CN101697380A - 用于无线局域网移动终端的双极化内置槽天线 - Google Patents

Abstract

用于无线局域网移动终端的双极化内置槽天线，属于天线设计领域，其特征在于，在印刷电路板正面的共面波导馈电结构中，可以同时支持奇对称馈电模式和偶对称馈电模式，分别激励可在印刷电路板正面金属地内部的槽天线的水平和垂直两种极化模式，在同一辐射单元实现两种正交极化模式，同时由同一馈电结构的两种正交传输模式激励。本发明具有小型化、宽带、结构紧凑、高隔离度的优点，适用于以无线局域网业务为代表的小型化移动终端多输入多输出系统天线上。

Description

用于无线局域网移动终端的双极化内置槽天线

技术领域

本发明涉及一种用于无线局域网移动终端的双极化内置槽天线设计，特别用于多输入多输出系统的终端中，属于无线通信技术的天线设计领域。

背景技术

自上世纪90年代以来，无线通信技术得到了飞速的发展，无线通信的业务种类随之增长迅速。20多年前的第一代移动通信系统为模拟制式，数据传输速率低，仅仅支持无线语音业务，不支持无线数据业务；当第二代移动通信技术成为主导后，数据传输速率有所提高，在支持语音业务的基础上，增加了低速的数据业务，GSM移动通信网的传输速度可达到9.6K/s。目前，第三代移动通信业务在世界各地迅速发展，其重要特征为高速数据传输速率，可以支持多媒体等高速数据业务，能够处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。于此同时，无线局域网(WLAN)业务也逐步发展，其数据传输速率应该至少在1Mbps以上。为了提供以WLAN为代表的高速无线通信新服务，需要进一步提高无线数据传输速率，目前在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少2M/s、384K/s以及144K/s的传输速度，当然新的业务需要更高的数据率来支持。可以说，随着无线通信业务的发展，对于无线传输速率要求越来越高。

多输入多输出(MIMO)系统是提高无线信道容量的有效方式之一。MIMO系统在通信系统的发射端和接收端分别采用多个天线单元，充分利用无线信号的多径效应，成倍地提高无线通信信道容量，将无线通信中固有的多径衰落缺陷转化为提高信道容量的手段。采用MIMO系统，使得通信系统在信道带宽一定的情况下，可以突破香农容量的限制，是目前乃至未来高速率无线通信的重要方案。同时如何设计MIMO系统，最大限度的提高信道容量。也是目前各界研究的热点。

在典型的MIMO系统中，需要利用多天线间发送或者接收信号的不相关性来提高无线信道信道容量，信号间的不相关性需要天线间足够的距离来保证，通常天线间距离要不小于工作波长的一半，这个要求为当前小型化的移动终端提出了挑战。目前，随着无线通信技术的发展，人们越来越追求移动终端的小型化、便携性，体积大的移动终端在市场是没有竞争力的。天线是无线通信系统的必不可少的组成部分之一，由于天线的性能受到小型移动终端的空间限制，导致在移动终端内实现MIMO系统非常困难。所以在空间受限的条件下，通过MIMO系统提高信道容量，需要探求如何减小天线间的距离和如何减小天线单元体积的办法。

