CN102110900A - 一种移动终端的阵列天线及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明披露了一种移动终端的阵列天线及其实现方法，该阵列天线包括：处于介质材料板同一侧的移动终端地板，用于作为辐射主体辐射多个耦合单元耦合的天线能量；对应于多个天线的多个耦合单元，两两组合为一对，每一对耦合单元固定于移动终端地板的两端，用于通过各自馈线的馈电点激励移动终端地板的波导模式辐射耦合到的天线能量；处于该介质材料板另一侧的匹配电路，与位于介质材料板另一侧的馈电点连接，用于实现每一个耦合单元的微带馈线的阻抗匹配。本发明能够降低各天线单元之间的相关性，保证阵列天线具较好的全向辐射特性，以及便于终端设备小型化的设计。

Description

一种移动终端的阵列天线及其实现方法
技术领域
本发明属于移动终端天线技术，尤其涉及无线通信中大容量数据传输系统用于移动通信终端中的阵列天线及其实现方法。
背景技术
随着无线通信技术正朝着大容量、高传输率和高可靠性方向快速地发展，频率资源的严重不足已经日益成为遏制无线通信事业发展的瓶颈。总结人们在无线通信技术方面的研究成果，提高频谱效率或者增加通信容量所采用的最重要的技术就是多天线技术。
在无线通信中，多天线主要包括三类。一类为扇区天线，它将空间固定地划分为相等的几个扇区，每个扇区的信号互不干扰；第二类为智能天线，它能够实时跟踪有用信号，同时有效地抑制来自其它方向上的干扰信号。智能天线技术要求阵列天线的间距在半个波长左右，以便各天线上信号具有较好的相关特性。以上两类多天线技术主要是利用了阵列天线的方向性，属于空间滤波的范畴。第三类则是分布式天线，通常采用的是接收分集和发射分集技术。采用分布式天线的最初目的是为了提高无线通信在衰落环境下的质量。在各单元上接收的信号可以认为是独立的。已往，接收分集和发射分集是单独使用的。如果同时采用接收分集和发射分集，即在接收端和发射端同时使用多个天线进行信号传输，则这样的系统称为多入多出(MIMO，Multi-Input Multi-Output)无线通信系统。
从信息论的角度分析，采用分布式天线的MIMO无线通信系统比采用扇区天线和智能天线技术的无线通信系统具有更高的信道容量。同时，随着长期演进(LTE，Long Term Evolution)产业的推进，目前第四代通信系统(4G)所必需的MIMO天线系统对通信终端天线的设计与评估又提出了新的挑战：一方面用户要求小型化高质量的用户体验，另一方面MIMO天线系统要求各个天线在具有平衡的射频和电磁性能的同时，还要具有高隔离度和低相关性系数。故多方面的矛盾在LTE系统终端天线的设计和系统方案形成阶段已经凸显。
MIMO技术目前在蜂窝移动通信系统中正在形成商业化的使用，但在系统中的应用也受到一些因素的限制，其中一个重要的受限因素就是天线。对于阵列天线来说，其单元数、结构以及阵元的放置方式、阵元的形式等因素均直接影响着MIMO信道的性能。MIMO系统要求阵列天线中各天线单元具有较小的相关性，这样才能保证MIMO信道响应矩阵接近满秩。但是，由于受到移动终端接收机或发射机尺寸及结构的限制，往往要在非常有限的空间尽可能多地布置天线单元，这会使得各天线单元的高隔离度和低相关性难以实现，如此为移动终端的天线单元和天线阵列的设计带来极大的挑战。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种移动终端的阵列天线及其实现方法，能够在移动终端有限的空间内实现多天线单元的高隔离度和低相关性。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种移动终端的阵列天线，包括处于介质材料板同一侧的移动终端地板、对应于多个天线的多个耦合单元以及处于该介质材料板另一侧的匹配电路，其中：
