CN101359770A

CN101359770A - 移动终端用的宽带双天线系统

Info

Publication number: CN101359770A
Application number: CNA2008102228089A
Authority: CN
Inventors: 郑煊; 杜正伟; 龚克
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2008-09-19
Filing date: 2008-09-19
Publication date: 2009-02-04
Anticipated expiration: 2028-09-19
Also published as: CN101359770B

Abstract

移动通信终端用的宽带双天线系统属于天线技术领域，其特征在于，印刷在印刷电路板正面且各自连接着微带馈线的两个平面型单极天线，相对于该印刷电路纵轴对称排列，且位于该印刷电路板的两个直角部位，互为镜像；印刷在所述印刷电路板背面的金属地，该金属地包括：金属部分，用以模拟所述移动通信终端中除天线以外的其他部分，以及用于减小所述两个平面型单极天线之间的互耦或者调整所述两个平面型单极天线工作频率的地枝结构，所述地枝结构相对于所述印刷电路板的纵轴对称排列，且位于与所述印刷电路板正面上两个平面型单极天线的相对侧。本发明具有小尺寸、小互耦、且天线阻抗带宽很宽的优点。

Description

移动终端用的宽带双天线系统

技术领域

本发明属于移动通信终端用的天线设计技术领域。

背景技术

1886年赫兹发明了天线，他的偶极子发射天线和半波谐振环接收天线工作于8m波长。在随后的一个多世纪中，天线技术飞速发展。1905年马可利用方锥天线首次实现了越洋无线通信。1980年美国国立射电天文台利用甚大阵观测浩瀚的宇宙。1985年全球定位卫星(GPS，Global Position Satellite)利用螺旋天线阵为地面或空中的客户提供位置信息。在今天的中国，各式各样的手机天线已经为5.65亿人提供便利的无线通信服务。

第一代移动通信出现在八十年代，只能提供模拟话音业务。目前正得到广泛应用的第二代移动通信系统实现了话音的数字化，大幅度增加了系统的用户容量。而第二代仍旧不能满足需求，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(Beyond 3G)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。

多输入多输出(MIMO)技术被认为是一项提高频率效率、容量和速率的重大的技术突破。MIMO通信系统在基站和移动终端都采用多根天线，把传统上被认为有害的多径信号作为一个有利因素加以利用，在不增加带宽的情况下，以增加系统复杂性为代价，有效地提高传输速率。

用户希望手机能够同时提供多种业务，例如话音业务、手机电视业务、Internet浏览和GPS定位服务。同时，手机制造商希望一款手机能够工作在多种移动通信系统中，例如UMTS、Bluetooth、WLAN、GPS、PCS、DCS等，以增加该款手机应用灵活性。以上两点要求终端器件能够工作在宽频段或多频段。

移动通信终端用的的单天线形式很多，但支持MIMO并适用于移动通信终端的多天线结构很少。已有的多天线结构为：在双天线系统中，通常使两个天线尽量远离，采用极化正交的方式安装；在三天线系统中，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)；在四天线系统中，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。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，对于尺寸较大的笔记本电脑较为适用，但对于尺寸较小的手机则不适用；在结构方面，由于是三维结构，不容易安装和集成。

因此，设计出小尺寸、小互耦、易集成、支持MIMO并适用于多种移动通信系统的多天线结构，对于MIMO技术的商业化具有重大意义。

发明内容

本发明的目的是为了克服在复杂的无线信道中，现有的移动通信终端采用单天线的性能不足，提供用于多输入多输出无线通信系统的移动通信终端的双天线设计。

本发明的特征在于：所述两天线系统含有：

印刷电路板，印刷在所述印刷电路板背面的金属地，以及印刷在所述印刷电路板正面的两个各自连接有微带馈线的平面型单极天线，其中：

金属地，包括金属部分，用于模拟所述移动通信终端中除天线以外的其他部分，以及减小所述两个平面型单极天线之间的互耦或者调整所述两个平面型单极天线工作频率用的地枝结构，所述地枝结构相对于所述印刷电路板纵轴对称排列。

两个平面型单极天线，相对于所述印刷电路板纵轴对称排列，且位于所述印刷电路板的两个直角部位，互为镜像，且位于所述地枝结构相对侧。

所述的移动通信终端用的宽带双天线系统，其特征在于，所述各个平面型单极天线均由挖在一个矩形辐射单元上的一个贯通的Z形槽，以及被该Z形槽贯通形成的两个子辐射单元构成，其中一个所述的子辐射单元在邻近所述印刷电路板的纵轴部位挖有一个矩形槽，所述微带线的上端连接在所述挖有该矩形槽的一个子辐射单元的底面上。

