CN102832448B - 具有多频特性的多入多出天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有多频特性的多入多出(MIMO)天线，具体地说，提供一种通过多个由一对天线元件组成的MIMO天线来支持多频段的天线结构，尽量降低各MIMO天线的天线元件之间的干扰并提高隔离度，从而保持了对不同频段的较高的天线效率。本发明涉及的具有多频特性的MIMO天线具备支持不同频段的两对不同的天线图案，并通过与各对隔开并耦合的耦合天线部来改善隔离度，从而保证了天线增益，抵消通过耦合发生的信号干涉，不改变天线特性，从而保证多频段的带宽，因此在构成两个以上的支持多频段的天线的同时，保证其进行稳定动作。

Description

具有多频特性的多入多出天线

技术领域

本发明涉及一种具有多频特性的多入多出天线(以下简称为MIMO天线：Multi-Input Multi-Output antenna)，更详细地说，该具有多频特性的多入多出天线，具体为，提供一种通过多个由一对天线元件组成的MIMO天线来支持多频段的天线结构，尽量降低各MIMO天线的天线元件之间的干扰并提高隔离度，从而保持了对不同频段的较高的天线效率。

背景技术

当前的移动通信技术从3G逐步过渡到LTE(Long Term Evolution：长期演进)或Wibro(韩国的无线通信技术)等支持4G的技术，并出现了各种支持4G所用频段的同时保证移动性的通信方式。

作为这些通信方式中的一种就是使用多个天线的MIMO(Multi InputMulti Output：多入多出)方式。MIMO是一种能够解决信号衰减、干扰的增加、频谱限制等无线通信中的诸多问题的有效而全新的接近方式。

MIMO方式通过使用多个天线提供天线的分集(Diversity)，从而成倍地提高数据处理速度，同时提高频段范围及可靠性，而不消耗更多的无线频率。

MIMO方式是通过一个无线信道发送和接收两个以上的个别数据流的革新性的多维接近方式，通过该方式，系统在每个信道中能够提供两倍以上的数据传输速度。MIMO方式能够同时传输多个数据流，因此在不追加使用频谱的情况下也能使无线数据容量增加好几倍。

MIMO系统的最高处理速度可提高至与通过无线信道传输的信号流数量相当的倍数。从不同的无线装置和天线分别传送多个信号，因此MIMO信号也叫多维信号。

具有上述优点的MIMO具有如下缺点。首先，MIMO需要多个天线元件，因此移动通信终端需要在比基站相对小的空间里安装多个天线，而使用多个天线会发生天线之间的耦合(coupling)现象，导致信号的失真或抵消，出现接收灵敏度显著降低的现象。因此，需要消除这种耦合效果。

为了减少上述耦合现象的同时，防止各天线元件的辐射信号给别的天线带来影响，将两个天线元件间隔规定距离配置而增加隔离度(isolation)，以避免一个天线元件所占的辐射图形范围与别的天线元件的辐射图形重合，从而能够解决上述问题。但是，在目前随着移动终端尺寸的小型化，MIMO元件尺寸也愈来愈小型化的情况下，很难在天线元件之间保持一定的间隔距离，其结果是，天线元件的辐射图形相互重叠，由此各天线元件的辐射信号相互干扰而导致衰减，从而降低接收灵敏度。

为了解决上述问题，如图1所示，最近采用一种增加短路线使具有不同馈电点的天线元件互相短路的方式。这种方式，由于从第一天线元件被激励到第二天线元件的信号与第一天线元件的信号互为相反方向，因此，在上述短路线中，上述第一天线元件的信号和上述第二天线元件的信号相互被抵消，由此增加上述隔离度，并能够适用于小型移动通信终端上。

但是，上述方式具有改变天线元件的频带特性从而减小带宽的缺点。

而且，最近的相当于上述4G的通信技术支持多个不同的频带，因此需要对各频段设置MIMO天线，但是如上所述，现有的MIMO天线技术很难同时满足高隔离度和足够的带宽，而应对多个带宽，所需的天线元件数量也相应增加，因此在现有移动通信终端的空间内实现MIMO天线方式，无疑愈来愈困难。

