CN101821902B

CN101821902B - 采用耦合元件来提高天线隔离的系统和方法

Info

Publication number: CN101821902B
Application number: CN200880000128.0A
Authority: CN
Inventors: 麦志强; 柳江平; 麦志伦
Original assignee: Hong Kong Applied Science and Technology Research Institute ASTRI
Current assignee: Hong Kong Applied Science and Technology Research Institute ASTRI
Priority date: 2008-09-11
Filing date: 2008-09-11
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2028-09-11
Also published as: WO2010028521A1; CN101821902A

Abstract

一个天线系统包括与第一天线元件，其与第二天线元件互耦合，第一和第二天线元件之间的互耦使得在第二天线元件上产生第一电流，并且耦合元件至少部分位于第一和第二天线元件之间，其中耦合元件与第一和第二天线元件互耦，并且耦合元件被设置以在第二天线元件上产生第二电流，其至少能够部分抵消第一电流。

Description

采用耦合元件来提高天线隔离的系统和方法

技术领域

本发明通常涉及多元件天线，特别涉及采用元部件来减少多个天线元件之间互耦(mutual coupling)影响的系统和方法。

发明背景

随着天线系统变得越来越小，在这些系统里天线元件之间的空间变得更加不足。天线元件之间的空间不仅可能影响系统的辐射场型，而且也可能影响天线元件之间的互耦。互耦是在两个或多个天线之间的电感/电容耦合，有时可能因为干扰正在发射的信号或因为使天线元件发射多余的信号而导致有害的性能退化。通常，两个天线元件的位置越近，互耦的可能性就越高。

所以，现代天线设计者通常都寻找方法来降低天线元件之间耦合(如提高隔离)。特别是针对多信道系统，因为在一个信道上的信号应该或理论上不会受其它信道上的信号所影响。同样，特别对于多输入多输出(MIMO)天线系统也是需要减少耦合的，MIMO要求一些天线在相同频率上运行，但相互独立工作。

一些天线系统采取天线元件置于接地层上方。在这样的系统里，天线元件能够在接地层上产生电流，其流到其它天线元件，增加不需要的耦合。为了降低耦合，已经提出了各种技术方法。例如，一种解决方案是分开接地层，使得可能相互干扰的两个天线没有通过一个连续的接地层而连接。但是，这种系统通常不产生足够的隔离。

其它提出的系统包括复杂的制造过程来产生单元结构，单元通过印刷电路板(PCB)上的过孔被短接到地。这种结构类似于光子带隙(PBG，用于光学领域)结构，通常充当带阻滤波器(bandstop filter)，可以设计以删除某些不需要的信号。但是，这种系统由于其复杂的三维结构形状显得非常昂贵。目前，没有现有技术系统能够在最小复杂性的情况下提供足够隔离。

发明概述

本发明的各种实施例涉及在多元件天线系统里包括一个耦合元件的系统和方法。在一个例子里，耦合元件被放置在两个天线元件之间。耦合元件的形状设计成，使得其能够抵消由于元件的直接耦合而产生的电流。在一些实施例里，耦合元件可以很小，从而提供空间经济性。而且，各种实施例远没有PBG的设计复杂，因此比使用PBG隔离元件的现有技术系统的制造成本要更便宜。

前述已经相当广泛地阐述了本发明的特征和技术优势，以便能够更好地理解随后本发明的详细说明。本发明的其它特征和优势将在以下描述，其构成本发明的权利要求。本领域技术人员应该理解，可以轻易利用在此披露的概念和具体实施例，而作为一个基础用来修改或设计其它结构用来执行本发明相同目的。本领域技术人员也应该理解，这种等同构造并没有脱离在附加权利要求内阐述的本发明的精神和范围。被看作本发明特性的新颖性特征，无论是其组织和操作方法，与其它目的和优势一起，从以下的描述并结合附图将得到更好的理解。但是，应该深刻地理解，提供的每个附图仅是用作描述和说明用途，并不是意在作为限制本发明的定义。

附图说明

为了更加全面地理解本发明，现结合附图对以下描述作出参考，其中：

图1描述本发明一个实施例的典型天线系统；

图2描述本发明一个实施例的典型天线系统；

图3描述本发明一个实施例的典型系统；

图4描述本发明一个实施例的典型系统；

图5描述本发明一个实施例的典型系统；

图6显示本发明实施例的典型天线阵列；

图7描述本发明一个实施例的典型USB道尔芯片；和

图8描述本发明一个实施例的典型方法。

发明详述

图1描述本发明一个实施例的典型天线系统100。系统100包括天线元件101和102，以及耦合元件103。在此例子里，天线元件101由一个射频(RF)馈电驱动，天线元件101里的电流是I_Excited。在天线元件102里，因为与天线元件101互耦而引起的总电流是I_Coupled。