移动终端地板，用于作为辐射主体辐射多个耦合单元耦合的天线能量；
多个耦合单元，两两组合为一对，每一对耦合单元固定于移动终端地板的两端，用于通过各自馈线的馈电点激励移动终端地板的波导模式辐射耦合到的天线能量；
匹配电路，与位于介质材料板另一侧的馈电点连接，用于实现每一个耦合单元的微带馈线的阻抗匹配。
进一步地，
每一对耦合单元是通过馈电点固定于移动终端地板前后两端和/或上下两端的两个垂向对折的金属贴片的耦合单元，每一对耦合单元分别对应于低频段或高频段，且处于同频段的耦合单元被置于相对移动终端地板的对角线位置。
进一步地，在靠近对应于高频段的金属贴片的耦合单元的移动终端地板表面腐蚀出具多边形形状的去耦结构。
进一步地，构成耦合单元的垂向对折的金属贴片是垂向对折的矩形金属贴片；
对应于低频段的所述矩形金属贴片的第一耦合单元包括第一长边、第一短边、第一侧边以及第一耦合单元多出移动终端地板的第一水平间隔；对应于高频段的矩形金属贴片的第二耦合单元包括第二长边、第二短边及第二侧边以及第二耦合单元多出移动终端地板的第二水平间隔，还包括第一耦合单元和第二耦合单元之间的间隔，第一耦合单元微带馈线馈电点和第二耦合单元微带馈线馈电点分别位于介质材料板位置。
进一步地，在移动终端地板表面腐蚀出的去耦结构具矩形多边形形状，该矩形多边形形状包括第三长边、第三宽边、内长边、内宽边以及该矩形多边形形成的移动终端地板的间隔，还包括与移动终端地板存在一定位置关系的外长边、外宽边、位于移动终端地板的横向距离及纵向距离。
进一步地，
对应于低频段的耦合单元的匹配电路包括集总元件：与通过馈电点引入的输入端口依次连接的第一电容、第一电感及第三电感，在第一电感及第三电感连接点与耦合单元之间并联有第二电感，第三电感的另一端连接耦合单元；
对应于高频段的耦合单元的匹配电路包括集总元件：与通过馈电点引入的输入端口依次连接的第二电容、第四电感及第三电容，在第四电感及第三电容的连接点与耦合单元之间并联有第五电感，第三电容的另一端连接耦合单元。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种实现如前所述的移动终端的阵列天线的方法，包括：
在配置有移动终端地板的介质材料板的一侧，将与多个天线相对应的多个耦合单元两两组合成一对，分别固定于该移动终端地板的两端，并将为每一耦合单元微带馈线阻抗匹配所配置的匹配电路置于该介质材料板的另一侧。
进一步地，将与多个天线相对应的多个耦合单元两两组合成一对，分别固定于该移动终端地板的两端，具体包括：
将两个垂向对折的金属贴片的耦合单元形成的每一对耦合单元，通过馈电点固定于移动终端地板前后两端和/或上下两端，每一对耦合单元分别对应于低频段或高频段，且处于同频段的耦合单元被置于相对移动终端地板的对角线位置。
进一步地，该方法还包括：
在靠近对应于高频段的金属贴片的耦合单元的移动终端地板表面腐蚀出具矩形多边形形状的去耦结构。
进一步地，为每一耦合单元微带馈线阻抗匹配所配置的匹配电路，具体包括：
配置对应于低频段的耦合单元的匹配电路，即与通过馈电点引入的输入端口依次连接的第一电容、第一电感及第三电感，在第一电感及第三电感连接点与耦合单元之间并联有第二电感，第三电感的另一端连接耦合单元；
配置对应于高频段的耦合单元的匹配电路，即与通过馈电点引入的输入端口依次连接的第二电容、第四电感及第三电容，在第四电感及第三电容的连接点与耦合单元之间并联有第五电感，第三电容的另一端连接耦合单元。
