CN101431182B - 移动终端用的可重构天线 - Google Patents

Abstract

用于移动终端的可重构式天线系统属于移动终端天线领域，其特征在于：所述可重构天线系统印制在印刷电路板上，包括可变辐射单元、馈线、直流供电线路和金属地。辐射单元包括可变辐射结构和公共单元结构，用PIN二极管开关连接。该天线高度为10mm，由50欧姆微带线馈电。辐射单元下方的直流偏置电路控制PIN二极管的通断，直流通路中采用隔交流电感阻止辐射单元上的交流电通过。金属地是该电路板两个面中不含天线辐射单元的那个金属面，包括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贴片和两个F形金属贴片。本发明具有多频带、结构紧凑、易集成的优点，支持方向图可重构功能，并适用于移动通信终端特别是小尺寸移动终端的可重构天线结构的特点。

Description

移动终端用的可重构天线

技术领域

本发明属于移动终端可重构天线设计领域，特别涉及一种用于在复杂通信环境中的移动终端可重构天线系统结构设计。

背景技术

人类社会已步入信息社会，人们对即时通信的需求越来越高，因此，无线传输技术也将发挥越来越重要的作用。一切无线通信系统都是利用无线电波来进行工作，而无线电波的接收和发射则是依靠天线来完成的。

天线是通信系统的重要组成部分，天线性能可能增强或限制整个通信系统的性能。移动通信系统在功能、容量、质量和服务业务上不断地升级，对移动终端天线提出了越来越高的性能指标要求；同时，天线系统通常工作在复杂的移动传播环境下，电波在空中传播时将受到多方面的衰落，信道受到地形、温度、湿度等环境因素的影响，这些方面都会对通信质量产生不利的影响。

此外，移动终端往往工作在不同频段，目前主要的无线业务的工作频段如DCS(digitalcommunication system，1710-1880MHz)、PCS(personal communication system，1850-1990MHz)、UMTS(universal mobile telecommunication system，1920-2180MHz)、WLAN(wireless local areanetwork，2400-2480MHz)。天线需要宽带/多频段工作，并且尺寸小、易集成、成本低，也是移动终端天线设计的难点。

二十世纪八十年代初，可重构天线的概念得以萌芽。可重构天线是通过引入可变装置(例如PIN二极管开关、MEMS器件)来改变天线辐射单元的相对位置或者电流分布，使天线能根据实际环境需要实时重构天线各种特性，以实现天线工作频段、方向图、极化方式等天线特性的变化，从而为提高无线综合信息系统的容量、扩展系统功能、增加系统工作带宽、提高信噪比等方面提供重要的技术保障。此外，由于可重构天线通过实时改变天线结构来控制辐射方向图，从而仅使用一个或很少几个信号馈入端口，减少了多端口天线系统信号合成的麻烦，也消除了由于多端口信号合成过程引入的信号损耗和噪声。

发明内容

本发明的目的是提供一种实现多频段/宽带、低成本、易集成、电小尺寸的无线移动通信终端天线的结构设计。它可以克服现有无线移动通信终端天线性能、结构的不足，通过在天线辐射单元上加PIN二极管开关的方式，来改变天线的辐射结构，从而改变天线的辐射方向图；它采用平面结构，易于与通信系统集成。

本发明的特征在于，含有：

介质板，该介质板呈矩形，是一块印刷电路板；

辐射单元，贴于所述介质板的正面，所述辐射单元含有：倒“山”字形贴片、可变辐射结构贴片、馈线和直流偏置电路，其中：

倒“山”字形贴片，沿纵向贴在所述印刷电路板正面的顶部中央位置，该倒“山”字形贴片是所述可重构天线系统的公共分枝，

可变辐射结构贴片，纵向对称地贴在所述倒“山”字形贴片的左、右两侧，与所述倒“山”字形贴片之间分别接有一个PIN开关二极管，分别用PIN1、PIN2表示，

馈线，位于所述印刷电路板的正面，该馈线的馈电点在所述倒“山”字形的中央位置，该馈线的阻抗为50欧姆，在该馈线中间的断开处接有一个隔直电容C，在该隔直电容C上方的馈线位置附近接有第三隔交流电感L3，并通过沉孔接地，

两个直流偏置电路，分别在所述两个可变辐射结构贴片的下方，是开关二极管PIN1、PIN2的直流偏置电路，由隔交流电感、电阻和外接电压源依次组成。所述隔交流电感接在所述可变辐射结构贴片下方且邻近处，分别用第一个交流电感L1、第二隔交流电感L2表示，而所述电阻位于所述隔交流电感与外加电压源之间，用于控制通过PIN开关二极管中的电流，分别用第一电阻R1、第二电阻R2表示，

