为原点，过原点的一个平面上，辐射方向图接近全向。

3)各单元的辐射方向图具有互补性，共同组成在球面上接近全向的方向图，实现方向图分集。

4)部分天线单元的主极化方向互相垂直，实现极化分集。

5)多天线单元之间互耦较低，实现低相关数据链路、高辐射效率。

第1)、2)、3)、4)、5)特性都是为了降低各天线单元所在无线链路收发信息的相关性，进而提高MIMO系统容量。

第5)特性为了提高天线辐射效率，进而降低无线终端功耗，延长无线终端的待机时间。

本发明的特征在于：

所述天线系统含有：

印刷电路板1，该印刷电路板的背面是金属层；

四个地平面缩短型平面反转F天线单元，其中每个所述的平面反转F天线单元含有：

导体地平面，该地平面是贴在所述印刷电路板正面且平行于该印刷电路板背面金属层的金属贴片或者一层金属，其长度和宽度小于或者等于所述平面反转F天线的工作频率对应的自由空间传播波长的0.2倍；

导体辐射平面，该辐射平面平行与所述导体地平面，而且该辐射平面的长度和宽度都小于天线工作波长的0.25倍；

导体短路面，该短路面垂直于所述地平面且连接所述地平面与辐射平面；

导体馈线柱，该馈线柱垂直于地平面且连接射频馈线的内导体与所述辐射平面，射频馈线的外导体和印刷电路板背面的金属层相连；

所述导体辐射平面的长度减去导体地平面的长度，再除以导体辐射平面的长度，其值大于0.2；

所述四个地平面缩短型平面反转F天线分别用(2d)、(2a)、(2b)、(2c)表示，依次位于第一、第二、第三、第四共肆个象限，所述肆个地平面缩短平面反转F天线中，相邻两个所述平面反转F天线单元的导体地平面的相同边彼此垂直，相邻两个所述平面反转F天线单元的间距等于彼此所述地平面之间的垂直距离，该距离在所述平面反转F天线单元的工作波长的0.1~0.5倍波长之间，所述相同边是指在所述平面反转F天线单元上的几何位置相同的边；处于第一、第三两个象限的平面反转F天线单元的馈电点间距、处于第二、第四两个象限的平面反转F天线单元的馈电点间距都大于所述平面反转F天线工作波长的0.25倍；处于第一、第三两个象限的平面反转F天线单元关于各自相同点连线的中点呈180±10度旋转对称，处于第三、第四两个象限的平面反转F天线单元关于各自相同点连线的中点在同一水平面上呈180±10度旋转对称，所述相同点是指在所述平面反转F天线单元上的几何位置相同的点。

相邻两个所述平面反转F天线单元的间距在所述平面反转F天线单元的工作波长的0.1～0.5倍波长之间。

所述各平面反转F天线单元还包括一个过孔接地的十字型扩展金属地平面，所述十字型扩展金属地平面由所述印刷电路板的正面上的一层金属来充当，或者是平行于所述印刷电路板正面的金属平面；所述十字型扩展金属地平面位于所述各平面反转F天线单元之间的交叉十字路口，且十字型扩展金属地平面的各条边分别与所述各平面反转F天线单元相连；所述各过孔连接所述十字型扩展金属地平面和所述印刷电路板背面的金属层。

所述各平面反转F天线单元还包括一个所述印刷电路板的背面金属层的割缝，所述割缝位于第二和第三象限的平面反转F天线单元之间的空白处，用于减少单元之间地电流造成的耦合。

本发明实例使用了具有低互耦特性的“带过孔的地面缩短型PIFA天线单元”，其结构如图3所示。

本发明的MIMO天线各单元天线方向图在球面上互补，可以共同构成全向辐射方向图。辐射方向图如图4所示，各天线主要辐射方向上增益大于3dB。

本发明的发明优点是天线单元之间互耦小，特别是当MIMO天线的各单元间距在0.5倍波长之内。发明实例各天线单元的反射系数和耦合系数的测量S参数值如图5所示。各天线单元端口之间的传输系数S参数小于-8.5dB。因此各天线单元所在数据链路的独立性好，结合时空编码技术、MIMO系统具有更大的信道容量，这一点在文献[Arogyaswami j.Paulraj，Dhananjay a.Gore，Rohit u.Nabar，Helmut blcskei，“An Overview of MIMO Communications-AKey to Gigabit Wireless”，IEEE Proceedings，pp.198，2004]已经说明。