在图1内有三个区域。区域110是耦合元件103不位于天线元件101和102之间的区域。换言之，在区域110，每个天线元件101和102都在另一个元件的视线内。区域120类似于区域110。在区域130，耦合元件103位于天线元件101和102之间。

在区域110和120，在天线元件101和102之间有直接耦合(direct coupling)。在此例子里，由直接耦合引起的电流是I_Direct，其等于αI_Excited，其中α是一个常数，受天线元件101和102之间的距离以及区域110和120的尺寸影响。I_Direct与I_Excited的方向相反(例如，异相180°)。在区域130，在天线元件101和102之间的耦合不是直接的。相反，在区域130，天线元件101和102各自与耦合元件103耦合而不是互相耦合。天线元件101与耦合元件103耦合，从而在耦合元件103上产生一个电流，与I_Direct方向相反。然后，在耦合元件103上的感生电流有在天线元件102上产生的一个电流(I_Cancel)，再次被反转大约180°。I_Cancel的相位与I_Direct的相位方向相反，I_Cancel可以表示为βI_Excited，其中β是一个常数，其取决于天线元件101和102以及耦合元件103之间的距离以及耦合元件103的尺寸。在此例子里，β近似等于α，从而I_Coupled＝I_Direct+I_Cancel～0。

在此例子里，天线元件101和102显示为偶极元件，其长度通常是λ/2。耦合元件103的总长度，包括垂直和水平部分，也是λ/2。常数β受耦合元件103的垂直部分(例如，与天线元件101和102平行)的长度影响。耦合元件103的水平部分(例如，与天线元件101和102垂直)对β的影响很小。相反，水平部分的存在是使得耦合元件103的总长度是λ/2。

尽管以上例子涉及水平和垂直部分，这些词汇仅仅是为便于描述。通常可以这样说，一个与其邻近天线元件(例如，101和102)互耦的耦合元件(例如，103)的部分会影响β，但是，与其邻近天线元件不互耦的部分是用来确保总长度是一个谐振长度。

图2描述本发明一个实施例的典型天线系统200。图2显示一个在其上有尺寸(毫米)的天线系统设计，并且也提供曲线图250和260来解释天线系统200的性能。

天线系统200建在印刷电路板(PCB)205上，其包括天线元件201和202、耦合元件203、以及接地面204。从图2显而易见，天线元件201和202是平面倒F型天线(PIFA)元件。由于它们相互邻近，天线元件201和202互耦。耦合元件203降低或减少互耦影响，从而改善天线系统200的性能。

虽然图1的例子显示了一个总长度为λ/2的耦合元件，但不是所有实施例都受此限制。在使用谐振长度为λ/4的天线元件的实施例里，耦合元件的总长度也是λ/4。具有谐振长度为λ/4的天线元件的例子包括诸如单极子(monopole)和PIFA。在使用PIFA作为天线元件201和202的天线系统200的例子里，耦合元件203有一个λ/4的长度。

曲线图250显示一个类似于天线系统200但没有耦合元件203的天线系统的仿真和测量性能。相反，曲线图260显示系统200的仿真和评估结果。在曲线图250上，在2.45GHz处有-8dB的耦合。曲线图260显示在2.45GHz处-30dB的耦合，表示有超过-20dB隔离的改善。考虑到-30dB意味着对每一千个能量单位仅有一个单位耦合，这个改善是令人印象深刻的。对真实世界的系统，很难实现零耦合，但是，本发明实施例可以改善隔离，使得耦合效应接近零(如曲线图260内所示)。在许多系统里，降低-20dB的互耦效应可以将耦合效应降低到一个对系统性能影响可以忽略不计的等级。

图2显示耦合元件203的耦合长度(不是总长度)是两毫米。在设计天线系统时，能够调整耦合长度以通过影响β而调谐系统性能。实际上，可以仿真和/或测试不同长度以达到一个最优长度。

虽然在图2内提供了尺寸，但本发明并不受此限制。可以使用任何各种设计和结构，每个系统可以被调配在特定频带上运行，并采用不同的尺寸。实际上，在说明书里提供的任何尺寸仅是用作描述，而不是作为本发明的限制。

系统200存在方向多样性(directional diversity)，其中天线元件201和202在不同方向上辐射。由于在天线系统200里的多样性，天线系统200可以适用于MIMO应用。天线元件201和202之间的耦合元件203通过降低不同谐振元件之间的耦合效应而增强天线系统200的性能。