金属地，贴于所述印刷电路板的背面，含有：一片矩形金属贴片和双F型地平面分枝，其中：

双F型地平面分枝，由左、右两个F型地平面分枝背对背构成，处和所述印刷电路板正面的两个可变辐射结构贴片对着的位置上，该双F型地平面分枝决定所述可重构天线系统的最低工作频率，并对天线辐射进行引向或反向，

一片矩形金属贴片，与所述双F型地平面分枝的下端相连，用以模拟所述移动终端中除了所述可重构式天线系统外的其它的金属部分。

本发明具有多频带、结构紧凑、易集成的优点，支持方向图可重构功能，并适用于移动通信终端特别是小尺寸移动终端的可重构天线结构的特点，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多频带无线移动通信终端平面天线的三维图。

图2为图1的A向视图即纵向剖面图。

图3为图1的C向视图即天线的金属地的结构以及部分尺寸图。

图4为图1的B向视图即天线的辐射单元、馈线和直流供电线路的结构图。

图5为本发明天线的辐射结构实例尺寸图(辐射单元为左右对称结构)。

图6为本发明天线的地枝结构实例尺寸图(地枝结构为左右对称结构)。

图7为本发明天线的直流供电线路实例尺寸图(可变单元下方的直流供电线路为左右对称结构，馈线右侧的直流供电线路为直流接地部分)。

图8为图3的实施实例中左面PIN二极管导通，右面PIN二极管断开时的反射系数(S参数)图。

图9为图3的实施实例中右面PIN二极管导通，左面PIN二极管断开时的反射系数(S参数)图。

图10为可重构天线工作在1.8GHz时实测的x-y平面和y-z平面辐射方向图，(a)为左侧PIN二极管导通时X-Y平面实测方向图(b)为右侧PIN二极管导通时X-Y平面实测方向图(c)为左侧PIN二极管导通时X-Z平面实测方向图(d)为右侧PIN二极管导通时X-Z平面实测方向图。

图11为可重构天线工作在1.95GHz时实测的x-y平面和y-z平面辐射方向图，(a)为左侧PIN二极管导通时X-Y平面实测方向图(b)为右侧PIN二极管导通时X-Y平面实测方向图(c)为左侧PIN二极管导通时X-Z平面实测方向图(d)为右侧PIN二极管导通时X-Z平面实测方向图。

图12为可重构天线工作在2.45GHz时实测的x-y平面和y-z平面辐射方向图，(a)为左侧PIN二极管导通时X-Y平面实测方向图(b)为右侧PIN二极管导通时X-Y平面实测方向图(c)为左侧PIN二极管导通时X-Z平面实测方向图(d)为右侧PIN二极管导通时X-Z平面实测方向图。

对附图中的标示说明如下

1为1.5mm宽的馈线；2为左侧可变辐射贴片；3为右侧可变辐射贴片；4为倒“山”字形贴片；5、6、7、8、9都是直流导线；10、11为外接电压源导线的焊盘；12、13、14为隔交流电感L1、L2、L3的一端焊盘，另一端分别焊在贴片2、3和馈线1上；15为接地过孔；16为所述天线的背面；17、18分别为F型地枝的上、下分枝；L1、L2、L3为22nH隔交流电感；C为100pF隔直电容；PIN1、PIN2为开关二极管。

具体实施方式

本发明提出一种可重构多频带无线移动通信终端平面天线，三维结构示意图如图1所示。天线结构印制在介电常数为4.4的FR-4介质板上，包括天线的辐射单元、馈线、直流供电电路和金属地。其中，辐射单元包括倒“山”字形公共辐射单元4和可变辐射单元2、3，公共辐射单元和可变辐射单元之间由PIN二极管连接，如图3所示。在可变辐射单元2、3的下方分别是左右两个PIN二极管的馈电电路，其中，金属片12、13为电感的焊点，另一个焊点在可变辐射单元2、3上，采用22nH的电感，用来防止交流电流入直流回路，烧坏电源；金属片10、11为电源线焊点，外接4V直流电压源；直流导线5、8之间和6、9之间分别接100欧姆的电阻，为分压电阻；1是该辐射单元的馈线(馈线阻抗为50欧姆)，图中采用微带线馈电，也可采用探针等其他方式馈电，馈线的长度可根据馈电点与电源的位置调整；贴片14也是电感焊点，接22nH电感；15为接地过孔。在介质板的另一面，是天线的金属地平面16，在金属地的顶端有两个“F”形的地枝结构。

