CN101673873B

CN101673873B - 用于移动终端的平面型两天线系统

Info

Publication number: CN101673873B
Application number: CN 200910093530
Authority: CN
Inventors: 刘磊; 杜正伟
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2009-10-12
Filing date: 2009-10-12
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2029-10-12
Also published as: CN101673873A

Abstract

用于移动终端的多频平面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，包括两个带环路结构的平面折叠单极子天线单元及其馈线，相对于PCB板的纵轴对称排列；金属地，包括用于模拟无线通信系统移动终端中除天线外的其他部分的矩形金属部分，变形的双倒L形结构作为容性馈电的背靠背放置的PIFA天线，用于增加谐振频点扩展带宽，以及位于变形的双倒L形结构之间的短路线，用于减小两天线单元之间互耦。本发明具有低互耦、低成本、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

随着现代移动通信系统的发展，新增了众多涉及话音、数据、图像及多媒体等的服务业务，这不仅对系统的容量和质量提出了更高的要求。然而通信技术的发展和各种通信设备的使用，使得通信环境越来越复杂和恶劣，频谱资源不足的矛盾日益加剧，这大大激发了人们对有效利用现有有限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。如何改善天线的方向性、尺寸、带宽(多频段)、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多频平面型两天线系统的结构设计。它克服了现有无线通信移动终端支持MIMO功能的多天线结构的不足，通过对天线单元位置的对称排列和天线的金属地进行联合设计，减小天线单元之间的相关性、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(PCB，Printed Circuit Board)加工工艺，使天线成本很低。

本发明的特征在于，含有：介质板、辐射天线单元及相应的微带馈线、以及金属地，其中：

介质板，呈矩形，是一块印刷电路板，

两个辐射天线单元及相应的微带馈线，印制在所述印刷电路板的正面；所述的两个天线单元形式一样，都是带环路结构的平面折叠单极子天线单元，这两个天线单元及其馈线相对于所述的印刷电路板的纵轴对称，

金属地，印制在所述印刷电路板背面，该金属地包括用于模拟无线通信系统移动终端中除天线外的其他部分的矩形金属部分，变形的双倒L形结构可作为容性馈电的背靠背放置的PIFA天线，以及位于变形的双倒L形结构之间的用于减小两天线单元之间互耦的短路线。

本发明具有宽频带、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。

附图说明

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向视图即天线单元和馈线的结构图(图中实线框部分为PCB及背面金属地结构在这个面上的投影)。

图4为图1的C向视图即即金属地的结构图。

图5为本发明天线的辐射天线单元结构实施实例尺寸图(B向视图，左右对称结构)，单位均为毫米(mm)。

图6为本发明天线的地枝结构实施实例尺寸图(C向视图，左右对称结构)，单位均为毫米(mm)。

图7为图5、图6的实施实例的多频平面两天线系统的单元反射系数(S参数)图。

图8为图5、图6的实施实例的多频平面两天线系统的单元之间耦合系数(S参数)图。

图9为图5实施实例的多频平面两天线系统中一个天线单元接2.05GHz或2.45GHz的激励，另一个天线单元接50欧姆的匹配负载时，在x-y、x-z和y-z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)：9.1a-9.1c依次为天线单元a接2.05GHz激励，天线单元b接匹配负载时在x-y、x-z和y-z三个平面的功率增益方向图；9.2a-9.2c依次为天线单元b接2.05GHz激励，天线单元a接匹配负载时在x-y、x-z和y-z三个平面的功率增益方向图；9.3a-9.3c依次为天线单元a接2.45GHz激励，天线单元b接匹配负载时在x-y、x-z和y-z三个平面的功率增益方向图；9.4a-9.4c依次为天线单元b接2.45GHz激励，天线单元a接匹配负载时在x-y、x-z和y-z三个平面的功率增益方向图。

表1为图5、图6的实施实例的两个双频平面型天线单元其中一个接2.05GHz或2.45GHz的激励，另一个接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)的平均有效增益(Mean Effective Gain)和两个双频平面型天线单元的包络相关系数，以及两天线系统在采用选择合并技术时的分集增益(累计时间百分比为1％)。

