CN101030672A - 移动终端四天线系统 - Google Patents

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本发明属于移动终端天线领域，其特征在于，四个平面型单极天线印刷在介质板的正面，并放置在介质板的四个角上，其中，左右分布的天线单元及其馈线对于介质板的纵向对称轴对称排列，上下分布的天线单元在空间上远离，采用极化正交的方式放置；金属地包括用来模拟移动终端中除天线外的其它部分的金属部分，以及用来减小天线单元之间互耦或调整天线单元工作频率的各种地枝结构，该地枝结构对于介质板的纵向对称轴对称排列。本发明具有尺寸小，采用平面印刷工艺，同时采取多种措施减小天线单元之间的互耦，增加天线的阻抗带宽，提高天线的增益，能够应用于MIMO无线通信系统中。

Description

移动终端四天线系统
技术领域
本发明属于移动终端天线设计领域，特别涉及一种用于多输入多输出无线通信系统移动终端中的四天线系统结构设计。
背景技术
移动通信环境中存在多个散射体、反射体，在无线通信链路的发射与接收端存在多条传播路径，多径传播对通信的有效性与可靠性造成了严重的影响。研究表明，可以利用多径引起的接收信号的某些空间特性实现接收端的信号分离。多输入多输出(MIMO)技术在通信链路两端均使用多个天线，发端将信源输出的串行码流转换成多路并行子码流，分别通过不同的发射天线阵元同频、同时发送，接收方则利用多径引起的多个接收天线上信号的不相关性从混合信号中分离估计出原始子码流。这样相当于频带资源重复利用，因而可以在原有的频带内实现高速率的信息传输，使频谱利用率和链路可靠性极大的提高。MIMO系统可以提供分集增益(Diversity Gain)和复用增益(Multiplexing Gain)，
多天线系统的分集增益用来对抗多径引起的小尺度衰落。同一信号多个复本经过几条独立的衰落链路后被接收，这些链路中的一条或几条在同一时刻以很大的概率处于不同的衰落状态。在接收端按照一定的准则对这些相互独立的信号进行加权合并，增强接收信号效果。
空分复用同样需要在链路两端都配备多天线。其思想是利用传播环境中丰富的多径分量，多个数据通道共用一个频率带宽，从而使信道容量呈线性(与天线个数成正比)增加，而不需要额外带宽或功率消耗。
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、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中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形天线等。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
本发明的目的是为了克服在复杂的无线多径传播环境下，已有的移动通信终端中采用单个天线的性能的不足之处，提供一种用于多输入多输出无线通信系统移动终端中的四天线系统结构设计。通过将四个平面单极天线放置在介质板的四个角上，采用极化正交的方式或利用增加有效地枝的方式来控制各个天线单元之间的耦合，从而提高天线的效率。本发明利用了天线的空间、极化和方向图分集技术；采用印刷电路板(PCB，Printed Circuit Board)的平面加工工艺，使天线更易于与系统集成，并大幅度降低天线的制造成本。
本发明的特征在于：
所述四天线系统含有：
介质板，所述介质板成矩形，用来模拟无线通信系统移动终端中电路和天线部分所使用的介质板。
金属地，印刷在所述介质板的背面，该金属地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金属部分，以及用来减小天线之间互耦或调整天线工作频率的各种地枝结构；所述的金属地中的地枝结构对于所述介质板的纵向对称轴对称排列。
四个平面型单极天线及相应的微带馈线，印刷在所述介质板的正面；所述的四个平面型单极天线放置在介质板的四个角上；所述的四个平面型单极天线中左右分布的天线单元及其馈线对于所述介质板的纵向对称轴对称排列；所述的四个平面型单极天线中上下分布的天线单元采用不同的主极化方向。
本发明具有较小的尺寸，并且采用平面印刷工艺，可以应用于移动终端中；本发明采用多种措施有效减小天线单元之间的互耦，同时天线的阻抗带宽较宽，增益较高，可以应用于MIMO无线通信系统中。
附图说明
图1为本发明提供的一种用于移动终端的平面四天线系统三维结构图。
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13的结构实施实例尺寸图。
图6为图1的B向视图中天线单元c和馈线15的结构实施实例尺寸图。
图7为图1的C向视图中天线的金属地2的结构实施实例尺寸图。