本发明为移动终端提供的天线地板一体化的阵列天线，由于利用耦合单元有效地激励地板波导模式，使地板成为辐射主体；相比现有的自谐振天线可使天线厚度大大降低，便于终端设备小型化的设计；由于采用模块化设计，通过简单地调节匹配电路便可实现耦合单元在需求频段的阻抗匹配；相对于传统的自谐振天线使得基于匹配网络实现多频谐振更加直观；由于辐射地板采用矩形去耦结构而可大大降低各天线单元之间的相关性；同频段工作耦合贴片单元置于相对辐射地板的对角线位置，可显著地减少天线单元受周边环境的影响，从而保证阵列天线具较好的全向辐射特性。由此，在尺寸很小的移动终端内便可实现多天线同时工作，从而提高频谱效率，增加信道容量，使得移动终端实现无线通信系统的大容量数据传输成为可能。
理论计算结果表明，本发明为移动终端设计的阵列天线于低频可覆盖824MHz～960MHz工作频段，于高频可实现1920MHz～2170MHz的工作频段。
附图说明
图1是本发明的移动终端的阵列天线实施例的整体结构示意图；
图2是图1所示的阵列天线实施例中耦合单元和辐射地板结构的俯视图；
图3是图1所示的阵列天线实施例中耦合单元和辐射地板结构的侧视图；
图4是图1所示的阵列天线实施例中位于辐射地板上矩形去耦结构图；
图5是图1所示的阵列天线实施例的低频段匹配电路结构示意图；
图6是图1所示的阵列天线实施例的高频段匹配电路结构示意图；
图7图1所示的阵列天线实施例的工作频率-端口S参数曲线图；
图8图1所示的阵列天线实施例的工作频率-耦合单元相关性曲线图；
图9是图1所示的阵列天线实施例在低频段频率点的水平面远场方向图；
图10是图1所示的阵列天线实施例在高频段频率点的水平面远场方向图。
具体实施方式
以下结合附图和优选实施例对本发明的技术方案进行详细地阐述。以下例举的实施例仅用于说明和解释本发明，而不构成对本发明技术方案的限制。
本发明利用地板(即移动终端电路板)作为辐射能量的主体而各天线单元作为耦合元件来工作的原理，由于移动终端的天线在低频段(GSM900MHz)的辐射特性主要取决于地板的波导模式(即地板的物理结构)，故天线的耦合单元可作为简单的非谐振单元有效地起到激励地板波导模式的作用。因此，本发明通过在移动终端内放置传统自谐振天线和相应的耦合单元来实现多天线技术。
如图1所示，表示了本发明为移动终端提供的阵列天线一实施例的整体结构，主要包括三部分：处于介质材料板1上表面的移动终端地板2、多对耦合单元3、4以及处于介质材料板1下表面匹配电路，其中：
地板2，用于作为辐射主体辐射耦合单元通过馈电点6耦合的天线能量；
耦合单元，包括固定在地板2两端的低频段、高频段各两对耦合单元3、4，用于通过各自的微带线引入的馈电点6激励并辐射耦合到地板2波导模式的天线能量；
匹配电路，用于针对各耦合单元实现微带馈线阻抗匹配。
本发明对于地板2采用尺寸为(100±5mm)×(60±5mm)的波导模式；固定于地板2两端(左右或上下两端)的两对垂向对折的矩形金属贴片的下频段耦合单元3和上频段耦合单元4，分别对应GSM(824MHz～960MHz)下频段和PCS(1920MHz～2170MHz)上频段；由耦合单元3、4的微带线引入的四个馈电点6位于介质材料板1下表面。
本发明将同频段工作相应的金属贴片耦合单元3、4分别置于辐射地板的对角线位置，可明显减少天线单元受周边环境的影响而导致的天线全向方向图特性恶化程度，从而保证移动终端中的阵列天线具较好的全向辐射特性。
本发明为实现阵列天线输入端口相关性小的目标，在靠近高频段金属贴片耦合单元4的地板2表面腐蚀出具特殊尺寸的矩形去耦结构，如图1中所示。
匹配电路的网络采用集总元件对于不同工作频段分别设计。
参照图2和图3，本发明的阵列天线中的耦合单元根据工作频段分别设计低频段金属折叠贴片耦合单元3由长边301、短边302及侧边303组成；高频段金属折叠贴片耦合单元4由长边401、短边402及侧边403组成；高、低频段金属折叠贴片与地板2的水平间隔相应为405、305，高、低频段耦合单元相互之间间隔为306。其中，低频段折叠金属贴片3微带线连接馈电点位置为304，高频段折叠金属贴片4微带线连接馈电点位置为404，其中长度404大于长度304。
