CN102437417A - 用于移动终端的立体型两天线系统 - Google Patents

Abstract

用于移动终端的立体型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、折叠线结构地支、微带馈线以及金属地。辐射天线单元，包括两个单极子天线单元，印刷在顶板和右侧板的正面，通过微带线馈电；两个折叠线结构地支，采用折叠线结构减小所占面积，实现天线系统结构紧凑和调节匹配，与单极子天线单元构成准偶极子天线，减小天线单元之间的耦合；金属地，用于模拟无线通信系统移动终端中除辐射天线外的其它金属部分。本发明具有结构紧凑、低互耦、低成本、易制作、易集成，特别适用于无线通信移动终端的特点。

Description

用于移动终端的立体型两天线系统

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手持移动终端的立体型两天线系统的结构设计。

背景技术

随着现代无线通信技术的发展，人们对通信质量、业务种类的要求进一步提高，同时由于多媒体业务的不断推出，所需要的频谱资源也日益增多，这就造成了日益增长的带宽需求同有限的频谱资源之间的矛盾。多输入多输出(MIMO)技术被认为是现代通信史上最重大的技术突破之一，也是解决这一矛盾的关键技术。MIMO通信系统在无线通信收发两端分别采用多天线技术，以提高频谱利用率，提高信噪比，改善通信质量，从而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。

天线作为连接无线信道与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。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体积小，重量轻，待机时间长，低成本，辐射效率高和多频或宽频等方向发展，所有这些要求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，通常使两个天线间距尽量大，并且在地枝上采用倒L形或T形结构；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，包括折叠单极子、传输线加载单极子、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、PDA (Personal Digital Assistant)、DVB(DigitalVideo Broadcasting)手持移动终端等则不适用。

对于小尺寸的移动终端，由于天线单元之间的距离很小，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立体型两天线系统的结构设计。它通过采用立体结构，使得天线系统结构紧凑，并且容易与移动终端集成；采用准偶极子的天线单元，减小了辐射天线单元之间的耦合和信号相关性，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；采用普通的数字电路的印刷电路板加工工艺，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、折叠线结构地支、微带馈线以及金属地，其中：

介质板，呈矩形，共计四块，分别为主板1、位于主板1短边侧上的顶板2、分别位于所述主板1左、右长边侧且与所述顶板2连接成“∏”字形的第一侧板31和第二侧板32，所述顶板2与第一侧板31、第二侧板32均垂直连接于所述主板1的正面，且均采用印刷电路板；

辐射天线单元4，包括第一单极子天线单元41和第二单极子天线单元42，所述第一单极子天线单元41印刷在所述主板1的左侧且正对着所述主板1正面的顶板2的正面上，所述第二单极子天线单元42印刷在正对着所述主板1的正面且与所述顶板2右侧相连接的第二侧板32正面上；

微带馈线5，包括第一微带馈线51和第二微带馈线52，分别位于所述主板1左、右两侧，分别通过顶板2左、右两侧的短边向所述第一单极子天线单元41和第二单极子天线单元42馈电；

折叠线结构地支6，包括：第一折叠线结构地支61和第二折叠线结构地支62，其中：所述第一折叠线结构地支61位于第一侧板31的背面顶侧，通过位于所述顶板2背面左侧的第一金属片71从所述主板1的顶侧与所述金属地8相连，所述第二折叠线结构地支62位于顶板2背面的右侧，通过所述第二侧板32上垂直于所述主板1右侧的第二金属片72与所述金属地8相连，所述第一折叠线结构地支61与所述第一单极子天线单元41构成准偶极子天线，所述第二折叠线结构地支62与所述第二单极子天线单元42构成准偶极子天线，所述折叠线结构地支6采用折叠线结构以减小所占面积，实现所述两天线系统结构紧凑和调节匹配；

金属地8，位于所述主板1的背面，模拟无线通信系统移动终端中除辐射天线单元以外的其它金属部分。

所述介质板厚0.8mm，相对介电常数为4.4，微带馈线宽度为1.5mm，所述顶板2、第一侧板31和第二侧板32的高度均为6.5mm。

本发明具有结构紧凑、易集成、低互耦、支持MIMO功能，适用于无线通信移动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立体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向视图即主板上微带馈线的结构图。

图4为图1的C向视图即主板上的金属地的结构图。

图5为图1的D向视图即顶板上的折叠线结构地支的结构图。

图6为图1的E向视图即顶板上的单极子天线单元的结构图。

图7为图1的F向视图即右侧板上的单极子天线单元的结构图。

图8为图1的G向视图即右侧板背面上的连接折叠线结构地支62与金属地8的金属片72的结构图。

图9为主板上的微带馈线的实施实例尺寸图，单位均为毫米(mm)。

图10为主板上的金属地的实施实例尺寸图，单位均为毫米(mm)。

图11为左侧板背面上的折叠线结构地支61的实施实例尺寸图，单位均为毫米(mm)。

图12为右侧板正面上的单极子天线单元42的实施实例尺寸图，单位均为毫米(mm)。

图13为右侧板背面上的连接折叠线结构地支62与金属地8的金属片72的实施实例尺寸图，单位均为毫米(mm)。

图14为顶板正面上的单极子天线单元的实施实例尺寸图，单位均为毫米(mm)。

图15为顶板背面上的折叠线结构地支62的实施实例尺寸图，单位均为毫米(mm)。

图16为图1实施实例的用于移动终端的立体型两天线系统的单元反射系数(S参数)图。

图17为图1实施实例的用于移动终端的立体型两天线系统的单元之间耦合系数(S参数)图。

图18为图1实施实例的立体型两天线系统中左侧天线单元接2.45GHz的激励、右侧天线单元接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)：

