CN102544729A - 利用天线单元内闭合电流回路提高隔离度的mimo天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用天线单元内闭合电流回路提高隔离度的MIMO天线，该天线包括基板、天线单元一、天线单元二、系统地板、地板枝节一和地板枝节二；天线单元一和天线单元二与地板枝节一和地板枝节二分别形成重叠部分一和重叠部分二；天线单元一和天线单元二与系统地板分别形成重叠部分三和重叠部分四；系统地板、地板枝节一和天线单元一通过重叠部分一形成闭合电流回路一，系统地板、地板枝节二和天线单元二通过重叠部分二组成闭合电流回路二，系统地板和天线单元一通过重叠部分三组成闭合电流回路三，系统地板和天线单元二通过重叠部分四形成闭合电流回路四。本发明能在工作带宽内有效地提高天线单元间的隔离度，从而减小地板表面波引起的互耦。
Description
技术领域
本发明涉及两单元的MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出)天线阵的技术领域，更具体地说，涉及一种利用天线单元内闭合电流回路提高隔离度的MIMO天线。
背景技术
第三代移动通信系统(3G)存在一些不足，包括通信速率较低，提供服务速率的动态范围不大，不能真正实现不同频段的不同业务环境间的无缝漫游，不能满足各种业务类型要求，以及分配给3G系统的频率资源已经趋于饱和等，故3G难以满足用户日益增长的需求，不能提供动态范围多速率业务。于是人们开始着手研究3G的长期演进LET(Long Term Evolution，长期演进)项目和第四代移动通信(4G)。
MIMO技术被认为是LET项目和4G的关键技术之一。MIMO技术最早是由Marconi于1908年提出的，它利用多天线来抑制信道衰落。MIMO技术利用多天线进行发射/接收分集，从而得到一定的分集增益；MIMO技术利用多天线进行空间复用则可以提高频谱利用率，不增加系统的发射功率就可以大大地提高传输速率。
MIMO天线设计是MIMO通信系统的关键技术。对于基站而言，因为可用空间大，多天线技术的应用容易得到实现。由于世界各地分配给LET以及4G通信系统频率不一样，宽带宽、隔离度高、性能稳、适用于手机等移动终端设备的小型MIMO天线的设计十分重要。但是对于手持设备(如手机)来说，将多个天线集成在小空间中，会引起很大的互耦，天线的性能如工作带宽、发射效率、辐射方向图等等，就会发射畸变。小型、宽带/多频、高隔离度的手机天线设计是目前MIMO技术领域的重要研究方向。
目前为了减小天线单元间的互耦，提高天线单元间的隔离度，已经发展形成了多种的方法。
2004年Gaoming Chi，Binhong Li，和Dongsheng Qi等人在MICROWAVEAND OPTICAL TECHNOLOGY LETTERS发表题为“Dual-Band Printed DiversityAntenna for 2.4/5.2-GHz WLAN Application”的文章，在该文章中提出了利用T型地板枝节来提高两天线单元间的隔离度。
2005年Kyeong-Sik Min等人在发表在欧洲微波会议上发表题为“ImprovedMIMO Antenna by Mutual Coupling Suppression between Elements”的文章，报道了寄生单元可以减小天线单元间互耦，该文利用六个寄生单元，在5.15-5.35GHz(|S11|＜-10dB)频带内将隔离度提高到25dB。
2007年Yuan Ding，Zhengwei Du，Ke Gong等人在IEEE TRANSACTIONSON ANTENNAS AND PROPAGATION上发表了题为“A Novel Dual-Band PrintedDiversity Antenna for Mobile Terminals”的文章，该文提出利用两对L型地板枝节去减小地板表面波引起的互耦，从而提高MIMO天线两单元间的隔离度。
2008年，Angus C.K.Mak，Corbett R.Rowell，和Ross D.Murch等人在IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION上发表了题为“Isolation Enhancement Between Two Closely Packed Antennas”的文章，该文证实地板缝隙可以提高MIMO天线单元间的隔离度。
可见减小耦合的主要方法有：EBG地板结构、解耦网络、地板缝隙、反射单元、地板分支和中和线。然而以上的解耦方法仅仅适用于窄带工作带宽中，而且大多数结构设计复杂，难以实现小型、宽带/多频、高隔离度的设计要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种利用天线单元内闭合电流回路提高隔离度的MIMO天线，该MIMO天线结构简单、制作容易、带宽宽和隔离度高，适合作为如手机等移动终端的设备，并能够在多径通信环境中提供良好的分集增益，抵抗多径衰落，或提供复用增益，提高系统的信道容量。