具体到上述阵列天线实施例，其中，对于低频段耦合单元：其长边301为36±1mm，短边302为8±1mm，侧边303为4±1mm，馈电点位置304为4±1mm，水平间隔305为4±1mm；对于高频段耦合单元：其长边401为30±1mm，短边402为8±1mm，侧边403为4±1mm，馈电点位置404为6±1mm，水平间隔405为4±1mm。高、低频段耦合单元之间间隔306为2±1mm。
上述阵列天线实施例的各个耦合单元的排布方式根据实际使用的需要采用模块化设计，将4个折叠金属贴片耦合单元按照不同工作频段两两组合，分组放置于地板2前后两端，每组高频段耦合单元4与低频段耦合单元3各一个，且同频段工作的耦合贴片单元放置于相对地板2的对角线位置。
模块化设计是本发明的阵列天线与地板一体化设计的核心，也是这种由耦合单元构成阵列天线的主要优势。通过简单地调节匹配电路便可实现耦合单元在需求频段的阻抗匹配。在实际工程应用中，使用多个不同匹配电路与对应的多个耦合单元相连，实现多频段谐振以增加阻抗带宽。与传统自谐振天线通过寄生单元和天线与馈线之间增加高Q谐振器来实现多频谐振相比，耦合单元式的阵列天线基于匹配网络实现多频谐振的设计更直观。
本发明选用介电常数为4.4的FR4型介质材料板1，其长度为100±5mm，宽度为60±5mm，厚度为0.8±0.05mm；辐射地板2的长度为100±5mm，宽度为60±5mm；阵列天线的总长度为108±1mm，总宽度为68±1mm，总高度为4.8±0.5mm。
本发明还可以例举出其它阵列天线的实施例，将更多的折叠金属贴片耦合单元仍按照不同工作频段两两组合，分组放置于地板2上下两端，形成四个以上的阵列天线。并且，下频段耦合单元3和上频段耦合单元4除了上述对折金属贴片结构外，还可以有其它变形结构，譬如围绕介质材料板1折叠成截面为矩形的长方体或卷挝成截面为圆形或椭圆形或任意弧状的柱体结构。
参照图4，上述阵列天线实施例中的去耦结构5位于地板2并靠近高频段耦合单元4的一侧，其中深色部分为镀铜的导体部分，浅色部分为腐蚀掉镀铜的绝缘部分。
该被腐蚀的去耦结构由矩形多边形5构成，矩形多边形包括长边501、宽边502、内长边503、内宽边504以及矩形多边形所形成的地板间隔505，以上各边长可在一定范围内调整。该矩形多边形5与地板2存在着一定的位置关系，分别为外长边201、外宽边202、横向距离203及纵向距离204。
该去耦结构利用电感电容的综合作用来实现带阻功能，以降低耦合单元间的相关性。
具体到上述阵列天线实施例，矩形多边形5的长边501为24±1mm，宽边502为4±1mm，内长边503为4±1mm，内宽边504为1±0.5mm，地板间隔505为2±0.5mm；外长边201为28毫米，外宽边202为7毫米，横向距离203为5±0.5mm，纵向距离204为5±0.5mm。
本发明通过上述实施例例举出的高、低频段耦合单元及其尺寸参数以及去耦结构的尺寸参数均不是唯一的，它们基本上是根据移动终端的外壳尺寸确定的。
参照图5、图6，本发明阵列天线与传统自谐振天线有很大不同，由于天线端口输入阻抗低，端口电流较大，因此需要设计匹配电路实现与相应的耦合单元50Ω微带馈线阻抗的匹配。
对应于低频段耦合单元的匹配电路如图5所示，包括集总元件：串联电容C1、串联电感L1、并联电感L2及串联电感L3。具体到上述阵列天线实施例，串联电容C1为0.6pF，串联电感L1为47.9nH，并联电感L2为4.9nH，串联电感L3为6.2nH。