(18a)x-y平面实测方向图；

(18b)x-z平面实测方向图；

(18c)y-z平面实测方向图。

图19为图1实施实例的立体型两天线系统中右侧天线单元接2.45GHz的激励、左侧天线单元接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)：

(19a)x-y平面实测方向图；

(19b)x-z平面实测方向图；

(19c)y-z平面实测方向图。

对附图中的标示说明如下

1为主板；2为顶板；31、32分别为左侧板和右侧板；41、42分别为第一单极子天线单元和第二单极子天线单元；51、52为1.5mm宽的微带馈线；61为左侧板背面的折叠线结构地支；62为顶板背面上的折叠线结构地支；71为顶板背面左侧的第一金属片；72为右侧板背面上的第二金属片；8为主板背面的金属地。

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立体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四个印刷电路板的正面和背面上，包括微带馈线51、52，单极子天线单元41、42，折叠线结构地枝61、62，金属地8，连接金属地与折叠线结构地支的金属片71、72。

其特征在于，两个单极子天线单元41和42位于主板1的左上角和右上角，分别印刷在顶板2和右侧板32的背面上。天线单元由微带馈线51、52(特性阻抗为50欧姆)进行馈电。折叠线结构地支61、62，目的是与单极子天线单元41、42构成准偶极子天线，可以减少两个天线单元之间的互耦。金属连接片71、72，目的是将折叠线结构地支61、62连接到金属地8。金属地8，位于主板1的背面，用于模拟无线通信系统移动终端中除辐射天线以外的其它金属部分。

本发明的技术方案是这样实现的：首先单极子天线单元为1/4波长谐振模式，因此可以根据工作频段选取合适的天线单元尺寸；然后设计折叠线结构地枝，与天线单元形成准偶极子天线，它可以减小天线单元之间的电流耦合从而降低总的耦合；最后，将两个尺寸进行一定的调整和联合优化以满足设计要求。

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立体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9-图15所示，图中所有尺寸的单位均为毫米(mm)。

以图9～图15所示尺寸实测的立体型两天线系统的单元反射系数S11和S22如图16所示；实测的立体型两天线系统的单元之间耦合系数S21如图17所示。由图16可看出，单元的-10dB阻抗频带为2380～2620MHz；由图17可看出，在工作频段内单元之间的耦合系数S21在-16dB以下。另外，由图18和图19中实测的功率增益方向图可看出，工作在2.45GHz时，立体型两天线系统可以实现方向图分集，满足MIMO通信系统对移动终端多天线的要求。

Claims (2)

1.用于移动终端的立体型两天线系统，其特征在于，含有：介质板、辐射天线单元、折叠线结构地支、微带馈线以及金属地，其中：

介质板，呈矩形，共计四块，分别为主板(1)、位于主板(1)短边侧上的顶板(2)、分别位于所述主板(1)左、右长边侧且与所述顶板(2)连接成“∏”字形的第一侧板(31)和第二侧板(32)，所述顶板(2)与第一侧板(31)、第二侧板(32)均垂直连接于所述主板(1)的正面，且均采用印刷电路板；

辐射天线单元(4)，包括第一单极子天线单元(41)和第二单极子天线单元(42)，所述第一单极子天线单元(41)印刷在所述主板(1)的左侧且正对着所述主板(1)正面的顶板(2)的正面上，所述第二单极子天线单元(42)印刷在正对着所述主板(1)的正面且与所述顶板(2)右侧相连接的第二侧板(32)正面上；

微带馈线(5)，包括第一微带馈线(51)和第二微带馈线(52)，分别位于所述主板(1)左、右两侧，分别通过顶板(2)左、右两侧的短边向所述第一单极子天线单元(41)和第二单极子天线单元(42)馈电；

折叠线结构地支(6)，包括：第一折叠线结构地支(61)和第二折叠线结构地支(62)，其中：所述第一折叠线结构地支(61)位于第一侧板(31)的背面顶侧，通过位于所述顶板(2)背面左侧的第一金属片(71)从所述主板(1)的顶侧与所述金属地(8)相连，所述第二折叠线结构地支(62)位于顶板(2)背面的右侧，通过所述第二侧板(32)上垂直于所述主板(1)右侧的第二金属片(72)与所述金属地(8)相连，所述第一折叠线结构地支(61)与所述第一单极子天线单元(41)构成准偶极子天线，所述第二折叠线结构地支(62)与所述第二单极子天线单元(42)构成准偶极子天线，所述折叠线结构地支(6)采用折叠线结构以减小所占面积，实现所述两天线系统结构紧凑和调节匹配；

金属地(8)，位于所述主板(1)的背面，模拟无线通信系统移动终端中除辐射天线单元以外的其它金属部分。

2.根据权利的要求1所述的用于移动终端的立体型两天线系统，其特征在于：所述介质板厚0.8mm，相对介电常数为4.4，微带馈线宽度为1.5mm，所述顶板(2)、第一侧板(31)和第二侧板(32)的高度均为6.5mm。

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