为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：一种利用天线单元内闭合电流回路提高隔离度的MIMO天线，包括基板，印制在基板正面的天线单元一、天线单元二、微带线一和微带线二，印制在基板背面的系统地板以及分别通过微带线一和微带线二连接天线单元一和天线单元二的激励端口一和激励端口二；所述天线单元一和天线单元二分别通过微带线一和微带线二进行馈电；其特征在于：还包括印制在基板背面的地板枝节一和地板枝节二；所述印制在基板正面的天线单元一和天线单元二与印制在基板背面的地板枝节一和地板枝节二分别形成重叠部分一和重叠部分二；所述印制在基板正面的天线单元一和天线单元二与印制在基板背面的系统地板分别形成重叠部分三和重叠部分四；所述系统地板、地板枝节一和天线单元一通过重叠部分一形成闭合电流回路一，系统地板、地板枝节二和天线单元二通过重叠部分二组成闭合电流回路二，系统地板和天线单元一通过重叠部分三组成闭合电流回路三，系统地板和天线单元二通过重叠部分四形成闭合电流回路四；所述闭合电流回路一和闭合电流回路二同属于一类电流回路，闭合电流回路三和闭合电流回路四同属于另一类电流回路。
通过上述方案，可得到一种结构简单，制作容易、高隔离度的宽带MIMO天线，该MIMO天线的天线单元内形成闭合电流回路，将大部分分布在系统地板上的表面电流限制在闭合电流回路内，从而提高MIMO天线单元间的隔离度，减小地板表面电流引起的互耦。
更具体地说，所述微带线一和微带线二为50欧姆的微带线。
所述天线单元一和天线单元二为三角形的天线单元，并相互垂直地印制在基板的正面。相互垂直的天线单元在理论上是失配的，这样设计有利于减小空间波引起的互耦。
所述基板是相对介电常数为1-1000的介质基板。
本发明MIMO天线的工作原理是这样的：当天线单元一和天线单元二被激励时，会在系统地板上诱发比较大的耦合电流，而系统地板表面电流是产生两天线单元之间的强互耦的主要原因。在本发明提出的MIMO天线的工作带宽的低频处，本发明的天线单元一内部的闭合电流回路一能有效地将大部分天线单元一激励时产生的地板表面电流抑制在闭合电流回路一内，从而极大地减小了由激励端口一流向激励端口二的地板表面电流；同样原理，在本发明提出的MIMO天线的工作带宽的低频处，天线单元二内部的闭合电流回路二能有效地将大部分天线单元二激励时产生的地板表面电流抑制在闭合电流回路二内，从而极大地减小了由激励端口二流向激励端口一的地板表面电流。在本发明提出的MIMO天线的工作带宽的高频处，本发明的天线单元一内部的闭合电流回路三能有效地将大部分天线单元一激励时产生的地板表面电流抑制在闭合电流回路三内，从而极大地减小了由激励端口一流向激励端口二的地板表面电流；同样原理，在本发明提出的MIMO天线的工作带宽的高频处，天线单元二内部的闭合电流回路四能有效地将大部分天线单元二激励时产生的地板表面电流抑制在闭合电流回路四内，从而极大地减小了由激励端口二流向激励端口一的地板表面电流。通过上述的工作原理，在本发明提出的MIMO天线的宽工作带宽内，天线单元一和天线单元二之间的隔离度得到有效地提高，而且内部的闭合电流回路不额外占用空间，有利于MIMO天线的小型化设计，同时降低加工制作的工作难度。
与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：
1、与已有移动终端设备MIMO天线设计相比较，本发明中提出利用天线单元的内闭合电流回路能在宽带工作带宽内有效地提高天线单元间的隔离度，从而减小地板表面电流引起的互耦。
2、与已有移动终端设备MIMO天线设计相比较，本发明提出的两类提高隔离度的内部电流回路对天线单元阻抗匹配的影响相互抵消，有助于得到宽阻抗带宽。
3、与已有移动终端设备MIMO天线设计相比较，本发明具有更小的尺寸，有利于实现MIMO天线的小型化，本发明具有更简单的结构，从而可以降低生产成本，适用于各种多功能小型手持设备中。
附图说明
图1(a)是本发明MIMO天线所利用的基板示意图；
图1(b)是本发明利用天线单元内的闭合电流回路提高隔离度的两单元MIMO天线的结构示意图；
图2是本发明MIMO天线频率响应的电磁仿真曲线示意图；
图3是传统的MIMO天线结构示意图；
图4是传统的MIMO天线频率响应的电磁仿真曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。
实施例
本发明以型号为FR4的基板为例进行说明。