由此，需要一种利用多个天线元件并解决上述问题的实现MIMO天线的技术。

发明内容

本发明旨在解决上述现有问题，其目的在于提供一种MIMO天线结构，其形成有对应不同频段的多个天线图案，通过提高各天线图案之间的隔离度，尽可能减少信号干扰，并能够防止带宽损失。

另外，本发明的目的在于提供最佳结构的MIMO天线，其利用天线图案之间的耦合现象来抵消各天线图案之间的信号干扰，并能够提高对于各天线图案所对应的频段的天线增益。

为了达到上述目的，本发明所涉及的具有多频特性的MIMO天线，可包括：下部基板，具有两对馈电部；一对载体，配置在上述下部基板的两侧；第一频段的第一天线图案以及第二频段的第二天线图案，与上述馈电部连接，并形成在一侧载体上；第一频段的第三天线图案以及第二频段的第四天线图案，与上述馈电部连接，并形成在另一侧载体上；第一耦合天线部以及第二耦合天线部，隔开形成在设有上述天线图案的上述载体的上部，上述第一耦合天线部形成在上述一侧载体的上部，并以第一频段工作，而上述第二耦合天线部形成在上述另一侧载体的上部，且以第二频段工作。

此时，上述MIMO天线使用LTE、Wibro(Mobile WiMAX)的无线通信方式，并可收纳于设置在车辆的一部分并具有向上述馈电部提供电流的连接器的天线盒中。

另外，相对于上述第二频段，上述第一频段可具有两倍以上的谐振频率，上述第一耦合天线部和第二耦合天线部中的至少一个具有面向另一个的延长部，可通过上述延长部执行短截线(stub)功能。

另外，上述第一耦合天线部和上述第二耦合天线部中的至少一个包括闭环，上述第一至第四天线图案具有λ/4的长度，上述第一至第二耦合天线部具有λ/2的长度。

为了达到上述目的，本发明所涉及的具有多频特性的MIMO天线可包括：第一载体，形成有第一频段的天线图案及第二频段的天线图案；第二载体，与上述第一载体隔开配置，并形成有第一频段的天线图案及第二频段的天线图案；第一耦合天线部以及第二耦合天线部，隔开配置在上述第一及第二载体上部，上述第一耦合天线部形成在上述第一载体的上部，并以第一频段进行动作，而上述第二耦合天线部形成在上述第二载体的上部，并以第二频段进行动作。

此时，相对于上述第二频段，上述第一频段具有两倍的频段。

上述第一耦合天线部和第二耦合天线部中的至少一个具有面向另一个的延长部，可通过上述延长部执行短截线(stub)功能。

另外，上述第一耦合天线部和上述第二耦合天线部中的至少一个可包括闭环。

本发明涉及的具有多频特性的MIMO天线具备支持不同频段的两对不同的天线图案，并通过与各对隔开并耦合的耦合天线部来改善隔离度，从而保证了天线增益，抵消通过耦合发生的信号干涉，不改变天线特性，从而保证多频段的带宽，因此在构成两个以上的支持多频段的天线的同时，保证其进行稳定动作。

另外，本发明在构成多个对应于不同频段的MIMO天线时，提供一种耦合天线，其有效地对隔开的天线图案之间通过耦合而被激励的电流进行相互抵消，提高各天线图案之间的隔离度，提高特定频段的天线增益，从而以简单的结构改善天线的性能。