目前，对于空间受限的MIMO系统中如何减小天线间距离的研究有很多，相对有效的办法是通过单天线的多极化代替单极化的多天线。例如利用单天线的两个相互正交的极化，可以代替两个单极化的天线，从而节省了两个天线间的距离。而目前研发的双极化天线通常采用两个辐射单元来产生双极化，造成单天线的体积不够紧凑；为提高双极化之间的隔离度，通常利用两种馈电方式或结构分别激励双极化，或者引入空气桥的技术等，这样造成馈电结构的复杂并且引入插损，不利于天线小型化的设计。如果可以由同一馈电结构激励同一天线单元产生双极化，且不增加其他可以引入损耗的器件，可实现紧凑的天线辐射与馈电结构，是天线单元小型化的有效解决方案。故此类多极化天线可以同时减小天线间的距离和天线单元的体积，将天线应用于无线移动终端MIMO系统中，不但将满足现有无线局域网业务高数据速率的要求，而且可以将此类天线设计方法应用于实现其他无线通信业务的小型设备中，促进未来新业务在无线移动通信中的发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构紧凑、小型化、易集成、设计灵活的无线局域网移动终端双极化内置槽天线的结构设计。该天线采用槽天线的形式，可以同时支持水平和垂直两种正交的极化模式，具有较高的隔离度。通过采用共面波导的奇对称模式和偶对称模式馈电，分别激励所述槽天线的水平和垂直极化模式，实现同一馈电结构的两种正交激励方式，利于馈电单元的小型化设计。这种紧凑的天线单元和馈电单元设计，具有高隔离度的两种极化模式，利用单天线的双极化代替MIMO系统的双天线，克服原有MIMO天线间距大和天线单元体积大的缺点。本发明采用普通的印刷电路板(PCB，printed circuit board)，降低了设计的成本。

本发明的特征在于，含有印刷电路板、刻槽金属地、微带馈线3以及共面波导馈线2，其中：

刻槽金属地，印制在所述印刷电路板的正面，同时，在所述刻槽金属地刻的槽为矩形槽，作为天线的辐射单元，所述矩形槽的横向长度决定水平极化的谐振频率，纵向长度决定垂直极化的谐振频率；

共面波导馈线2，印制在所述印刷电路板的正面，所述共面波导馈线的内导体为阶梯形式，用于与所述矩形槽阻抗匹配，调节所述矩形槽谐振的带宽，所述内导体终端伸入所述矩形槽内部，所述共面波导馈线的外导体为所述刻槽金属地；

微带馈线3，印制在所述印刷电路板的背面，为平面L型馈线，馈线长度用于调节所述微带馈线3与所述共面波导馈线2之间阻抗的匹配。

所述的用于无线局域网移动终端的双极化内置槽天线，其特征在于：由所述微带馈线3馈电时，将能量耦合到所述共面波导馈线2，所述共面波导馈线2工作于奇对称模式，通过所述内外导体的缝隙激励所述矩形槽的水平极化模式。

所述的用于无线局域网移动终端的双极化内置槽天线，其特征在于：由所述共面波导馈线2馈电时，所述共面波导馈线2工作于偶对称模式，通过所述共面波导馈线2内导体激励所述矩形槽的垂直极化模式。

所述的用于无线局域网移动终端的双极化内置槽天线，其特征在于：所述矩形槽的水平极化和垂直极化模式，能分别单独工作，也能同时工作。

本发明具有结构紧凑、小型化、易集成、设计灵活的优点，适用于以无线局域网业务为代表的各种高速率通信新技术小型移动终端内置天线的设计。

附图说明

图1为本发明提供的共面波导馈电的双极化槽天线三维图，深色部分是印刷电路板背面。

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。

图4为图1的C向视图。

图5为图1的A向视图结构的实施实例尺寸图，单位均为毫米(mm)。

图6为图1的B向视图结构的实施实例尺寸图，单位均为毫米(mm)。

图7为图1中B向视图结构中共面波导馈线的实施实例尺寸图，单位均为毫米(mm)。

图8为图1的C向视图结构的实施实例尺寸图，单位均为毫米(mm)。

图9为图5-图8的实施实例的双极化槽天线的S参数测量图：——：微带馈线3馈电时回波损耗(S11)；----：共面波导馈线2馈电时回波损耗(S22)；-●-：隔离度(S21)。

图10为图5-图8的实施实例的双极化槽天线的效率测量图：-■-：微带馈线3馈电时效率；-●-：共面波导馈线2馈电时效率。

图11为图5-图8的实施实例的双极化槽天线的由微带馈线3馈电，共面波导馈线2接50欧姆匹配负载，工作于2.4GHz时的功率增益方向图：(-■-：θ分量功率增益方向图；-●-：分量功率增益方向图)：(a)：X-Y平面功率增益方向图；(b)：X-Z平面功率增益方向图；(c)：Y-Z平面功率增益方向图。