它克服了现有手机支持MIMO功能的多天线结构的不足。它通过将两个平面天线放置在介质板的两个直角上，采用复杂的地枝结构和辐射平面上的Z形开槽和矩形开槽实现很宽的工作频段。通过对Z形开槽的形状、位置和天线的地枝结构进行联合设计，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。

本发明具有较小的尺寸，并且采用平面印刷工艺，可以应用于手机；本发明最大的优点在于天线的阻抗带宽很宽，同时天线单元之间的互耦较小，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双天线系统三维结构图。

图2为图1的B向视图即天线单元和馈线的结构图

图3为图1的C向视图即金属地的结构图。

图4为图1的B向视图中天线单元和馈线的结构实施实例尺寸图。

图5和图6为图1的B向视图中天线单元和馈线的结构实施实例尺寸图。

图7为图4、图5、图6的实施实例的双天线系统的实测和仿真的反射系数S₁₁随频率变化的曲线。

图8为图4、图5、图6的实施实例的双天线系统的实测和仿真的耦合系数S₁₂随频率变化的曲线。

具体实施方式

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双天线系统，实现了平面结构，易集成，低成本的天线结构。所述两天线系统含有：

印刷电路板；

金属地，印刷在所述印刷电路板的背面，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。

两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；所述平面天线及其馈线对于所述印刷电路板的纵轴对称排列，放置在介质板的两个直角上，互为镜像。

如图1、图2和图3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1，天线单元a、b(辐射单元4、辐射单元10、Z形开槽6及矩形开槽8构成天线单元a，辐射单元5、辐射单元11、Z形开槽7及矩形开槽9构成天线单元b)，及相应的微带馈线2、3。所述的天线的金属地1是指PCB的两个面中不含天线单元a、b和馈线2、3的那个金属面。其特征在于，两个天线单元分别位于PCB的两个角上，两个天线单元尺寸相同，相对于PCB的一个对称面y-z平面对称放置。天线单元a和b均由原本是矩形的辐射单元上挖Z形和矩形槽所构成，其中天线单元a中的Z形开槽6用以在开槽周围形成电流密度较强的电流路径，从而展宽天线单元a的谐振带宽；矩形开槽8用于微调天线单元a电流分布产生2.4G-WLAN的谐振。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中的开槽与天线单元a中的开槽一一对应，结构、尺寸及功能也一一对应。金属地1如图2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主地平面部分和折叠地枝12，倒L结构13以及吸收电流的块状金属14，其中折叠地枝12与辐射单元4耦合，从中获得能量，并将此能量辐射出去。倒L结构13用来微调天线的谐振频率和耦合；块状金属14用来吸收天线a和天线b互相流通的电流，并由此降低了天线a和天线b之间的地电流耦合。

所述的两个天线单元a、b及相应的馈线2、3(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1印制在PCB的另一个面上；两个面的相对位置如图1所示。

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双天线系统的性能，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4、图5、图6所示。

以图4、图5、图6所示尺寸实测和仿真的两个天线单元的反射系数S₁₁(由于天线a和天线b尺寸相同，并互为镜像，所以S₂₂和S₁₁相等，这里略去S₂₂)如图7所示；实测和仿真的两个天线单元之间的隔离系数S₁₂如图8所示；由图7可看出，天线单元的-10dB阻抗频带为1740~2740MHz，覆盖了PCS(1850~1990MHz)、UMTS(1920～2170MHz)和2.4G-WLAN(2400~2484MHz)频段。由图8可看出，天线单元在频段内的耦合系数S₁₂控制在-10dB以下；另外，通过对三维功率增益方向图的仿真发现，工作在2.05GHz和2.42GHz时，天线单元a、b的三维功率增益方向图基本互补，可以实现方向图分集，满足MIMO通信系统对移动终端多天线的要求。

Claims

1.移动通信终端用的宽带双天线系统，其特征在于，含有：印刷电路板，印刷在所述印刷电路板背面的金属地，以及印刷在所述印刷电路板正面的两个各自连接有微带馈线的平面型单极天线，其中：

2.根据权利要求1所述的移动通信终端用的宽带双天线系统，其特征在于，所述各个平面型单极天线均由挖在一个矩形辐射单元上的一个贯通的Z形槽，以及被该Z形槽贯通形成的两个子辐射单元构成，其中一个所述的子辐射单元在邻近所述印刷电路板的纵轴部位挖有一个矩形槽，所述微带线的上端连接在所述挖有该矩形槽的一个子辐射单元的底面上。