图8为图5、图6、图7的实施实例的四个天线单元的测量的反射系数(S参数)图：——：Saa，Sbb；---：Scc，Sdd。
图9为图5、图6、图7的实施实例的四个天线单元之间的测量的耦合系数(S参数)图：——：Sab，Sba；---：Sac、Sca、Sbd、Sdb。
图10为图5、图6、图7的实施实例的四个天线单元之间的测量的耦合系数(S参数)图：——：Sad、Sda、Sbc、Scb；---：Scd，Sdc。
图11为图5、图6、图7的实施实例的天线单元a，b的效率图(忽略了介质及金属的损耗)。
图12为图5、图6、图7的实施实例的天线单元c，d的效率图(忽略了介质及金属的损耗)。
图13为图5、图6、图7的实施实例的天线单元a、b、c、d其中一个接2.05GHz(UMTS频段的中心频率)的激励，其余三个接50欧姆匹配负载时，x-y平面的功率增益方向图(
Figure A20071006429300051
: θ分量功率增益方向图；
Figure A20071006429300052
：分量功率增益方向图；
Figure A20071006429300053
：总功率增益方向图)：(a)：天线单元a接2.05GHz激励，天线单元b、c、d接50欧姆匹配负载；(b)：天线单元b接2.05GHz激励，天线单元a、c、d接50欧姆匹配负载；(c)：天线单元c接2.05GHz激励，天线单元a、b、d接50欧姆匹配负载；(d)：天线单元d接2.05GHz激励，天线单元a、b、c接50欧姆匹配负载。
具体实施方式
表1为图5、图6图7的实施实例的天线单元a、b、c、d，其中一个接2.05GHz(UMTS频段的中心频率)的激励，其余三个接50欧姆匹配负载时，在典型环境下(交叉极化率Γ＝0dB代表典型的室内多径环境，Γ＝6dB代表典型的室外多径环境)每个天线单元的平均有效增益(Mean Effective Gain)。
表2为图5、图6图7的实施实例的天线单元a、b、c、d其中一个接2.05GHz(UMTS频段的中心频率)的激励，其余三个接50欧姆匹配负载时，各个天线单元之间的包络相关系数。
本发明提供了一种无线通信系统特别涉及MIMO通信系统移动终端中的四天线系统，实现了平面结构，易集成，低成本的天线结构，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、b、c、d(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，曲折线11构成天线单元c，曲折线12构成天线单元d)及相应的微带馈线13、14、15、16，所述的天线的金属地2是指PCB的两个面中不含四个天线单元a、b、c、d和馈线13、14、15、16的那个金属面。其特征在于，四个天线单元分别位于PCB的四个角上，其中左右排列的天线单元(天线单元a，b或天线单元c，d)的结构及尺寸相对于PCB的一个对称面y-z平面对称放置，上下排列的天线单元(天线单元a，c或天线单元b，d)在空间上相互远离，并且按主极化正交的方式放置。天线单元a和b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中的耦合区域9用于实现将部分能量传递到背面地板上的倒L地枝17上，使倒L地枝17与天线单元a中的分枝3，5构成多个长度相差不大的电流路径，从而展宽天线单元a的谐振带宽，分枝7放置在馈线的另一侧，用于微调天线单元a的谐振带宽和端口阻抗。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。天线单元c和d分别由曲折线11和12构成，曲折线的末端与附近的地板边缘平行，从而构成了电容加载，能够有效的缩短天线单元c和d的谐振长度。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金属部分和T形结构19，倒L结构17，18以及地枝20，21，其中T形结构19与主地板一起分别在天线单元a和b的背面形成一个窄缝隙，该结构类似于缝隙天线，能将地板上电流所携带的能量以辐射的方式消耗掉，从而减小各个天线单元之间的地电流耦合，增加天线单元的辐射效率；倒L结构17，18能分别通过天线单元a，b上的耦合区域9，10耦合部分能量，用来调整天线单元a，b的谐振带宽；地枝结构20，21通过调整其长度以及与主地板之间的距离来分别控制天线单元c，d的谐振带宽。
所述的四个天线单元a、b、c、d及相应的馈线13、14、15、16(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)。
为了说明本发明提供的一种无线通信特别涉及MIMO通信系统移动终端的四天线系统的性能，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4.4，各部分尺寸如图5、图6、图7所示。