图12为图5-图8的实施实例的双极化槽天线的由共面波导馈线2馈电，微带馈线3接50欧姆匹配负载，工作于2.4GHz时的功率增益方向图：(-■-：θ分量功率增益方向图；-●-：

分量功率增益方向图)：(a)：X-Y平面功率增益方向图；(b)：X-Z平面功率增益方向图；(c)：Y-Z平面功率增益方向图。

具体实施方式

本发明提供一种无线局域网终端的内置双极化槽天线，具体实施方案包括：

印刷电路板；

刻槽金属地，印制在所述印刷电路板的正面，该金属地刻有矩形槽，该矩形槽连接共面波导馈线2的内导体，所述刻槽金属地本身作为共面波导馈线的外导体；

共面波导馈线2，印制在所述印刷电路板的正面，内导体申入所属矩形槽内，外导体为所述金属地；

微带馈线3，印制在所述印刷电路板的背面，与所述共面波导馈线2耦合；

如图1-图3所示，天线系统包括刻槽金属地1、共面波导馈线2、微带馈线3和印刷电路板4。金属地1与共面波导馈线2印制在印刷电路板4的正面，结构如图3所示；微带馈线3印制在印刷电路板4的背面，结构如图4所示。微带馈线3和共面波导馈线2端口宽度均按50欧姆设计。当由微带馈线3馈电时，信号路径为：微带馈线3-＞共面波导馈线2-＞矩形槽；当由共面波导馈线2馈电时，信号路径为：共面波导馈线2-＞矩形槽。

本发明的技术方案是这样实现的：矩形槽天线由于可以同时支持两种极化方式，包括水平极化和垂直极化，可以作为产生双极化的辐射单元；而共面波导的馈电结构，可以同时支持奇对称馈电模式与偶对称馈电模式，故可以作为双极化天线的馈电单元。这样，利用共面波导的奇对称模式(微带馈线3馈电时)激励槽天线的水平极化，利用共面波导的偶对称模式(共面波导馈线2馈电)激励槽天线的垂直极化，同时共面波导和槽天线各自的两种模式由于结构的正交性，使得极化间具有很高的隔离度。同时，利用同一馈电结构激励同一辐射单元实现两种极化模式，利于天线单元的小型化设计。总体来说，本天线的设计满足无线移动终端内置MIMO天线小型化、结构紧凑、高隔离度的要求。

该结构具体说明如下：

首先根据要求实现的工作频率，设计矩形槽天线的尺寸，由于水平极化模式通过共面波导的缝隙馈电，垂直极化模式通过内导体申入矩形槽内馈电，二者馈电的形式不同，横纵向尺寸略有不同；其次，根据移动终端的体积决定天线整体的尺寸；第三，由于共面波导结构在两种馈电模式中都用到，先设计微带馈线，调节L型线的位置和水平长度，实现微带馈线与共面波导之间的阻抗匹配，使水平极化模式呈现良好的性能；最后，调节共面波导内导体申入槽的距离，实现垂直极化模式良好的阻抗匹配。本发明的匹配网络可以采用普通的数字电路PCB制作工艺制作。

印刷电路板采用1mm厚的介质基片，相对介电常数为4.4(普通数字电路板材料FR4，与匹配电路板材料相同)；其余各部份尺寸如图5-图8所示，单位均为毫米(mm)。

以图5-图8所示尺寸制作的双极化槽天线的S参数测试结果如图9所示，由微带馈线微带馈线3馈电时，槽天线回波损耗S11＜-10dB的带宽为1.96GHz-2.63GHzGHz(27.9％)；由共面波导馈线共面波导馈线2馈电时，槽天线回波损耗S11＜-10dB的带宽为1.93GHz-2.75GHz(27.9％)，均可以覆盖无线局域网工作频段2.4GHz-2.484GHz。在该频段内，两个端口之间的隔离度S21优于-32.6dB。

