CN101656346B - 用于移动终端的平面型两天线系统 - Google Patents

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Abstract

用于移动终端的平面型两天线系统属于移动终端多天线设计领域，其特征在于：印制在印刷电路板上，包括辐射天线单元、微带馈线、寄生天线单元和金属地。辐射天线单元包括两个槽天线单元，位于印刷电路板的背面；微带馈线位于印刷电路板的正面，横跨在其对应的槽天线单元的上方，并在终端通过过孔接地；寄生天线单元，其作用是减小两个辐射天线单元之间的互耦，包括两个平面L型单极子天线单元，位于印刷电路板的正面；金属地，位于印刷电路板的背面，用于模拟无线通信系统移动终端中除天线外的其他部分。本发明具有低互耦、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

用于移动终端的平面型两天线系统
技术领域
本发明属于移动终端多天线设计领域，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平面型两天线系统的结构设计。 
背景技术
随着人们对高速无线数据传输的需求日益增加，频谱资源不足的矛盾日益加剧，因此这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。 
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有重要的影响。随着MIMO通信系统的出现和发展，与之相对应的多天线设计已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平面型两天线系统的结构设计。它通过增加两个寄生天线单元，减小了辐射天线单元之间的互耦和相关性，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加工工艺，使天线成本很低。 
本发明的特征在于，含有：介质板、辐射天线单元、微带馈线、寄生天线单元、以及金属地，其中： 
介质板，呈矩形，是一块印刷电路板； 
辐射天线单元，包括两个槽天线单元，纵向分布于所述印刷电路板背面的 上方，左右镜像对称； 
微带馈线，共两条，纵向分布于所述印刷电路板正面，分别横跨各自对应的所述槽天线单元，左右镜像对称，并各自在终端通过过孔接地； 
寄生天线单元，包括两个平面L型单极子天线单元，纵向分布于所述印刷电路板正面的所述两条微带馈线上方，左右镜像对称，减小所述两个槽天线单元之间的互耦，在L型弯折处有一个矩形块区域，以调节其匹配和增加带宽； 
金属地，位于所述印刷电路板背面，以模拟无线通信系统移动终端中除天线外的其他部分。 
本发明具有结构紧凑、易集成、低互耦、支持MIMO功能，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。 
图1为本发明提供的一种用于移动终端的平面型两天线系统三维图。 
图2为图1的A向视图即纵向剖面图。 
图3为图1的B向视图即微带馈线和寄生平面L型单极子天线单元的结构图。 
图4为图1的C向视图即槽天线单元和金属地的结构图。 
图5为本发明天线的实施实例尺寸图(B向视图，左右对称结构)，单位均为毫米(mm)(图中实线框部分为背面金属地结构在这个面上的投影，虚线框为介质板的边缘)。 
图6为图5实施实例的平面型两天线系统的单元反射系数(S参数)图。 
图7为图5实施实例的平面型两天线系统的单元之间耦合系数(S参数)图。 
图8.1a、图8.1b、图8.1c、图8.2a、图8.2b、图8.2c为图5实施实例的平面型两天线系统中一个槽天线单元接2.1GHz的激励，另一个槽天线单元接50欧姆的匹配负载时，在y-z、x-z和x-y三个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)：图8.1a-8.1c依次为左侧槽天线单元接2.1GHz激励右侧槽天线单元接匹配负载时在y-z、x-z和x-y三个平面的功率增益方向图；图8.2a-8.2c依次为右侧槽天线单元接2.1GHz激励左侧槽天线单元接匹配负载时在y-z、x-z和x-y三个平面的功率增益方向图。 
对附图中的标示说明如下 
1、2为1.5mm宽的微带馈线；3为左侧槽天线单元；4为右侧槽天线单元；5为左侧微带馈线终端的接地过孔；6为右侧微带馈线终端的接地过孔；7为左侧寄生平面L型单极子天线单元；8为右侧寄生平面L型单极子天线单元；9为金属地；10为所述天线的背面。 
具体实施方式
本发明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平面型两天线系统的结构设计，其三维结构示意图如图1所示。整个天线结构印制在印刷电路板的两个面上，包括微带馈线1、2，左侧槽天线单元3，右侧槽天线单元4，左侧微带馈线终端的接地过孔5，右侧微带馈线终端的接地过孔6，左侧寄生平面L型单极子天线单元7，右侧寄生半面L型单极子天线单元8，金属地9。 
其特征在于，两个槽天线单元3和4位于印刷电路板的背面上部的两侧，左右镜像对称，尺寸相同。槽天线单元由横跨在其上方的微带(阻抗应为50欧姆)进行馈电，微带在终端通过过孔接地。为了降低两个槽天线单元之间的 互耦，增加了两个寄生的平面L型单极子天线单元7和8，位于印刷电路板的正面，左右镜像对称，其中L型弯折处的矩形块区域可以起到调节匹配，增加带宽的作用。金属地9，位于印刷电路板的背面，用于模拟无线通信系统移动终端中除天线外的其他部分。 
本发明的技术方案是这样实现的：首先槽天线单元为1/4波长谐振模式，因此可以根据工作频段选取合适的槽天线单元尺寸；然后寄生平面L型单极子天线单元亦为1/4波长谐振模式，它可以产生反向耦合从而降低总的耦合，因此可以根据工作频段选取合适的寄生平面L型单极子天线单元尺寸；最后，将两个尺寸进行一定的调整和联合设计以满足设计要求。 
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平面型两天线系统的性能，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所示，图中所有尺寸的单位均为毫米(mm)。 
以图5所示尺寸实测的平面型两天线系统的单元反射系数S11(由于结构左右镜像对称，所以S22和S11相等，这里略去S22)如图6所示；实测的平面型两天线系统的单元之间耦合系数S21如图7所示。由图6可看出，单元的-10dB阻抗频带为1945～2140MHz；由图7可看出，在工作频段内单元之间的耦合系数S21在-18.5dB以下。另外，如图8所示，通过实测的功率增益方向图可看出，工作在2.1GHz时，平面型两天线系统左右两个单元的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 (2)

1.用于移动终端的平面型两天线系统，其特征在于，含有：介质板、辐射天线单元、微带馈线、寄生天线单元、以及金属地，其中：
介质板，呈矩形，是一块印刷电路板；
辐射天线单元，包括两个槽天线单元，纵向分布于所述印刷电路板背面的上方，左右镜像对称；
微带馈线，共两条，纵向分布于所述印刷电路板正面，分别横跨各自对应的所述槽天线单元，左右镜像对称，并各自在终端通过过孔接地；
寄生天线单元，包括两个平面L型单极子天线单元，纵向分布于所述印刷电路板正面的所述两条微带馈线上方，左右镜像对称，减小所述两个槽天线单元之间的互耦，在L型弯折处有一个矩形块区域，以调节其匹配和增加带宽；
金属地，位于所述印刷电路板背面，以模拟无线通信系统移动终端中除天线外的其他部分。
2.根据权利要求1所述的用于移动终端的平面型两天线系统，其特征在于：介质板厚度为0.8mm、相对介电常数为4.4，槽天线单元长度为25.3mm，微带馈线宽度为1.5mm，平面L型单极子天线单元长度为26mm。
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