对应于高频段耦合单元的匹配电路如图6所示，包括集总元件：串联电容C2、串联电感L4、并联电感L5及串联电容C3；具体到上述阵列天线实施例，串联电容C2为0.3pF，串联电感L4为18.3nH，并联电感L5为2.7nH，串联电容C3为1.4pF。
以上匹配电路中的各集总电容、电感元件的参数值根据工作频率与耦合单元输入阻抗的变化可在一定范围内调整。
本发明提供了实现上述移动终端的阵列天线的方法实施例，包括：
在配置有移动终端地板的介质材料板的一侧，将多个天线相应的多对耦合单元固定于移动终端地板的两端，并将实现每一耦合单元微带馈线阻抗匹配所对应的匹配电路置于介质材料板的另一侧。
其中，多对耦合单元为分别采用垂向对折金属贴片的两对(4个)耦合单元，按照高、低工作频段分组为高频段耦合单元组与低频段耦合单元组，每一耦合单元组中的耦合单元通过对应的微带馈线馈电点固定于地板前后或上下两端，且同频段工作的对折金属贴片耦合单元置于地板2的对角线位置。
其中，在靠近每一高频段对折金属贴片耦合单元的地板表面腐蚀出具矩形多边形的去耦结构。当然，除此之外，在地板表面也可以腐蚀出具锯齿波形状或其它类似于正弦波形状的去耦结构。
其中，针对每一耦合单元通过微带馈线馈电点引入的匹配电路，采用集总元件对应于相应的工作频段实现微带馈线的阻抗匹配。
通过上述方法实施例，使得每一耦合单元能够将对应的天线能量最有效地耦合到地板，从而激励地板的波导模式实现最有效的辐射；而传统自谐振天线单元在要实现阻抗匹配的同时很难将天线能量耦合并激励地板的波导模式辐射能量。另外，同频段工作相应的金属贴片耦合单元分别置于辐射地板的对角线位置，可保证阵列天线具较好的全向辐射特性；去耦结构的设计可有效地降低耦合单元之间的相关性；置于介质材料板的另一侧的匹配电路主要实现天线单元馈线的阻抗匹配，由此可大大缩小天线体积，这与传统依靠三维金属天线单元结构实现阻抗匹配的自谐振天线有很大不同。
本发明的上述优势可通过以下仿真进一步说明。
(1)仿真内容
利用仿真软件对本发明的上述阵列天线实施例的电压驻波比、远场辐射方向图进行仿真计算。
(2)仿真结果
图7为本发明的阵列天线其工作频率-端口S11参数(反射系数或回波损耗)曲线图。通过该图7可看出，本发明的阵列天线在端口S11参数小于-9dB条件下可覆盖824MHz～960MHz和1920MHz～2170MHz的工作频段。这说明本发明的阵列天线具有良好的多频段特性。
图8为本发明的阵列天线其工作频率-耦合单元相关性曲线图。由该图8可看出，在该阵列天线的工作频段内，同频段工作的耦合单元端口相关性均小于-15dB。这说明本发明的阵列天线降低了天线耦合单元之间的相关性，能够在体积尺寸很小的移动终端内实现多个天线同时良好地工作。
图9为是本发明的阵列天线工作在低频段频点900MHz的水平面远场方向图，图10是其工作在高频段频点2GHz时的远场方向图，由此可看出本发明的阵列天线的最大辐射方向能够保持稳定，具有良好的全向方向图特性。
以上仅为本发明的一个实例，不构成对本发明的任何限制，显然在本发明的构思下，可以对本发明的结构和参数进行修改，进而得到本发明阵列天线的一体化、多端口及全向特性，但这些均在本发明的保护之列。

Claims (10)

1.一种移动终端的阵列天线，包括处于介质材料板同一侧的移动终端地板、对应于多个天线的多个耦合单元以及处于该介质材料板另一侧的匹配电路，其中：
移动终端地板，用于作为辐射主体辐射多个耦合单元耦合的天线能量；
多个耦合单元，两两组合为一对，每一对耦合单元固定于所述移动终端地板的两端，用于通过各自馈线的馈电点激励所述移动终端地板的波导模式辐射耦合到的天线能量；
匹配电路，与位于所述介质材料板另一侧的所述馈电点连接，用于实现每一个耦合单元的微带馈线的阻抗匹配。
