CN102204013A

CN102204013A - 多层天线

Info

Publication number: CN102204013A
Application number: CN200980143421.7A
Authority: CN
Inventors: 金政
Original assignee: Neopulse Co Ltd
Current assignee: Neopulse Co Ltd
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2009-02-09
Publication date: 2011-09-28
Also published as: US20110175783A1; TW201019538A; JP2012504361A; WO2010038929A1

Abstract

本发明涉及一种多层天线，所述多层天线能够通过减小天线尺寸来提高通信性能并且通过改善采用耦合方式彼此相邻布置的多个天线元件的性能来提高天线的增益。为此，在包括多个毗邻的天线元件并且具有用于耦合的天线板以一定距离布置在多个天线带的上部的叠层结构的所述多层天线中，通过减小天线尺寸并且防止天线之间产生互扰和噪声，能够提高信道容量和数据传输速率。

Description

多层天线

技术领域

本发明涉及一种多层天线，所述多层天线能够通过减小天线尺寸来提高通信性能并且通过改善采用耦合方式彼此相邻布置的多个天线元件的性能来提高天线的增益。

背景技术

诸如WiMax、802.11x、LTE(Long Term Evolution，长期演进技术)之类的宽带无线通信系统作为日益流行的下一代通信系统，存在几个必须要解决的问题，以提供与有线的语音和数据通信相同的性能或者更优于有线的语音和数据通信的性能。

用来减小这种无线通信与有线通信之间差异的技术之一是使用多个天线的MIMO(Multiple-Input，Multiple-Output，多输入多输出)系统。MIMO是解决无线通信的诸如信号衰减、干扰增加、频谱限制等问题的新的有吸引力的途径。

MIMO采用多个天线来提供天线分集，从而可以在不需要额外的射频频率的情况下使数据处理速度加倍并且增加频带和可靠性。

MIMO是通过一个无线信道来发送/接收两个或更多单独的数据流的创新的多维途径，并且是能够通过这种途径提供比每个信道的数据传输速度两倍还多的系统。通过允许一次传送多个数据流，MIMO在不使用额外的频谱的情况下数倍地增加了无线数据容量。

MIMO系统的最大处理速度能够增大到通过无线信道传输的信号流的数量的数倍。由于多个信号分别从不同的射频装置和天线传输，因此将MIMO信号称为“多维信号”。

然而，由于具有上述优点的MIMO需要多个天线，例如，需要将多个天线分别安装在相对基站较小的空间内的移动通信终端会产生天线间的偶合效应，使信号失真或抵消，从而会导致接收灵敏度的下降。就是说，在这种情况下，感应电流产生在多个天线之间并且使信号灵敏度降低，从而会导致数据通信的中断因而难以获得MIMO系统的所述优点。

采用这种多个天线的系统的例子包括可调频天线(tunable antenna)系统和智能天线系统等，所述可调频天线系统选择和使用具有不同频带集的多个天线，所述智能天线系统的构造与MIMO等的构造类似，但是这些系统仍然存在上述问题。

图1示出了设置有多个天线的传统单层单极天线阵列的例子，其中，一对对称的单极天线带11形成在载体10的平面上。

如图所示，当单极天线以对称的方式彼此相邻地布置时，由于一个天线的天线信号被感应到另一个相邻天线中，因此减小天线灵敏度，实质上减小了天线的长度，从而导致通信性能的下降。

例如，如果所示的天线阵列被构造为工作在2.5GHz频带，则需要天线带11具有约30mm的长度。然而，如果天线带被构造为具有30mm的长度，则天线阵列实际的谐振频率变得高于2.5GHz，从而导致天线长度实质上减小。就是说，当需要工作在2.5GHz的天线时，还必须延长天线的长度。

图2示出了设计为工作在2.5GHz的天线的基本传输线特性(transmission line characteristic)。从这个图可以看出，在高于2.5GHz的频率产生谐振，从而使天线长度减小。

图3示出了被构造为如图1所示的天线阵列的等效电路。从图中可以看出，在包含两个天线元件的天线阵列中，在一个天线元件处的天线信号可能会被感应到另一个相邻天线元件，但是没有防止这种效应的装置。

因此，当多个天线被构造为具有如上所述的单层结构时，必须延长天线的长度并且确保天线之间的距离足够大，从而使天线结构的空间增大。此外，任何互扰信号也会使天线增益减小，从而导致信道容量和数据传输速率降低。