本发明的发明优点是地面缩短型PIFA天线单元中电流分布强的地平面长度约0.15倍波长，这样天线单元可以被安排的互相靠近、特别是间距在0.5倍波长之内，同时互耦小、辐射效率高。MIMO天线的第i个天线单元的辐射效率η_i可以由公式1计算得到：

${\mathrm{\η}}_i=1-{\left|S_{\mathrm{ii}}\right|}^2-\underset{i\≠j}{\mathrm{\Σ}}{\left|S_{\mathrm{ji}}\right|}^2---\left(1\right)$

其中S_ii是第i个天线单元的反射系数，S_ji是第i个天线单元到第j个天线单元的传输系数的S参数。S_ji越小耦合系数越小，天线辐射效率越高。本发明实例中各天线单元的辐射效率如图6所示。带内天线平均辐射效率大于0.8。

附图说明

图1，本发明的布置实例。

图2，本发明的实施图：a：不带过孔的；b：带有过孔的十字扩展金属地平面的；c：带地平面割缝和过孔接地的十字扩展金属地平面的。

图3，带有过孔的地面缩短型平面反转F天线单元结构示意图。

图4，本发明各单元天线的辐射方向图。

图5，本发明各单元天线的测量S参数值：a：单元天线2a端口数据，b：单元天线2b端口数据，c：单元天线2c的端口数据，d：单元天线2d的端口数据。

图6，本发明实施的辐射效率曲线图。

图7，本发明实施的具体布置图：a：天线单元尺寸；b：天线系统尺寸。

具体实施方式

本发明设计的MIMO天线安装在印刷电路板上，以地面缩短型PIFA天线作为MIMO天线的单元。图1给出了MIMO天线的一种安排方法实例。1是印刷电路板，2a、2b、2c、2d分别是MIMO天线单元。

印刷电路板的背面是金属层3，4个地面缩短型PIFA天线单元安装在印刷电路板的正面上，由印刷电路板的正面上的一层金属来充当，或者平行于印刷电路板的正面；相邻天线单元的地平面的相同边互相垂直，所述相同边是指在所述平面反转F天线单元上的几何位置相同的边。

本发明设计PIFA天线单元2a和2b、2d互相垂直，2c和2b、2d互相垂直，2a和2c关于各自相同点连线的中点180±10度旋转对称，2b和2d关于各自相同点连线的中点180±10度旋转对称，所述相同点是指在所述平面反转F天线单元上的几何位置相同的点。MIMO天线实例的三维结构图如图2(a)所示。

天线单元2a和2c的馈电点间距、2b和2d的馈电点间距大于0.25倍工作波长。

本设计方法的发明特征还包括一个过孔接地的十字型扩展金属地平面选项，如图2(b)所示。十字型扩展地平面4由印刷电路板的正面上的一层金属来充当。过孔们5连接扩展地平面4和印刷电路板背面的金属层3。

本设计方法的发明特征还包括一个印刷电路板的背面金属地平面割缝的选项，如图2(c)所示。在两个天线单元之间的割缝6可以减少单元之间地电流造成的耦合。

本发明设计的MIMO天线使用地面缩短型PIFA天线作为天线单元，这是一种已有的改进型PIFA天线，结构如图3所示。这种天线单元由导体地平面2a-1、平行于地平面的导体辐射平面2a-2、垂直于地平面且连接地平面与辐射平面的导体短路面2a-3、垂直于地平面且连接射频馈线与辐射平面的导体馈线柱2a-4组成。

