CN101577366A - 用于移动终端的可重构双天线系统 - Google Patents

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Abstract

用于移动终端的可重构式双天线系统属于移动终端多天线领域，其特征在于：所述可重构天线系统印制在印刷电路板上，包括辐射单元、馈线、直流供电线路和金属地。辐射单元包括寄生辐射结构和单极子结构，用PIN二极管开关连接。该天线规格为25×10×0.8mm3+18×10×0.8mm3，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，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贴片。本发明具有结构紧凑、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双天线结构的特点。

Description

用于移动终端的可重构双天线系统
技术领域
本发明属于移动终端天线设计领域，特别涉及一种用于在复杂通信环境中的移动终端可重构双天线系统结构设计。
背景技术
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，另外，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。只采用单个天线很难在复杂的传播环境中保持很好的性能。需要用可重构天线技术和多入多出(MIMO)技术来提高频谱利用率，提高信噪比，改善通信质量，降低发射功率。
可重构天线技术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。
多入多出技术是利用多天线发射多数据流并由多天线接收实现最佳处理，这种最佳处理是通过空时编码和解码实现的。空时编码技术是同时从空间和时间域考虑设计码字，它的基本原理是在多个天线上同时发送信息比特流所产生的向量，利用发送天线所发送序列的正交性来获得增益。
对于小尺寸的移动终端，由于天线单元占据的空间有限，空间、极化分集的作用有限，天线单元之间的互耦很大，使得天线方向图重构难度大，且天线的效率降低，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、支持方向图可重构功能与MIMO功能的小尺寸移动终端的多天线结构，将使可重构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实现低成本、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：单极子分枝、四个寄生辐射结构贴片、馈线和直流偏置电路，其中：
单极子分枝，有两个，纵向对称地贴在所述介质板正面上方的左、右两个角上，是所述可重构双天线系统的公共分枝，
寄生辐射结构贴片，共四个，印刷在所述介质板的正面，纵向对称地成对分布在介质板顶端两个“L”型的拐角的两条边上；在所述的四个寄生辐射贴片中，上、下分布的所述贴片采用形状相同而尺寸不同的贴片结构，每个所述寄生辐射贴片与所述两个单极子分枝之间分别接有一个PIN开关二极管，
馈线，用微带方式馈电，有两条，沿纵向对称分布，每条所述馈线的馈电点在所述对应的单极子分枝末端，每条所述馈线先向下与纵轴平行，再沿水平方向折向所述介质板的长边，在弯折处，分别接有一个隔直电容，
直流偏置电路，有两条，是连接所述各个寄生辐射结构贴片和所述单极子分枝之间的所述各个开关二极管的直流偏置电路；所述每条电路的一部分位于所述馈线的内侧，由与所述馈线相连的隔交流电感、与和馈线相连的所述隔交流电感的另一端相连的分压电阻、与所述分压电阻另一侧相连的外接电压源依次连接组成；所述该条电路的另一部分分别位于所述相应馈线内、外两侧的两个寄生辐射贴片的下方，由与所述寄生辐射贴片相连的隔交流电感和导线组成，所述该导线的终端通过沉孔接地，所述导线另一端与所述寄生辐射贴片相连的隔交流电感的另一端相连，该电路与所述馈线内侧的电路构成直流偏置电路回路；
金属地，贴于所述介质板的背面，印刷在所述介质板的背面，该金属地用来模拟移动终端中除天线外的其它金属部分。
所述移动终端用的可重构双天线有四种工作模式，列于表1：
  工作模式   PIN1   PIN2   PIN3   PIN4
  工作模式1   导通   导通   断开   断开
  工作模式2   断开   断开   导通   导通
  工作模式3   导通   断开   断开   导通
  工作模式4   断开   导通   导通   断开
表1天线的四种工作模式
本发明具有结构紧凑、易集成的优点，支持方向图可重构和MIMO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。
附图说明
图1为本发明提供的一种无线移动通信终端可重构双天线的三维图。
图2为图1的A向纵向剖面视图。
图3为图1的C向仰视图即天线的金属地结构以及部分尺寸图。
图4为图1的B向俯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为本发明天线的直流馈电线路实例尺寸图。
图7为实施实例的四种工作模式(见表1)下，天线单元之间测量的反射系数(S参数)。
图8为实施实例的四种工作模式(见表1)下，天线单元之间测量的耦合系数(S参数)。
图9为本发明天线工作在2.1GHz时实测的X-Y平面辐射方向图，(a)为模式1(见表1)下X-Y平面实测方向图，(b)为模式2(见表1)下X-Y平面实测方向图，(c)为模式3(见表1)下X-Y平面实测方向图，(d)为模式4(见表1)下X-Y平面实测方向图。
图10为本发明天线工作在2.1GHz时实测的X-Z平面辐射方向图，(a)为模式1(见表1)下X-Z平面实测方向图，(b)为模式2(见表1)下X-Z平面实测方向图，(c)为模式3(见表1)下X-Z平面实测方向图，(d)为模式4(见表1)下X-Z平面实测方向图。
对附图中的标示说明如下
1、2为1.5mm宽的馈线；3、4为单极子分枝结构；5、7为左侧寄生辐射贴片；6、8为右侧寄生辐射贴片；9、10、11、12、13、14为交流电感的焊点；15、16、17、18是电阻焊点；19、20为外接电压源导线的焊盘；21、22、23、24、25、26、27、28为偏置电路导线；29、30、31、32为接地过孔；33为所述天线的背面；L1、L2、L3、L4、L5、L6为22nH隔交流电感；C1、C2为100pF隔直电容；PIN1、PIN2、PIN3、PIN4为开关二极管。
具体实施方式
本发明提出一种无线移动通信终端用的可重构双天线系统，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、直流偏置电路和金属地。其中，辐射单元包括倒单极子分枝辐射单元3、4和寄生辐射单元5、6、7、8，单极子辐射单元和寄生辐射单元之间由PIN二极管连接，如图3所示。在两馈线内侧和寄生辐射单元5、6、7、8的下方是四个PIN二极管的直流偏置电路，其中，金属片9、10、11、12、13、14为电感的焊点，另一端分别焊在寄生辐射单元和馈线上，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19、20为外接电源线焊点，分别外接一个直流电压源，当两电压源都输出+5V电压时，PIN1和PIN2导通，PIN3和PIN4断开，工作在模式1；当两电压源都接输出-5V电压时，PIN1和PIN2断开，PIN3和PIN4导通，工作在模式2；当左侧电压源输出+5V电压，右侧电压源输出-5V电压时，PIN1和PIN4导通，PIN2和PIN3断开，工作在模式3；当左侧电压源输出-5V电压，右侧电压源输出+5V电压时，PIN1和PIN4断开，PIN2和PIN3导通，工作在模式4。金属片15和17、16和18之间分别接100欧姆电阻，为分压电阻；1、2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；29、30、31、32为接地过孔。在介质板的另一面，是天线的金属地平面33，金属地的形状为两顶角分别削去一个“L”型的矩形结构。
本发明的技术方案是这样实现的：该天线的寄生辐射单元结构决定了该天线的公共工作频带。四个寄生辐射贴片中上下分布的单元采用形状相似而尺寸不同的结构，且上面的寄生辐射贴片横向放置，下面的寄生辐射贴片纵向放置，其对应的地平面也分别为横向和纵向的。通过横向地平面和纵向地平面的反射，实现方向图可重构。
本发明中所述的金属地贴片33，用来模拟无线通信系统中除天线外的其它部分，其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，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，可重构双天线有四个可变单元，天线总尺寸为25mm×10mm×0.8mm+18mm×10mm×0.8mm，符合移动终端小型化的要求。
第二，在本发明中，可重构双天线有四种工作方式，每种工作方式的公共带宽为130MHz(2050MHz-2180MHz)，隔离度大于8.86dB，其中2050MHz-2100MHz的隔离度大于10dB。公共阻抗带宽内辐射方向图满足可重构的使用要求。
第三，在本发明中，可重构双天线采用平面结构，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所示尺寸制作的可重构天线的反射系数(S参数)结果如图7、图8所示，由于结构对称，四种模式下的S22与S11基本一致。由图可知，反射小于-10dB时的带宽为130MHz(2050-2180MHz)，隔离度大于8.86dB，其中2050MHz-2100MHz的隔离度大于10dB。图9、图10分别给出可重构双天线工作在2.1GHz时，四种工作模式下的实测辐射方向图。由图可以看出，该天线在四种工作模式下的辐射方向图可以实现重构。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 (4)