图3描述本发明一个实施例的典型系统300。本发明各种实施例包括三维(3D)结构，如系统300所示的实施例。

系统300包括偶极天线元件301和302以及耦合元件303。天线系统300被设计在2.4GHz左右的频带上提供性能。曲线图310显示具有耦合元件303和不具有耦合元件303的天线系统300的仿真结果。从图中可以看到，耦合元件303的出现增加系统300谐振频率周围的隔离。

一些实施例可以被实施在多频带应用里。图4描述本发明一个实施例的典型系统400。系统400是一个MIMO天线，其在2.4GHz和5GHz上提供性能。系统400是建在PCB405上，包括PIFA元件401和402、耦合元件403和接地面404。耦合元件403包括两个耦合部分：一部分包括403a和403c，而另一部分包括403b和403c。每个耦合部分403a加403c以及403b加403c有一个不同的耦合长度(如不同的β)以及一个不同的有效总长度，从而提供一个不同的运行频带给每个耦合部分403a加403c以及403b加403c。在此例子里，耦合元件403在2.4GHz和5GHz上提供隔离给天线系统400。

系统400的实施例可以大约是一个闪存“记忆棒”这样的尺寸，并包含在一个通用串行总线(USB)道尔芯片内，如图7的典型道尔芯片700。实际上，系统400可以通过一个USB接口连接到一台计算机，以提供无线局域网(LAN)连接。

天线元件和耦合元件的数目可以按比例用于特别的应用内。图5描述本发明一个实施例的典型系统500。系统500包括天线元件501-504和耦合元件511-514。耦合元件511在天线元件501和502之间提供隔离，类似地，耦合元件513在天线元件503和504之间提供隔离。耦合元件512和514分别在天线元件502和503以及501和504之间提供隔离。

本发明实施例可以适用于任何类型的各种天线系统。例如，实施例可以适用于采用偶极、单极、PIFA、以及任何其它类型的接地或不接地的天线元件的系统里。而且，各种实施例可以适用于许多不同的阵列，如2D、2.5D和3D阵列。图6显示本发明实施例的典型天线阵列610、620、630、640和650。耦合元件，如以上图1-5内所示的那些元件，可以被用来在图6阵列内天线元件之间增加隔离。

本发明的各种实施例都使用耦合元件来增加隔离。图8描述本发明一个实施例的典型方法800。方法800可以在如以上图1-7内所述的实施例上执行。

在动作801，在第一天线元件上励磁第一电流。在一个例子里，第一天线元件是由一个射频(RF)模块驱动。电流可以是在任何RF频带上，包括使用在WiFi(IEEE801.11)应用、蜂窝电话应用、以及其它RF应用里的频带，在此不便尽数列出。

在动作802，第一电流直接诱发产生第二电流在第二天线元件上。第一电流直接产生第二电流的一个例子如以上有关图1的描述，其中I_Excited产生I_Direct。

在动作803，第三电流由耦合元件上的第一电流诱发产生。在动作804，第四电流是由第三电流产生在第二天线元件上。第四电流与第二电流是异相的，通过至少部分地抵消第二电流而降低第一和第二天线元件之间的互耦效应。

虽然方法800显示具有一系列的离散步骤，但本发明的各种实施例并不受此限制。一些实施例可以增加、修改、重新安排、和/或忽略其中一个或多个动作。例如，从人类的角度而言，看起来动作801-804是同时发生的，并在天线系统运行期间持续发生。此外，其它方法可能包括这种特征，如抵消两个或多个频带上的互耦效应、抵消不止一对天线元件之间的互耦效应等。

本发明的各种实施例具有超越现有技术解决方案的优势。例如，PBG的解决方案复杂、昂贵且庞大。相反，耦合元件，如以上所述的那些元件，与PBG的解决方案相比是相当简单的结构。而且，当与PCB上的金属一起时，对一个给定的天线系统，耦合元件仅仅增加很少的或不增加额外的制造成本。

虽然已经详细说明了本发明及其优越性，但应理解，在不脱离所附权利要求定义的本发明的条件下可以做出各种改变，替换和变化。此外，本申请的范围不限定到此处说明书中描述的处理方法，机器，制造，物质构成，手段，方法和步骤等的特定实施例。从说明书可以容易理解，可以利用实质上执行了与这里说明的相应实施例相同功能或实现了相同结果的目前已有的或者将来会开发出的处理方法，机器，制造，物质构成，手段，方法和步骤。因此，所附的权利要求书旨在包括这些处理方法，机器，制造，物质构成，手段，方法或步骤。