选用了地面割缝和用过孔接地的十字扩展金属地平面和地面缩短型PIFA天线单元的尺寸实例如图7所示，所有单位都是毫米。

天线单元2a的地平面和金属层3用过孔(2a-5)连接，其他单元用其对应过孔连接。

天线单元2a的导体馈线柱2a-4连接同轴射频馈线内导体和导体辐射平面，同轴馈线外导体连接印刷电路板背面的金属层3，其他单元用其对应馈线柱连接射频馈线。射频馈线可以是同轴线，微带线，带线。

各天线单元连接的射频馈线连接到MIMO系统的各个射频链路的收发端口。

该MIMO系统使用时空编码技术。

本发明实例工作在2250-2300MHz，其各天线单元的辐射效率如图6所示，在天线单元间距小于0.5倍波长的情况下，用测量S参数按照公式(1)计算的天线单元辐射效率在75％以上，平均效率大于80％。MIMO各天线单元的仿真方向图如图4所示，具有较宽的波瓣，在一个平面内接近全向。各天线单元的朝向不同，各单元的极化方向也不同，因此上述的MIMO天线具有极化分集性能。

Claims (3)

1.用于多输入多输出无线通信终端的四平面反转F天线系统，其特征在于：

所述天线系统含有：

印刷电路板(1)，该印刷电路板的背面是金属层；

四个地平面缩短型平面反转F天线单元，其中每个所述的平面反转F天线单元含有：

导体地平面，该地平面是贴在所述印刷电路板正面且平行于该印刷电路板背面金属层的金属贴片或者一层金属，其长度和宽度小于或者等于所述平面反转F天线的工作频率对应的自由空间传播波长的0.2倍；

导体辐射平面，该辐射平面平行于所述导体地平面，而且该辐射平面的长度和宽度都小于天线工作波长的0.25倍；

导体短路面，该短路面垂直于所述地平面且连接所述地平面与辐射平面；

导体馈线柱，该馈线柱垂直于地平面且连接射频馈线的内导体与所述辐射平面，射频馈线的外导体和印刷电路板背面的金属层相连；

所述导体辐射平面的长度减去导体地平面的长度，再除以导体辐射平面的长度，其值大于0.2；

所述四个地平面缩短型平面反转F天线分别位于第一、第二、第三、第四共四个象限，所述四个地平面缩短平面反转F天线中，相邻两个所述平面反转F天线单元的导体地平面的相同边彼此垂直，相邻两个所述平面反转F天线单元的间距等于彼此所述地平面之间的垂直距离，该距离在所述平面反转F天线单元的工作波长的0.1～0.5倍波长之间，所述相同边是指在所述平面反转F天线单元上的几何位置相同的边；处于第一、第三两个象限的平面反转F天线单元的馈电点间距、处于第二、第四两个象限的平面反转F天线单元的馈电点间距都大于所述平面反转F天线工作波长的0.25倍；处于第一、第三两个象限的平面反转F天线单元关于各自相同点连线的中点呈180±10度旋转对称，处于第二、第四两个象限的平面反转F天线单元关于各自相同点连线的中点在同一水平面上呈180±10度旋转对称，所述相同点是指在所述平面反转F天线单元上的几何位置相同的点。

2.根据权利要求1所述的用于多输入多输出无线通信终端的四平面反转F天线系统，其特征在于：

所述各平面反转F天线单元还包括一个过孔接地的十字型扩展金属地平面，所述十字型扩展金属地平面由所述印刷电路板的正面上的一层金属来充当，或者是平行于所述印刷电路板正面的金属平面；所述十字型扩展金属地平面位于所述各平面反转F天线单元之间的交叉十字路口，且十字型扩展金属地平面的各条边分别与所述各平面反转F天线单元相连；所述各过孔连接所述十字型扩展金属地平面和所述印刷电路板背面的金属层。

3.根据权利要求1所述的用于多输入多输出无线通信终端的四平面反转F天线系统，其特征在于：

所述各平面反转F天线单元还包括一个所述印刷电路板的背面金属层的割缝，所述割缝位于第二和第三象限的平面反转F天线单元之间的空白处，用于减少单元之间地电流造成的耦合。

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