本发明利用天线单元内的闭合电流回路提高隔离度的两单元MIMO天线结构示意图如图1(a)和图1(b)所示，该MIMO天线包括一个型号为FR4的基板11，还包括两个三角形天线单元(天线单元一16a和天线单元二16b)，两个激励端口(激励端口一17a和激励端口二17b)，系统地板14和两个地板枝节(地板枝节一15a和地板枝节二15b)。天线单元一16a和天线单元二16b相互垂直被印制在FR4基板11的正面12，系统地板14、地板枝节一15a和地板枝节二15b被印制在FR4基板11的背面13。天线单元一16a由同样印制在FR4基板11正面12的50欧姆的微带线一18a进行馈电；天线单元二16b由同样印制在FR4基板11正面12的50欧姆的微带线二18b进行馈电。印制在FR4基板11正面12的天线单元一16a和天线单元二16b与印制在FR4基板11背面13的地板枝节一15a和地板枝节二15b分别存在重叠部分一19a和重叠部分二19b；印制在FR4基板11正面12的天线单元一16a和天线单元二16b与印制在FR4基板11背面13的系统地板14分别存在重叠部分三110a和重叠部分四110b。其中，系统地板14、地板枝节一15a和天线单元一16a通过重叠部分一19a和重叠部分三110a形成闭合电流回路一；系统地板14、地板枝节二15b和天线单元二16b通过重叠部分二19b形成闭合电流回路二；系统地板14和天线单元一16a通过重叠部分三110a组成闭合电流回路三；系统地板14和天线单元二16b通过重叠部分四110b组成闭合电流回路四。
传统的MIMO天线结构示意图如图3所示，与本发明图1相比，传统的MIMO天线在FR4基板11背面13上没有印制地板枝节一15a和地板枝节二15b，也没有本发明中的重叠部分一19a、重叠部分二19b、重叠部分三110a和重叠部分四110b，所以不能形成闭合电流回路一、闭合电流回路二、闭合电流回路三和闭合电流回路四。
本发明闭合电流回路一、闭合电流回路二、闭合电流回路三和闭合电流回路四的作用，可从图2和图4的两个频率响应的电磁仿真曲线示意图中得到了很好理解。从图2可以观察到，相对于图3而言，图1(b)天线的工作带宽变化比较小，但是天线单元间的隔离度却得到了很大的提高(在带宽内提高了12dB)。由此可见，本发明提出闭合电流回路一、闭合电流回路二、闭合电流回路三和闭合电流回路四能够有效地提高MIMO天线单元间的隔离度。其中电流回路一和二同属于一类电流回路，电流回路三和电流回路四同属于另一类电流回路，而这两种电流回路对MIMO天线单元的阻抗匹配的反作用能相互抵消，故这两种电流回路的应用对MIMO天线工作带宽的影响小，实现了宽带，高隔离度，结构简单，尺寸小的设计要求。
本发明可通过调整天线单元一16a和天线单元二16b的尺寸，实现宽阻抗带宽；通过调整闭合电流回路中包含的的重叠部分一19a、重叠部分二19b、重叠部分三110a和重叠部分四110b，可以实现高隔离度的设计要求。
本发明MIMO天线的工作原理是这样的：当天线单元一16a和天线单元二16b被激励时，会在系统地板14上诱发比较大的耦合电流，而系统地板14表面电流是产生两天线单元之间的强互耦的主要原因。本发明的天线单元一16a内部的闭合电流回路一和闭合电流回路三分别在工作带宽的低频和高频有效地将大部分天线单元一16a激励时产生的地板表面电流抑制在闭合电流回路一和闭合电流回路三内，从而极大地减小了由激励端口一17a流向激励端口二17b的地板表面电流；同样原理，天线单元二16b内部的闭合电流回路二和闭合电流回路四分别在工作带宽的低频和高频有效地将大部分天线单元二16b激励时产生的地板表面电流抑制在闭合电流回路二和闭合电流回路四内，从而极大地减小了由激励端口二17b流向激励端口一17a的地板表面电流。通过上述的工作原理，天线单元一16a和天线单元二16b之间的隔离度得到有效地提高，内部的闭合电流回路不额外占用空间，有利于MIMO天线的小型化设计，而且内部的闭合电流回路结构简单，降低加工制作的工作难度。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种利用天线单元内闭合电流回路提高隔离度的MIMO天线，包括基板，印制在基板正面的天线单元一、天线单元二、微带线一和微带线二，印制在基板背面的系统地板以及分别通过微带线一和微带线二连接天线单元一和天线单元二的激励端口一和激励端口二；所述天线单元一和天线单元二分别通过微带线一和微带线二进行馈电；其特征在于：还包括印制在基板背面的地板枝节一和地板枝节二；所述印制在基板正面的天线单元一和天线单元二与印制在基板背面的地板枝节一和地板枝节二分别形成重叠部分一和重叠部分二；所述印制在基板正面的天线单元一和天线单元二与印制在基板背面的系统地板分别形成重叠部分三和重叠部分四；所述系统地板、地板枝节一和天线单元一通过重叠部分一形成闭合电流回路一，系统地板、地板枝节二和天线单元二通过重叠部分二组成闭合电流回路二，系统地板和天线单元一通过重叠部分三组成闭合电流回路三，系统地板和天线单元二通过重叠部分四形成闭合电流回路四；所述闭合电流回路一和闭合电流回路二同属于一类电流回路，闭合电流回路三和闭合电流回路四同属于另一类电流回路。
2.根据权利要求1所述的利用天线单元内闭合电流回路提高隔离度的MIMO天线，其特征在于：所述微带线一和微带线二为50欧姆的微带线。
3.根据权利要求1所述的利用天线单元内闭合电流回路提高隔离度的MIMO天线，其特征在于：所述天线单元一和天线单元二为三角形的天线单元，并相互垂直地印制在基板的正面。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的利用天线单元内闭合电流回路提高隔离度的MIMO天线，其特征在于：所述基板是相对介电常数为1-1000的介质基板。
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