CN101005291B

CN101005291B - 移动终端双频平面两天线系统

Info

Publication number: CN101005291B
Application number: CN200710062860A
Authority: CN
Inventors: 丁元; 杜正伟; 龚克; 冯正和
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2007-01-19
Filing date: 2007-01-19
Publication date: 2010-05-19
Anticipated expiration: 2027-01-19
Also published as: CN101005291A

Abstract

本发明属于无线通信技术的天线设计领域。其特征在于，两个双频平面型天线单元相对于PCB板的纵轴对称排列；本申请中给出的实施实例中采用了平面多枝倒L的天线单元，利用其中的两个分枝实现天线的双频工作，另外一个分枝起调谐谐振带宽及端口阻抗的作用；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形及双倒L形结构；左右两个双频平面型天线单元之间用T形地结构减小其互耦；左右两个双频平面型天线单元可以通过双倒L形地结构来辅助调整低频工作频率；两个双频平面型天线单元及其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

移动终端双频平面两天线系统

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双频平面两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

自赫兹和马可尼发明天线以来，天线在社会生活中的重要性与日俱增。天线可被定义为一种导行波与自由空间中波相互转换的结构。它可以将电子转变为光子，或反之。因此有了天线，或者说有了使用天线的移动终端，人们就可以摆脱“线”的束缚，随时随地进行无线通信。

第一代模拟制式的移动电话出现在20多年前，主要应用于一些专业领域内，比如车载电话、无线列调系统等。在最近的十几年里，第二代数字移动电话得到了迅猛发展，仅GSM就已经开辟了几个用户频段，包括GSM900、GSM1800(DCS)、GSM1900(PCS)。然而随着人们对更多和更高质量的无线数据服务的需求，各国正在大力推动第三代和后三代移动通信的产业化进程。

自上世纪90年代以来，我国的移动通信业一直保持高速发展。随着手机普及率的提高，人们对高速无线数据传输的需求日益增加。然而通信技术的发展和各种通信设备的使用，使得通信环境越来越复杂和恶劣，频谱资源不足的矛盾日益加剧，从而大大激发了人们对有效利用频谱资源的研究兴趣。多输入多输出(MIMO)技术的出现被认为是现代通信史上最重大的技术突破之一。MIMO通信系统在无线通信收发两端分别采用多天线技术，提高频谱利用率，提高信噪比，改善通信质量，极大的提高了通信系统的容量。MIMO无线系统把传统无线通信中认为有害的多径信号作为一个有利因素加以利用，充分利用多径信号的随机衰落特性及多径延迟扩展特性提高系统的传输速率。在不增加信道带宽的条件下(只需增加系统硬件和系统复杂性)，系统容量可大大增加。

为了提高服务质量，用户希望同一通信终端上能够尽可能集成多种无线服务，例如GPS、Bluetooth、WLAN等业务，因此也要求终端器件的多频段工作。

天线作为通信系统的重要组成部分，其性能对整个通信系统的功能有重要的影响。如何改善天线的方向性、尺寸、带宽(多频段)、效率等指标，是必须考虑的问题。随着MIMO通信系统的出现和发展，与之相对应的多天线的设计逐渐成为国内外学者研究的热点。因为移动终端正朝着小的体积，轻的重量，长的待机时间，低的成本和多模多频等方向发展，对于应用在移动终端上的多天线的设计也提出了十分巨大的挑战。

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。已有的多天线结构为：在采用两根天线时，通常使两个天线尽量远离，并且采用极化正交的方式安装；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，增加了一根安装在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，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双频平面两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、减小天线单元之间的互耦，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和方向图分集技术；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移动终端中除天线外的其他部分的矩形金属部分，辅助调整低频工作频率的双倒L形地结构，以及减小两双频平面型天线单元之间互耦的T形地结构；

两个双频平面型天线单元及相应的微带馈线，印制在所述印刷电路板的正面；所述的两个天线单元形式一样，都是平面多枝倒L形天线单元；这两个双频平面型天线单元及其馈线相对于所述印刷电路板的纵轴对称；这两个双频平面型天线单元用所述T形地结构来减小之间的互耦；这两个双频平面型天线单元通过背面地板上的双倒L结构来辅助调整低频工作频率；所述的双频平面型天线单元通过多个分枝来实现双频工作，其中两个分枝使天线单元产生两个谐振频率，第三个分枝用来调谐两个谐振频率的带宽及端口阻抗；所述的双频平面型天线单元中的多个分枝是左右交替，上下交错的。

本发明具有结构紧凑、易集成、支持MIMO功能，双频工作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。