2.按照权利要求1所述的阵列天线，其特征在于，
每一对耦合单元是通过所述馈电点固定于所述移动终端地板前后两端和/或上下两端的两个垂向对折的金属贴片的耦合单元，每一对耦合单元分别对应于低频段或高频段，且处于同频段的所述耦合单元被置于相对所述移动终端地板的对角线位置。
3.按照权利要求1所述的阵列天线，其特征在于，在靠近对应于所述高频段的金属贴片的耦合单元的所述移动终端地板表面腐蚀出具多边形形状的去耦结构。
4.按照权利要求2所述的阵列天线，其特征在于，构成所述耦合单元的垂向对折的金属贴片是垂向对折的矩形金属贴片；
对应于所述低频段的所述矩形金属贴片的第一耦合单元包括第一长边、第一短边、第一侧边以及第一耦合单元多出所述移动终端地板的第一水平间隔；对应于所述高频段的所述矩形金属贴片的第二耦合单元包括第二长边、第二短边及第二侧边以及第二耦合单元多出所述移动终端地板的第二水平间隔，还包括第一耦合单元和第二耦合单元之间的间隔，第一耦合单元微带馈线馈电点和第二耦合单元微带馈线馈电点分别位于所述介质材料板位置。
5.按照权利要求3所述的阵列天线，其特征在于，在所述移动终端地板表面腐蚀出的所述去耦结构具矩形多边形形状，所述矩形多边形包括第三长边、第三宽边、内长边、内宽边以及所述矩形多边形形成的移动终端地板的间隔，还包括与移动终端地板存在一定位置关系的外长边、外宽边、位于所述移动终端地板的横向距离及纵向距离。
6.按照权利要求1至5任一项所述的阵列天线，其特征在于，
对应于低频段的所述耦合单元的匹配电路包括集总元件：与通过所述馈电点引入的输入端口依次连接的第一电容、第一电感及第三电感，在所述第一电感及第三电感连接点与所述耦合单元之间并联有第二电感，所述第三电感的另一端连接所述耦合单元；
对应于高频段的所述耦合单元的匹配电路包括集总元件：与通过所述馈电点引入的输入端口依次连接的第二电容、第四电感及第三电容，在所述第四电感及第三电容的连接点与所述耦合单元之间并联有第五电感，所述第三电容的另一端连接所述耦合单元。
7.一种实现如权利要求1所述的移动终端的阵列天线的方法，包括：
在配置有移动终端地板的介质材料板的一侧，将与多个天线相对应的多个耦合单元两两组合成一对，分别固定于该移动终端地板的两端，并将为每一耦合单元微带馈线阻抗匹配所配置的匹配电路置于该介质材料板的另一侧。
8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，将与多个天线相对应的多个耦合单元两两组合成一对，分别固定于该移动终端地板的两端，具体包括：
将两个垂向对折的金属贴片的耦合单元形成的每一对耦合单元，通过所述馈电点固定于所述移动终端地板前后两端和/或上下两端，每一对耦合单元分别对应于低频段或高频段，且处于同频段的所述耦合单元被置于相对所述移动终端地板的对角线位置。
9.按照权利要求7或8所述的方法，其特征在于，还包括：
在靠近对应于所述高频段的金属贴片的耦合单元的所述移动终端地板表面腐蚀出具矩形多边形形状的去耦结构。
10.按照权利要求7或8所述的方法，其特征在于，为每一耦合单元微带馈线阻抗匹配所配置的匹配电路，具体包括：
配置对应于低频段的所述耦合单元的匹配电路，即与通过所述馈电点引入的输入端口依次连接的第一电容、第一电感及第三电感，在所述第一电感及第三电感连接点与所述耦合单元之间并联有第二电感，所述第三电感的另一端连接所述耦合单元；
配置对应于高频段的所述耦合单元的匹配电路，即与通过所述馈电点引入的输入端口依次连接的第二电容、第四电感及第三电容，在所述第四电感及第三电容的连接点与所述耦合单元之间并联有第五电感，所述第三电容的另一端连接所述耦合单元。
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