1、用于移动终端的可重构双天线系统，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：单极子分枝、四个寄生辐射结构贴片、馈线和直流偏置电路，其中：
单极子分枝，有两个，纵向对称地贴在所述介质板正面上方的左、右两个角上，是所述可重构双天线系统的公共分枝，
寄生辐射结构贴片，共四个，印刷在所述介质板的正面，纵向对称地成对分布在介质板顶端两个“L”型的拐角的两条边上；在所述的四个寄生辐射贴片中，上、下分布的所述贴片采用形状相同而尺寸不同的贴片结构，每个所述寄生辐射贴片与所述两个单极子分枝之间分别接有一个PIN开关二极管，
馈线，用微带方式馈电，有两条，沿纵向对称分布，每条所述馈线的馈电点在所述对应的单极子分枝末端，每条所述馈线先向下与纵轴平行，再沿水平方向折向所述介质板的长边，在弯折处，分别接有一个隔直电容，
直流偏置电路，有两条，是连接所述各个寄生辐射结构贴片和所述单极子分枝之间的所述各个开关二极管的直流偏置电路；所述每条电路的一部分位于所述馈线的内侧，由与所述馈线相连的隔交流电感、与和馈线相连的所述隔交流电感的另一端相连的分压电阻、与所述分压电阻另一侧相连的外接电压源依次连接组成；所述该条电路的另一部分分别位于所述相应馈线内、外两侧的两个寄生辐射贴片的下方，由与所述寄生辐射贴片相连的隔交流电感和导线组成，所述该导线的终端通过沉孔接地，所述导线另一端与所述寄生辐射贴片相连的隔交流电感的另一端相连，该电路与所述馈线内侧的电路构成直流偏置电路回路；
金属地，贴于所述介质板的背面，印刷在所述介质板的背面，该金属地用来模拟移动终端中除天线外的其它金属部分。
2、根据权利的要求，1所述移动终端双天线系统，其特征在于，通过所述四个PIN二极管的通断能改变天线方向图的辐射方向。
3、根据权利的要求，1所述移动终端双天线系统，其特征在于，所述馈线采用微带方式馈电。
4、根据权利的要求，1所述移动终端双天线系统，其特征在于，所述天线结构位于介质板顶端两个“L”型的拐角处。
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