以图5、图6、图7所示尺寸测量的四个天线单元的反射系数(Saa、Sbb、Scc、Sdd)如图8所示；测量的各个天线单元之间的隔离系数(Sab、Sba、Sac、Sca、Sbd、Sdb、Sad、Sda、Sbc、Scb、Scd、Sdc)如图9，10所示(图9表示出Sab、Sba、Sac、Sca、Sbd、Sdb；图10表示出Sad、Sda、Sbc、Scb、Scd、Sdc)；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11，12所示(图11表示出天线单元a和b的效率；图12表示出天线单元c和d的效率)；天线单元a、b、c、d其中一个接2.05GHz(UMTS频段的中心频率)的激励，其余三个接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)分别如图10中的(a)、(b)、(c)、(d)所示；天线单元a、b、c、d其中一个接2.05GHz(UMTS频段的中心频率)的激励，其余三个接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)每个天线单元的平均有效增益(MeanEffective Gain)和各个天线单元之间的包络相关系数分别如表1和2所示。在本例中，由图8可看出，由于结构对称，天线单元a和b的反射系数(即Saa和Sbb)相同，天线单元c和d的反射系数(即Scc和Sdd)相同，四个天线单元的工作频率均覆盖了UMTS(1920～2170MHz)频段，其中测量的天线单元a，b的-10dB带宽(定义为Saa，Sbb＜-10dB)为1880～2200MHz，测量的天线单元c，d的-10dB带宽(定义为Scc，Sdd＜-10dB)为1860～2220MHz；由图9，10可看出，天线单元在UMTS频段内的耦合系数(即Sab、Sba、Sac、Sca、Sbd、Sdb、Sad、Sda、Sbc、Scb、Scd、Sdc)均控制在很低的水平；由图11可看出，天线单元a，b在UMTS频段的效率高于84.3％；由图12可看出，天线单元c，d在UMTS频段的效率高于90％；由图13可看出，工作在2.05GHz时，天线单元a、b、c、d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1，2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、c、d在2.05GHz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0.3，故能提供较高的分集增益，同时满足MIMO通信系统对移动终端多天线的要求。
  天线单元a   天线单元b   天线单元c   天线单元d
  MEG(Г＝0dB)(dBi)   -6.2672   -5.9312   -5.8236   -5.6703
  MEG(Г＝6dB)(dBi)   -5.9981   -5.6928   -6.3545   -5.5972
                   表1.各个天线单元的平均有效增益(MEG)
ρab mc，ρba mc ρac mc，ρca mc，ρbd mcρdb mc ρad mc，ρda mcρbc mc，ρcb mc ρcd mc，ρdc mc
0.0081 0.0079 0.0034 0.263
         表2.各个天线单元之间的包络相关系数

Claims (3)

1.移动终端四天线系统，其特征在于，所述系统含有：
介质板，所述介质板成矩形，用来模拟无线通信系统移动终端中电路和天线部分所使用的介质板；
金属地，印刷在所述介质板的背面，该金属地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金属部分，以及用来减小天线之间互耦或调整天线工作频率的各种地枝结构；所述的金属地中的地枝结构对于所述介质板的纵向对称轴对称排列；
四个平面型单极天线及相应的微带馈线，印刷在所述介质板的正面；所述的四个平面型单极天线放置在介质板的四个角上；所述的四个平面型单极天线中左右分布的天线单元及其馈线对于所述介质板的纵向对称轴对称排列；所述的四个平面型单极天线中上下分布的天线单元采用不同的主极化方向。
2.根据权利要求1所述的移动终端四天线系统，其特征在于：按左右分布的天线单元形式一样。
3.根据权利要求1所述的移动终端四天线系统，其特征在于：按上下分布的天线单元在空间上远离，并且采用极化正交的方式放置。
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