对附图中的标示说明如下

1、2为1.5mm宽的微带馈线；a为左侧天线单元，由折叠单极子结构3和形成环路结构的桥5一起构成；b为右侧天线单元，由折叠单极子结构4和形成环路结构的桥6一起构成；7为左侧天线单元a与左半地枝之间的耦合结构；8为右侧天线单元b与右半地枝之间的耦合结构；9为左半地枝的变形的倒L形结构；10为右半地枝的变形的倒L形结构；11为左右地枝之间的去耦短路线；12为金属地；13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，天线单元a和b(折叠单极子结构3和环路桥5构成天线单元a，折叠单极子结构4和环路桥6构成天线单元b)，左侧天线单元a与左半地枝之间的耦合结构7，右侧天线单元b与右半地枝之间的耦合结构8，左半地枝的变形的倒L形结构9，右半地枝的变形的倒L形结构10，左右地枝之间的去耦短路线11，金属地12。

其特征在于，两个天线单元结构a，b左右镜像对称且尺寸相同，每个天线单元由一个折叠单极子结构和一个环路桥构成(折叠单极子结构3和环路桥5构成天线单元a，折叠单极子结构4和环路桥6构成天线单元b)；其中天线单元a的折叠单极子结构3用于构成一个较长的电流路径，实现天线的低频谐振，而由通过环路桥5的较短电流路径实现天线的高频谐振。金属地12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矩形金属部分，耦合结构7和8，变形的双倒L形结构9和10以及变形的双倒L形结构之间的短路线11；天线单元a通过耦合结构7对变形的倒L形结构9进行容性馈电，这样可将左半部分地枝结构视作容性馈电的PIFA天线，从而增加谐振频点扩展带宽。为了减小两个天线单元之间的互耦，在变形的双倒L形结构之间引入了短路线11，它在两个背靠背的PIFA天线之间引入了新的电流通路，这可以改变地电流和天线单元近场的分布，从而控制及增加天线单元a和b之间的隔离度。

所述的多频平面型天线系统的两个天线单元a、b和其对应微带馈线1、2(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的正面上部的两侧；天线的金属地12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板及金属地结构在图所示结构所在面上的投影)。

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.

除了天线单元外，天线的金属地实际上也参与辐射电磁波，也是天线的重要组成部分，本发明中把结构分为天线单元和天线的金属地两部分只是为了描述方便。因此在天线的结构设计中，特别是最后调整尺寸阶段，应根据对天线电特性的要求，对两部分结构的尺寸都进行调整，以得到最优性能。

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、图6所示，图中所有尺寸的单位均为毫米(mm)。

以图5、图6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7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8所示。由图7可看出，单元反射系数S₁₁的-10dB阻抗频带为1550～2770MHz；由图8可看出，单元之间耦合系数S₂₁在-10dB以下的频带为1660～2940MHz；则以S₁₁＜-10dB且S₂₁＜-10dB定义的天线系统工作频带为1660～2770MHz，覆盖DVB-H US(1670～1675MHz)、DCS(1710～1880MHz)、PCS(1850～1990MHz)、UMTS(1920～2175MHz)、2.4GHz WLAN(2400～2484MHz)和WiMAX(2500～2700MHz)频段。另外，如图9所示，通过实测的功率增益方向图可看出，工作在2.05GHz和2.45GHz时，平面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；由表1可看出，在两个不同的典型环境下(Γ＝0dB和Γ＝6dB)，天线单元a、b在2.05GHz和2.45GHz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0.1，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。

频率(GHz)	包络相关系数ρ_eab ^mc	平均有效增益(天线单元a)(Γ＝0dB)(dBi)	平均有效增益(天线单元b)(Γ＝0dB)(dBi)	平均有效增益(天线单元a)(Γ＝6dB)(dBi)	平均有效增益(天线单元b)(Γ＝6dB)(dBi)	分集增益(1％)(dB)
							2.05	0.0018	-3.7497	-4.0860	-3.7753	-4.3518	9.9743
2.45	0.0073	-3.3141	-3.6996	-3.1773	-3.6423	9.9623

表1

Claims

1.移动终端多频平面两天线系统，其特征在于，含有：介质板、辐射天线单元、微带馈线、以及金属地，其中：

介质板，呈矩形，是一块印刷电路板，

金属地，印制在所述印刷电路板背面，该金属地包括用于模拟无线通信系统移动终端中除天线外的其他部分的矩形金属部分，变形的双倒L形地结构作为容性馈电的背靠背放置的PIFA天线，以及位于双倒L形地结构之间的用于减小两天线单元之间互耦的短路线。

2.根据权利要求1所述的用于移动终端的多频平面两天线系统，其特征在于：所述的多频平面两天线采用的介质基片厚度为0.8mm、相对介电常数为4.4。

3.根据权利要求1所述的用于移动终端的多频平面两天线系统，其特征在于：所述金属地中用来模拟无线通信系统中除天线外的其他部分的金属部分的尺寸为长70mm×宽50mm。