Claims

1.一个天线系统，包括：

第一天线元件；

第二天线元件，其中电磁耦合发生在第一天线元件和第二天线元件之间，使得第一元件上的电流I_Excite产生电流I_Direct在第二天线元件上；和

一个耦合元件，位于第一和第二天线元件之间，并与第一和第二天线元件互耦，使得耦合元件产生电流I_Cancel，且其中I_Cancel至少部分抵消I_Direct，其中I_Cancel为βI_Excite，β是一个常数，其取决于第一和第二天线元件以及耦合元件之间的距离以及耦合元件的尺寸，

所述耦合元件包括一个与第一和第二天线元件互耦的部分和一个与第一和第二天线元件不互耦的部分，与第一和第二天线元件互耦的部分影响β，而与第一和第二天线元件不互耦的部分是用来确保总耦合元件的长度是一个谐振长度。

2.根据权利要求1所述的天线系统，其中在第二天线元件上的总耦合电流是I_Couple，其中I_Couple等于I_Direct加上I_Cancel，且I_Couple是可以忽略的。

3.根据权利要求2所述的天线系统，其中I_Couple近似为零。

4.根据权利要求2所述的天线系统，其中I_Cancel抵消I_Direct至少-10dB。

5.根据权利要求1所述的天线系统，其中所述耦合元件包括与所述第一和第二天线元件平行的一部分和与所述第一和第二天线元件垂直的一部分。

6.根据权利要求5所述的天线系统，其中所述平行部分的尺寸被设计用来产生I_Cancel。

7.根据权利要求5所述的天线系统，其中所述第一和第二天线元件包括偶极元件，其中所述垂直部分和所述平行部分的总长度是λ/2。

8.根据权利要求5所述的天线系统，其中所述第一和第二天线元件包括平面倒F型天线（PIFA）元件，其中所述垂直部分和所述平行部分的总长度是λ/4。

9.根据权利要求1所述的天线系统，其中所述天线系统在多个单一频带上提供性能，其中所述耦合元件在所述多个单一频带上提供隔离。

10.一种在天线系统里增加隔离的方法，其中天线系统包括第一天线元件、第二天线元件和耦合元件，所述方法包括：

在所述第一天线元件上励磁第一电流I_Excite；

由所述第一电流I_Excite直接诱发产生第二电流I_Direct在所述第二天线元件上；

由所述第一电流I_Excite产生第三电流在所述耦合元件里；和

由所述第三电流产生第四电流I_Cancel在所述第二天线元件里，所述第四电流I_Cancel与所述第二电流I_Direct是异相的，并降低所述第一和第二天线元件之间的互耦效应，其中I_Cancel为βI_Excite，β是一个常数，其取决于第一和第二天线元件以及耦合元件之间的距离以及耦合元件的尺寸，

11.根据权利要求10所述的方法，其中天线系统里所述第一和第二天线元件之间的所述互耦被降低到可以忽略。

12.根据权利要求10所述的方法，其中所述第一和第二天线元件之间的所述互耦被降低至少-10dB。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一和第二天线元件之间的所述互耦被降低至少-20dB。

14.一个天线系统，包括：

第一天线元件，与第二天线元件互耦，所述第一和第二天线元件之间的所述互耦由第一天线元件上的电流I_Excite产生第一电流I_Direct在所述第二天线元件上；和

一个耦合元件，至少部分地位于所述第一和第二天线元件之间，所述耦合元件与所述第一和第二天线元件互耦；

所述耦合元件被设置以产生第二电流I_Cancel在所述第二天线元件上，其至少部分抵消所述第一电流I_Direct，其中I_Cancel为βI_Excited，β是一个常数，其取决于第一和第二天线元件以及耦合元件之间的距离以及耦合元件的尺寸，

15.根据权利要求14所述的天线系统，其中所述天线系统包括一个二维（2D）阵列。

16.根据权利要求14所述的天线系统，其中所述天线系统包括一个三维（3D）阵列。

17.根据权利要求14所述的天线系统，其中所述第一和第二天线元件包括平面倒F型天线（PIFA）元件。

18.根据权利要求14所述的天线系统，其中所述第一和第二天线元件提供两个或多个单一运行频带，其中所述耦合元件在所述两个或多个单一运行频带上提供隔离。

19.根据权利要求14所述的天线系统，其中所述天线系统包含在一个通用串行总线（USB）道尔芯片内。

20.根据权利要求19所述的天线系统，其中所述天线系统提供无线局域网（LAN）连接。