附图表说明

图1为本发明提供的一种用于移动终端的双频平面两天线系统三维图。

图2为图1的A向视图即纵向剖面图。

图3为图1的B向视图即天线单元和馈线的结构图(图中实线框部分为PCB背面金属地结构在这个面上的投影)。

图4为图1的C向视图即金属地的结构图。

图5为图1的B向视图中天线单元a和馈线14的结构实施实例尺寸图，单位均为毫米(mm)。

图6为图1的C向视图中天线的金属地的结构实施实例尺寸图，单位均为毫米(mm)。

图7为图5、图6的实施实例的两个双频平面型天线单元的反射系数(S参数)图：__：测量结果；---：仿真结果。

图8为图5、图6的实施实例的两个双频平面型天线单元之间的耦合系数(S参数)图____-：测量结果；---：仿真结果。

图9为图5、图6的实施实例的两个双频平面型天线单元的效率图(忽略了介质及金属的损耗)。

图10为图5、图6的实施实例的两个双频平面型天线单元其中一个接2.05GHz(UMTS频段的中心频率)或2.44GHz(ISM-2.4GHz频段的中心频率)的激励，另一个接50欧姆匹配负载时，x-y平面的功率增益方向图(

：θ分量功率增益方向图；

分量功率增益方向图；总功率增益方向图)：(a)：天线单元a接2.05GHz激励，天线单元b接匹配负载；(b)：天线单元b接2.05GHz激励，天线单元a接匹配负载；(c)：天线单元a接2.44GHz激励，天线单元b接匹配负载；(d)：天线单元b接2.44GHz激励，天线单元a接匹配负载。

表1为图5、图6的实施实例的两个双频平面型天线单元其中一个接2.05GHz(UMTS频段的中心频率)或2.44GHz(ISM-2.4GHz频段的中心频率)的激励，另一个接50欧姆匹配负载时，在典型环境下(交叉极化率Г＝0dB代表典型的室内多径环境，Г＝6dB代表典型的室外多径环境)的平均有效增益(Mean Effective Gain)和两个双频平面型天线单元的包络相关系数，以及两天线系统在采用选择合并技术时的分集增益(累计时间百分比为1％)。

具体实施方式

本发明提供了一种无线通信特别但不限于用于MIMO通信系统移动终端的双频平面两天线系统，实现了低成本、易集成、电小尺寸及双频工作的天线结构，如图1-图4所示，整个天线结构印制在PCB的两个面上，包括天线的金属地2、天线单元a和b(分枝3、5、7及耦合区域9构成天线单元a，分枝4、6、8及耦合区域10构成天线单元b)和微带馈线14、15，所述的天线的金属地2是指PCB的两个面中不含两个天线单元a，b和馈线14，15的那个金属面。其特征在于，两个天线单元结构a，b及尺寸相对于PCB的一个对称面y-z平面对称排列，即左右各一个天线单元，每个天线单元均由三个分枝和一个耦合区域所构成(天线单元a由分枝3、5、7和耦合区域9构成，天线单元b由分枝4、6、8和耦合区域10构成)，其中天线单元a中的分枝5用于构成一个较短的电流路径，实现天线的高频谐振，耦合区域9用于实现将部分能量传递到背面的倒L地枝11上，使倒L地枝11和分枝3一起实现天线的低频谐振，分枝7放置在馈线的另一侧，用于微调天线单元a在两个频段的谐振带宽和端口阻抗。天线单元a中的分枝3、5、7在z轴方向上相互间隔相互错开。天线单元b与天线单元a关于y-z平面对称，其中天线单元b中的分枝4、6、8及耦合区域10与天线单元a中的分枝3、5、7及耦合区域9一一对应，结构，尺寸及功能也一一对应。金属地2如图4所示，包括用来模拟无线通信系统移动终端中除天线外的其它部分的矩形金属部分和T形结构13以及倒L结构11和12；如图3所示，天线单元a和b之间的最小距离(即天线单元a中的分枝7与天线单元b中的分枝8之间的最小距离)很小，为了减小两个天线单元之间的互耦，在矩形金属地部分之上引入了T形结构13，它可以在地平面上形成两个很窄的缝隙，产生类似于缝隙天线的谐振，这可以改变地电流和天线单元近场的分布，从而控制及增加天线单元a和b之间的隔离度。

所述的两个双频平面型天线单元a、b和馈线14、15(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)印制在PCB的同一个面上；天线的金属地2印制在PCB的另一个面上；两个面的相对位置如图3所示(图3中的线框部分为PCB另一个面上的金属地结构在图所示结构所在面上的投影)。

所述的两个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3所示的天线形式为变形平面多枝倒L形天线。

本发明的技术方案是这样实现的：天线单元a中的分枝3、5和天线单元b中的分枝4、6是主辐射单元，决定天线的主要工作频段，其中分枝3和4分别决定天线单元a和b的低频工作频段，分枝5和6分别决定天线单元a和b的高频工作频段；天线单元a中的分枝7和天线单元b中的分枝8分别为各自天线单元的调谐分枝，主要用于调整天线单元在两个频段内的谐振带宽和端口阻抗；倒L形地结构11、12分别通过耦合区域9、10耦合部分分枝3、4的能量，同时可以分别调整对应天线单元的低频工作频段，调整的幅度由耦合的能量来决定。T形地结构13用来减小图1所示的天线单元a和天线单元b之间的互耦；T形地结构13会改变天线的地电流分布，其作用会改变天线之间的互耦。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移动终端中除天线外的其它部分的金属部分的尺寸；其次根据对天线电特性的要求选定两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形地结构的初步尺寸；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移动终端中除天线外的其它部分的矩形金属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，因为对于具体的移动终端，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50欧姆微带线馈电。