本发明的技术方案是这样实现的：在辐射单元基本取定的情况下，天线的公共辐射单元4决定了天线的主要工作频带的带宽，可变辐射单元主要影响高频通带。“F”形地枝结构对低频通带有很大影响，其中，改变“F”形地枝的上分枝17的长度，可以调节低频通带的谐振频率，增加“F”形地枝的下分枝18，可以增加低频通带的带宽，同时调节高频通带的谐振频率。辐射结构的改变通过二极管的通断来实现。

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矩形金属贴片16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。

本发明具有以下特点：

第一，在本发明中，可重构天线有两个可变单元，总尺寸为60×10(mm²)，符合移动终端小型化的要求。

第二，在本发明中，可重构天线有两种工作方式，每种工作方式的带宽均可覆盖DCS(1710-1880MHz)、PCS(1850-1990MHz)、UMTS(1920-2180MHz)、WLAN(2400-2484MHz)频带，带内辐射方向图满足可重构的使用要求。

第三，在本发明中，可重构天线采用平面结构，易于与通信系统集成，且印刷在PCB板上，制作简单成本低。

第四；在本发明中，PIN二极管的直流供电电路结构简单，易实现。

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3、图4、图5、图6、图7所示，图中所有尺寸的单位均为毫米(mm)。

以图3、图4、图5、图6、图7所示尺寸制作的可重构天线的反射系数(S参数)结果如图8(左面PIN二极管导通)、图9(右面PIN二极管导通)所示，虽然结构对称，但由于天线两端直流回路器件和PIN二极管的影响，导致S参数不完全一致，由图可知，反射小于-10dB时两个频带的带宽分别为550MHz(1680-2230MHz)和140MHz(2390-2530MHz)，可以完全覆盖DCS(1710-1880MHz)、PCS(1850-1990MHz)、UMTS(1920-2180MHz)、WLAN(2400-2484MHz)频带。图10、图11、图12分别给出可重构天线工作在1.8GHz、1.95GHz、2.45GHz时的实测辐射方向图。由图可见，其辐射特性满足DCS、PCS、UMTS和WLAN的要求。由于其尺寸很小，适合用于移动通信终端比如手机的天线。

Claims (3)

1.用于移动终端的可重构式天线系统，其特征在于，含有：

介质板，该介质板呈矩形，是一块印刷电路板；

辐射单元，贴于所述介质板的正面，所述辐射单元含有：倒“山”字形贴片、可变辐射结构贴片、馈线和直流偏置电路，其中：

倒“山”字形贴片，沿纵向贴在所述印刷电路板正面的顶部中央位置，该倒“山”字形贴片是所述可重构式天线系统的公共分枝，

两个可变辐射结构贴片，纵向对称地贴在所述倒“山”字形贴片的左、右两侧，与所述倒“山”字形贴片之间分别接有一个PIN开关二极管，分别用PIN1、PIN2表示，

馈线，位于所述印刷电路板的正面，该馈线的馈电点在所述倒“山”字形的中央位置，该馈线的阻抗为50欧姆，在该馈线中间的断开处接有一个隔直电容C，在该隔直电容C上方的馈线位置附近接有第三隔交流电感L3，并通过沉孔接地，

两个直流偏置电路，分别在所述两个可变辐射结构贴片的下方，分别是开关二极管PIN1和PIN2的直流偏置电路，由隔交流电感、电阻和外接电压源依次组成，所述隔交流电感接在所述可变辐射结构贴片下方且邻近处，分别用第一隔交流电感L1、第二隔交流电感L2表示，而所述电阻位于所述隔交流电感与外接电压源之间，用于控制通过PIN开关二极管中的电流，分别用第一电阻R1、第二电阻R2表示，

金属地，贴于所述印刷电路板的背面，含有：一片矩形金属贴片和双F型地平面分枝，其中：

双F型地平面分枝，由左、右两个F型地平面分枝背对背构成，处于所述印刷电路板正面的两个可变辐射结构贴片对着的位置上，该双F型地平面分枝决定所述可重构式天线系统的最低工作频率，并对天线辐射进行引向或反向，

一片矩形金属贴片，与所述双F型地平面分枝的下端相连，用以模拟所述移动终端中除了所述可重构式天线系统外的其它的金属部分。

2.根据权利要求1所述的用于移动终端的可重构式天线系统，其特征在于：通过所述两个PIN二极管的通断能改变天线方向图的辐射方向。

3.根据权利要求1所述的用于移动终端的可重构式天线系统，其特征在于：所述馈线采用微带方式馈电。 

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