同时，近年来出现了新的天线系统，被构造为减小了相邻天线之间的干扰。例如，一种用于在天线之间增加线路以缩短天线或者在天线之间增加特定的信号处理电路的技术已经实验性地应用到了所述新天线系统中。然而，直接缩短天线的设计存在由于天线的频带特性改变而大大减小带宽的严重问题，增加信号处理电路的设计存在由于复杂的附加构造而难以实际应用的问题。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种具有多个相邻天线元件的多层天线，所述多层天线通过减小天线尺寸并且防止天线元件之间产生互扰和噪声，能够提高信道容量和数据传输速率。

本发明的另一个目的是提供一种多层天线，所述多层天线通过在频带不变的情况下减小整个频带的互扰同时保持天线特性，能够确保天线特性在整个频带内的改善的效果。

本发明的又一个目的是提供一种多层天线，所述多层天线通过调节天线板应用中的多层结构的位置和布置而以各种方式调节多个天线端口中每一个的天线谐振点，能够实现可调频天线系统。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供一种多层天线，包括：一个或多个天线带，所述一个或多个天线带与各自的电力馈线(power feeder)相连接，并且被布置为彼此相邻；以及天线板，所述天线板包括分别与所述一个或多个天线带相耦合的耦合器和将所述耦合器相互连接并且被布置为与所述天线带隔离的连接器。

优选地，所述多层天线进一步包括插置于所述天线带与所述天线板之间的绝缘层。

根据本发明的另一个方面，提供一种多层天线，包括：第一层，所述第一层形成在基板上并且在所述第一层中形成有一个或多个天线带，以确保天线的功率馈给和电气长度；第二层，所述第二层将所述第一层与另一层隔离；第三层，所述第三层通过所述第二层与所述第一层隔离，并且所述第三层中形成有单个传导性的天线辐射器，所述天线辐射器包括分别与所述第一层的所述天线带相耦合的耦合器。

根据本发明的实施例，具有多个相邻天线元件的所述多层天线通过减小天线尺寸并且防止天线元件之间产生互扰和噪声，能够提高信道容量和数据传输速率。

根据本发明的实施例，多层天线通过在频带不变的情况下减小整个频带的互扰同时保持天线特性，能够确保天线特性在整个频带内的改善的效果。

根据本发明的实施例，多层天线通过调节天线板应用中的多层结构的位置和布置而以各种方式调节多个天线端口中每一个的天线谐振点，能够实现可调频天线系统。

附图说明

通过下面结合附图的实施例的描述，本发明的以上和/或其它方面和优点将变得显而易见并且更加容易理解，在附图中：

图1是示出传统单层单极天线系统的构造的示意图；

图2是示出所述传统单层单极天线系统的传输线特性的曲线图；

图3是所述传统单层单极天线系统的等效电路图；

图4是根据本发明一个实施例的多层天线的透视图；

图5是根据本发明一个实施例的多层天线的剖视图；

图6是示出根据本发明一个实施例的多层天线的传输线特性的曲线图；

图7是示出根据本发明一个实施例的多层天线的天线结构及其等效电路的示意图；

图8是耦合结构天线的等效电路图；

图9到图11是根据本发明若干实施例的多层天线的透视图；

图12是根据本发明一个实施例的多层天线的多端口等效电路图；

图13是用于说明根据本发明一个实施例的多层天线的多种特性的概念图；

图14和图15是示出根据本发明一个实施例的多层天线的感应电流流动的等效电路图；

图16是示出根据本发明一个实施例的多层天线的S参数特性的曲线图；

图17是示出根据本发明另一个实施例的多层天线的S参数特性的曲线图；以及

图18是示出根据图17中所示的实施例的高隔离多层天线的辐射图样的曲线图。

具体实施方式

在下文中将参照附图来描述根据本发明优选实施例的多层天线。

下面将要介绍的实施例通过MIMO(Multiple-Input，Multiple-Output)天线的例子来进行解释，但是也可以应用结构与MIMO天线类似的智能天线等天线或者能够减少相邻天线元件之间的互扰的其它天线。