以图5-图8所示尺寸制作的双极化槽天线的辐射效率测试结果如图10所示，在无线局域网工作频段2.4GHz-2.484GHz的范围内，两种极化模式的效率均优于83％。

以图5-图8所示尺寸制作的双极化槽天线的功率增益方向图如图11和12所示。由微带馈线微带馈线3馈电时，水平极化功率增益方向图如图11所示，E面(X-Y平面)和H面(Y-Z平面)的3dB波束宽度大约分别为60°和180°，在此波束内的交叉极化分别优于8.9dB和15.2dB；由共面波导共面波导馈线2馈电时，垂直极化功率增益方向图如图12所示，E面(Y-Z平面)和H面(X-Y平面)的3dB波束宽度大约分别为100°和70°，在此波束内的交叉极化分别优于22.3dB和5.6dB。

两种不同极化模式时在X-Y平面的交叉极化稍大(未优于15dB)，但是从图11和12可以看出主极化的极点与交叉极化零点相互对应，两种极化功率增益方向图的积分值在零点左右相互抵消，总积分值接近于零，故两种极化基本不相关。在Y-Z平面内极化隔离度足够高，可认为极化间相关性小，故槽天线由共面波导两种正交模式激励时，在3-D空间内具有较低的极化相关性。可知，所述天线可以同时支持两种极化模式，且两种极化模式具有较高的隔离度，可以应用MIMO系统中代替双天线，节约了双天线间的距离；同时所述天线结构紧凑，实现了天线的小型化。本发明为MIMO系统在小型移动终端内置提供解决方案，促进无线高速数据移动业务的发展。

本发明的双极化槽天线不仅可以应用在无线局域网小型移动终端MIMO系统内置天线中，也可以应用于其它业务的移动终端，相应根据业务工作频率调整所述槽天线的尺寸。本发明非常适用于无线高速业务移动终端内置MIMO系统的设计。

Claims (4)

1.用于无线局域网移动终端的双极化内置槽天线，其特征在于：含有印刷电路板、刻槽金属地、微带馈线(3)以及共面波导馈线(2)，其中：

刻槽金属地，印制在所述印刷电路板的正面，同时，在所述刻槽金属地刻的槽为矩形槽，作为天线的辐射单元，所述矩形槽的横向长度决定水平极化的谐振频率，纵向长度决定垂直极化的谐振频率；

共面波导馈线(2)，印制在所述印刷电路板的正面，所述共面波导馈线的内导体为阶梯形式，用于与所述矩形槽阻抗匹配，调节所述矩形槽谐振的带宽，所述内导体终端伸入所述矩形槽内部，所述共面波导馈线的外导体为所述刻槽金属地；

微带馈线(3)，印制在所述印刷电路板的背面，为平面L型馈线，馈线长度用于调节所述微带馈线(3)与所述共面波导馈线(2)之间阻抗的匹配。

2.依据权利要求1所述的用于无线局域网移动终端的双极化内置槽天线，其特征在于：由所述微带馈线(3)馈电时，将能量耦合到所述共面波导馈线(2)，所述共面波导馈线(2)工作于奇对称模式，通过所述内外导体的缝隙激励所述矩形槽的水平极化模式。

3.依据权利要求1所述的用于无线局域网移动终端的双极化内置槽天线，其特征在于：由所述共面波导馈线(2)馈电时，所述共面波导馈线(2)工作于偶对称模式，通过所述共面波导馈线(2)内导体激励所述矩形槽的垂直极化模式。

4.依据权利要求1所述的用于无线局域网移动终端的双极化内置槽天线，其特征在于：所述矩形槽的水平极化和垂直极化模式，能分别单独工作，也能同时工作。

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