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双频平面两天线系统的性能，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4.4，各部分尺寸如图5、图6所示，图中所有尺寸的单位均为毫米(mm)。

以图5、图6所示尺寸仿真和测量的两个天线单元的反射系数(S_aa、S_bb)和两个天线单元之间的隔离系数(S_ba、S_ab)分别如图7和图8所示；通过测量的S参数计算的天线单元的效率(即指没有考虑介质和金属损耗)如图9所示；天线单元a和b其中一个接2.05GHz(UMTS频段的中心频率)或2.44GHz(ISM-2.4GHz频段的中心频率)的激励，另一个接50欧姆匹配负载时，x-y平面的功率增益方向图(包括θ分量，

分量和总的功率增益方向图)如图10所示；天线单元a和b其中一个接2.05GHz或2.44GHz的激励，另一个接50欧姆匹配负载时，在典型环境下(交叉极化率Г＝0dB代表典型的室内多径环境，Г＝6dB代表典型的室外多径环境)的平均有效增益(Mean Effective Gain)和两天线单元之间的包络相关系数，以及两天线系统在采用选择合并技术时的分集增益(累计时间百分比为1％)如表1所示。在本例中，由图7可看出，由于结构对称，天线单元a和b的反射系数(即S_aa和S_bb)相同，两个天线单元的工作频率均覆盖了UMTS(1920～2170MHz)和ISM-2.4GHz(2400～2484MHz)频段，其测量的-10dB带宽(定义为S_aa，S_bb＜-10dB)为1860～2190MHz和2400～2490MHz 由图8可看出，天线单元在UMTS和ISM-2.4GHz频段内的隔离系数(即S_ba和S_ab)分别低于-13dB和-16dB；由图9可看出，天线单元在UMTS和ISM-2.4GHz频段的效率分别高于87％和78％；由图10可看出，工作在2.05GHz和2.44GHz时，天线单元a和b在x-y平面的功率增益方向图基本互补，可以实现方向图分集；由表1可看出，在两个不同的典型环境下(Г＝0dB和Г＝6dB)，天线单元a、b在2.05GHz和2.44GHz时的平均有效增益之差的绝对值均小于3dB，且天线单元之间的包络相关系数都小于0.1，故能提供较高的分集增益，同时满足MIMO通信系统对终端多天线的要求。

频率(GHz)	包络相关系数ρ<sub>eab</sub><sup>mc</sup>	平均有效增益(天线单元a)(Г＝0dB)(dBi)	平均有效增益(天线单元b)(Г＝0dB)(dBi)	平均有效增益(天线单元a)(Г＝6dB)(dBi)	平均有效增益(天线单元b)(Γ＝6dB)(dBi)	分集增益(1％)(dB)
频率(GHz)	包络相关系数ρ<sub>eab</sub><sup>mc</sup>	平均有效增益(天线单元a)(Г＝0dB)(dBi)	平均有效增益(天线单元b)(Г＝0dB)(dBi)	平均有效增益(天线单元a)(Г＝6dB)(dBi)	平均有效增益(天线单元b)(Γ＝6dB)(dBi)	分集增益(1％)(dB)	2.05	0.0144	-5.66	-5.13	-4.96	-4.36	9.935
2.44	0.0895	-9.52	-8.97	-8.68	-7.90	9.7523	2.05	0.0144	-5.66	-5.13	-4.96	-4.36	9.935

表1

Claims

1.移动终端双频平面两天线系统，其特征在于，所述系统含有：

印刷电路板；

两个双频平面型天线单元及相应的馈线，印制在所述印刷电路板的正面；所述的两个天线单元形式一样，都是平面多枝倒L形天线单元；这两个双频平面型天线单元及其馈线相对于所述印刷电路板的纵轴对称；这两个双频平面型天线单元用所述T形地结构来减小之间的互耦；这两个双频平面型天线单元通过背面地板上的双倒L结构来辅助调整低频工作频率；

每个天线单元均由三个分枝和一个耦合区域所构成，在每个单元中，馈线的一侧放置两个分支，其中靠近上述馈线的分支用于构成一个较短的电流路径，实现天线的高频谐振，耦合区域用于实现将部分能量传递到背面的倒L地枝上，使该地枝与远离上述馈线的分支一起实现天线的低频谐振，在上述馈线的另一侧放置第三个分支，用于微调该天线单元在两个频段的谐振带宽和端口阻抗；上述多个分枝是左右交替，上下交错的。

2.根据权利要求1所述的移动终端双频平面两天线系统，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。