图4是根据本发明一个实施例的多层天线的透视图。如图所示，多层单极天线系统是这样构造的：通过按照与图3所示的单层单极天线系统相同的方式在载体20上布置一对天线带30并且将天线板40作为上层放置在天线带30上，同时在天线板40和天线带30之间形成空气层。

图5是图4的一部分的剖视图，更详细地示出了图4的构造。如图5所示，天线带30布置在载体20上，绝缘层35作为填充有介质材料或空气以进行绝缘的间隙，形成在天线带30上，天线板40形成在绝缘层35上。

除了所示的构造之外，可以以各种方式来自由修改这种隔离构造。例如，天线带30可以形成在载体20内，或者天线板40可以先形成在载体20上并且与载体20隔离，然后天线带30可以形成在天线板40上。或者，天线带30和天线板40的两个端部都可以以隔离的方式布置在同一平面上，并且只有将天线板40的两个端部相连的部分可以布置为与天线带30隔离。这里应该注意，天线带30和天线板40的至少一部分必须具有多层结构并且保持彼此电气隔离的结构特性。

在形成如图4和图5所示的天线板40以隔离方式布置在单层天线结构中的多层天线结构时，可以防止由于天线带30与隔开的天线板40之间的耦合效应而将一个天线元件处的信号引到另一个天线元件。同时，电容器件形成在天线带30与天线板40之间，从而减小天线元件的物理长度。

图6是示出当图4所示的天线带的长度被设置为30mm时，多层天线的传输线特性的曲线图。从这个曲线图中可以看出，当应用如图4所示的天线板40时，在大约2.3GHz处产生谐振，而在单个天线系统的情形中，如图2的曲线图所示，在大约2.7GHz处产生谐振。就是说，可以证实由于天线带30与天线板40之间的电容器件而使谐振点移动大约200MHz。这表明可以装配在便携式设备中的单极天线、偶极天线、平面倒F型天线(PIFA)或者贴片天线(patch antenna)的物理长度可以减小。

因此，如图4和图5所示，当天线系统被构造为具有将通过绝缘层隔离的天线板应用到单层天线结构的多层结构时，能够减小在载体上的天线带的长度，并且能够相应地减小载体的长度，从而实质上减小天线系统的整个体积。

图7是所述多层天线的示意图及其等效电路，用于说明图4和图5中所示的多层天线结构的工作原理。首先，限定了一对由天线带30来馈送功率的天线元件，并且天线板40(具有布置在天线带30的外部并且与天线带30平行的两个端部，以及沿着与天线带30垂直的方向将两个端部互联的连接器)被构造为与天线带30隔离，从而作为第一天线A1和第二天线A2工作。如果所述天线系统被视为单个天线，则天线A1和A2的电力馈线分别被称为第一和第二端口。

天线带30同时进行功率馈送和发射，天线板40同时实现发射功能和消除感应电流的功能。

在图中右侧所示的等效电路中，在左侧和右侧并联形成的成对电容和电感分别与通过耦合作为单独的天线而工作的第一天线A1和第二天线A2相对应，上部电阻和上部电容(与图中左侧的圆中所示的部分对应)分别与天线板40的使两个端部(即，耦合器)互联的连接器相对应。

与天线板40的连接器相对应的串行连接的电容(与上述圆中所示的部分相对应)将从第一天线A1和第二天线A2发射的电流反射，并且对称结构将相互感应的电流彼此消除。就是说，串行连接的电容防止从一个天线感应的无用信号(undesired signal)传入另一个相邻的天线中。这种电路结构等效于一般的用于有源天线等天线中的去噪电路(noise removal circuit)，提供提高终端的有源性能的效果。

图8是耦合结构天线的等效电路图，示出了与电力馈线串行连接的电容C1起到阻止感应电流的作用，即去除噪声的作用。所述多层天线的这种构造可以应用于根据本发明一个实施例的如图7所示的多层天线的等效电路，从而提供阻止感应电流/去除噪声的功能，并由此提供提高终端的有源性能的效果。

图9到图11示出根据本发明的若干实施例的多层天线的例子。

图9示出了天线带30与天线板41的相邻侧的长度被延长的构造。如图所示，彼此隔开特定距离的天线带31布置在基板上的载体20上，类似′′形的天线板41与天线带31隔离并且布置在天线带31上方，并且天线板41具有布置在天线带30外部的两端(耦合器)和将所述两端互联的连接器50，连接器50被布置为与天线带31相垂直。天线带31和天线板41可以采用其它的各种结构，包括根据载体20的结构而弯曲的结构，更具体地，天线板41可以采用与类似′

′的形状不同的替换形状。

形成一对对称天线的天线带31和天线板41包括一对带状电极并且用作提供不同信号的不同的天线的电力馈线以及不同的辐射体。天线板41与天线带31相邻的两端用作通过耦合被馈给功率的天线，同时，通过将所述两端互联的连接器50的一个端部将相邻天线感应的信号屏蔽，并且将噪声去除。

图10示出构造为更立体的形式以具有多频带特性的天线带32和天线板42，是图9所示的天线带和天线板的变型。图11示出了天线带33和天线板43的简化构造，以具有更有效的频带特性。

如图9到图11所示，多层天线结构包括第一层、第二层和第三层，天线带形成在第一层中，第二层被定义为隔离空间，被定义为天线板的第三层可以按照各种立体形式(例如，近似载体的形状或者其中第一层形成在立体载体中的形状等)改变，并且布置方案可以改变为第三层、第二层和第一层顺序地布置在基板上的方式。

同时，由于可以根据天线板与天线带之间的隔离距离、天线板的耦合器(两端)的尺寸、天线带与天线板的相邻部分的长度、天线带之间的距离、天线带的结构等来调节天线的线路特性，因此需要对天线带和天线板进行适当的布置。

此外，本发明的多层天线可以被构造为具有一般的内置天线结构，诸如单极天线、偶极天线、PIFA或者贴片天线。

图12是简化的电路图，用于说明单个天线的特性随着天线线路特性的调节的变化。如图所示，在包含多个天线的多层天线中，当调节各个天线的耦合位置时，可以以不同的方式调节天线系统的特性，使得各个天线的谐振点被设置为不同，在这种情况下，可以使用可切换天线(switching antenna)来构成可调频天线系统。

就是说，由于电容和电感随着各个天线的绝缘层的高度和介电常数以及天线带和天线板的结构而变化，所以所述多层天线可以被构造为所示的等效电路那样。对等效电路的电容和电感的调节可以使天线系统具有如图13所示的不同的特性。因此，通过调节多个天线的布置，可以容易地构造具有不同频带特性的可切换天线并且可以屏蔽所感应的信号，从而提高了诸如MIMO或智能天线系统等使用相同频带的天线系统的性能。

图14和图15示出了通过阻止在使用多端口的多层天线的天线之间感应的电流的流动，即，通过阻止电流感应到天线板所感应的端口之外的其它端口，来防止干扰。

图14示出了从端口1(P1)感应的电流的流向，其中，从一侧的耦合天线感应的一侧端口的电流被形成在各个耦合天线中的电容器件阻止，从而不会干扰其它端口。类似地，图15示出了从端口2(P2)感应的电流没有感应到其它端口中。

因此，即使在构造多个天线时，当应用了多层天线时，可以减小端口间的干扰并且去除噪声，从而提高天线的性能。此外，通过调节各个层的布置结构，还可以赋予每个天线独立的特性，从而提高了这样的多层天线所应用到的终端的有源性能。

此外，由于耦合效应以及对天线间干扰的抑制，上述天线构造的使用提供延长天线长度的效果并且防止天线频带特性改变。

尽管近年来已经出现了多个天线直接互联或者在多个天线之间形成元件以便抑制相邻天线之间的干扰的单层天线结构，但是这些天线结构存在由于天线的直接互联而产生的天线带宽减小的问题。

相反，根据本发明实施例的多层天线由于天线板与天线带隔离，因此不会减小由天线带所限定的带宽，从而当在宽频段内需要同样的通信特性的多层天线被构造在小空间内时，提高了优化性能。

图16是示出当天线系统具有两个对称的单极天线时，根据本发明一个实施例的多层MIMO天线系统的S参数特性的曲线图。从这个曲线图中可以看出，在使用的2.5GHz到2.7GHz频带范围内，显示单极天线的反射特性的曲线S11和S22所表示的频带特性小于-10dB。另一方面，从这个曲线图中可以看出，显示单极天线的互扰特性的曲线S21在对应的使用频带范围内具有优异的小于-13dB的特性。

通常，由于当单极天线彼此相邻布置时，在使用的频带中S21的反射特性大于0dB，因此在使用的频带中S21的-10dB的反射特性表示一对天线之间的影响非常小或没有。

图17是示出根据本发明另一个实施例的多层天线的S参数特性的曲线图，其中，S21用dB量度表示，S22和S23用VSWR(Voltage Standing Wave Ratio，电压驻波比)(在曲线图中的右侧所示)表示。

如图所示，在1.7GHz到2.1GHz的使用频带中，S11和S22的VSWR小于2.5，S21显示出小于-7dB的特性，这表示天线间的干扰非常小或者没有。

图18示出了图17的实施例的H面方向图(H planar pattern)，其中左侧表示第一天线，右侧表示第二天线。从该图案可以看出，第一天线与第二天线对称而且互不干扰。

因此，仅仅通过在多层天线中将天线板布置为与天线带的平面相隔离，本发明的实施例就能够调节和改善天线系统的特性并且能够对多个天线的特性单独进行调节，以及在没有频带损失的情况下减小天线的长度和防止天线之间的互扰。

尽管已参照本发明的示范性实施例具体示出并描述了本发明，但本领域技术人员应该明白，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行多种形式上和细节上的修改。所提供的示例性实施例是为了解释本发明的目的，而不是限制本发明。因此，本发明意在涵盖本发明所提供的落在所述权利要求及其等同物范围内的修改和变型。

Claims

1.一种多层天线，包括：

一个或多个天线带，所述一个或多个天线带与各自的电力馈线相连接，并且被布置为彼此相邻；以及

天线板，所述天线板包括分别与所述一个或多个天线带相耦合的耦合器和将所述耦合器相互连接并且被布置为与所述天线带隔离的连接器。

2.根据权利要求1所述的多层天线，进一步包括插置于所述天线带与所述天线板之间的绝缘层。

3.根据权利要求1所述的多层天线，其中，所述天线带在载体上形成为立体形状。

4.根据权利要求1所述的多层天线，其中，所述天线板的所述耦合器被布置为与所述天线带的至少一侧相符。

5.根据权利要求1所述的多层天线，其中，所述天线板和所述天线带的布置根据由所述天线板的所述耦合器和所述天线带所限定的天线频带特性来确定。

6.根据权利要求5所述的多层天线，其中，对于由与所述天线板的所述耦合器相耦合的所述天线带所限定的各个天线，所述天线板的所述耦合器和所述天线带的布置是不同的。

7.根据权利要求5所述的多层天线，其中，对于由与所述天线板的所述耦合器相耦合的所述天线带所限定的各个天线，所述天线板的所述耦合器和所述天线带的布置是相同的。

8.根据权利要求5所述的多层天线，其中，由所述天线板的所述耦合器和与所述耦合器相耦合的所述天线带所限定的各个天线的所述天线频带特性根据所述天线板与所述天线带之间的隔离距离、所述天线板的耦合器的尺寸、所述天线带和所述天线板的相邻部分的长度、所述天线带之间的距离以及所述天线带的结构而变化。

9.根据权利要求1所述的多层天线，其中，包括所述天线板和所述天线带的天线结构是选自包括单极天线、偶极天线、平面倒F型天线(PIFA)和贴片天线结构的组中的一种。

10.一种多层天线，包括：

第一层，所述第一层形成在基板上并且在所述第一层中形成有一个或多个天线带，以确保天线的功率馈给和电气长度；

第二层，所述第二层将所述第一层与另一层隔离；

第三层，所述第三层通过所述第二层与所述第一层隔离，并且所述第三层中形成有单个传导性的天线辐射器，所述天线辐射器包括分别与所述第一层的所述天线带相耦合的耦合器。

11.根据权利要求10所述的多层天线，其中，所述第二层由绝缘体形成，所述绝缘体包括空气或者介电材料，并且限定了所述第一层的所述天线带与所述第三层的所述天线辐射器之间的隔离距离。

12.根据权利要求11所述的多层天线，其中，对于由所述第一层的所述天线带和所述第三层的所述天线辐射器的所述耦合器所限定的不同天线，所述第二层具有不同的高度。

13.根据权利要求10所述的多层天线，其中，所述第一层包括立体地形成在立体基板上的天线带。

14.根据权利要求10所述的多层天线，其中，所述第三层形成在其上形成有所述第一层的基板中。