另外，本发明提供耦合效果最大化的各种耦合天线结构，进一步改善上述各天线图案以及耦合天线的隔离度以及天线增益。

附图说明

图1为现有技术中的MIMO天线的示意图；

图2为本发明之具有多频特性的MIMO天线的适用于车辆的实施例的示意图；

图3为本发明的具有多频特性的MIMO天线的构成实施例示意图；

图4为本发明的具有多频特性的MIMO天线中耦合天线部的构成实施例的示意图；

图5为本发明中设有耦合天线部的、具有多频特性的MIMO天线的实施例示意图；

图6为本发明的天线图案和耦合天线部结构的另一实施例的示意图；

图7为本发明的具有多频特性的MIMO天线中的各天线的S参数特性曲线；

图8为本发明的具有多频特性的MIMO天线的整个天线的S参数特性曲线。

具体实施方式

现有MIMO天线考虑到提高两个天线图案之间的隔离度，并尽可能减少隔离度提高所带来的频带特性变化，从而能够保证对于特定频段的一定的带宽。

但是，为了在LTE(Long Term Evolution：长期演进)或Wibro(等利用多个互为不同的频段的无线通信方式中使用MIMO天线，需要多个对应于各频段的MIMO天线，因此需要在有限的空间内配置比现有的由两个天线图案构成的MIMO天线更多的天线图案。

尤其是，被确定为下一代4G移动通信网的LTE包括使用700～800MHz频段的场合以及使用2～3GHz频段的场合，为了包含这些频段，需要在有限的空间内收容至少两对支持不同频段的MIMO天线。

因此，本发明的具有多频特性的MIMO天线，保障了支持不同频段的两对相互不同的天线图案之间的隔离度，提高天线增益，并尽可能地保证MIMO天线的带宽。

以下，参照附图对上述本发明的具有多频特性的MIMO天线的实施例进行详细说明。

附图中所表示的实施例是有关MIMO天线的例子，但也可以适用于具有类似结构的智能天线等，适用于用来提高临接的天线之间的隔离度的各种天线上。

而且，后述的实施例为适用于车辆的MIMO天线，但不限于此。

图2为本发明之设置于车辆的具有多频特性的MIMO天线的立体图，首先，如图2之(a)、(b)所示，设置于车辆的MIMO天线能够被收容于天线盒1中，上述天线盒1可具有多个连接器2以接收来自车辆的电流。

如图2之(c)所示，上述具有多频特性的MIMO天线10具备：电路基板，收容于上述天线盒1内，并具有与上述连接器2连接的馈电部；一对载体，配置在上述电路基板上；两对天线图案，配置于上述载体上，并对应于不同频段；耦合天线部，在上述天线图案的上部通过绝缘用的介电绝缘材料或利用空气的气隙形成绝缘层，在其上部形成用于耦合的耦合天线部。

下面，基于上述结构，通过图3至图5对本发明之具有多频特性的MIMO天线的详细结构进行说明。

首先，图3表示去除上述绝缘层和耦合天线部的状态下的MIMO天线，如图所示，在电路基板11上包括多个与上述连接器2连接的馈电部14，一对载体12、13配置在上述电路基板11上。此时，上述各载体12、13可配置在电路基板11的两侧。

另外，上述载体12、13上形成有多个对应于不同频段的天线图案101、102、103、104，在上述多个天线图案中，一对天线图案101、102具有对应于第一频段的谐振长度，而另外的一对天线图案103、104具有对应于第二频段的谐振长度。此时，上述各天线图案分别连接在形成于上述电路基板上的多个馈电部14中的一个，可独立地进行辐射，并可具有λ/4的天线长度。

即，具有一对天线图案以分别对应两个频段，成对的天线图案分别形成在不同的载体上。

这样，对应于第一频段的第一以及第二天线图案101、102分别形成在载体12、13上，同样，对应于第二频段的第三以及第四天线图案103、104分别形成在载体12、13上。

在图示的实施例中，一侧载体12上形成有第一及第三天线图案101、103而另一侧载体13上形成有第二及第四天线图案102、104。

另外，上述第一频段和第二频段的天线图案的形成方式是，对应同一频段的天线图案相互对置地配置。即，上述第一天线图案101和第二天线图案102相互对置、上述第三天线图案103和上述第四天线图案104相互对置地形成在各载体12、13上。

上述第一频段的谐振频率可为上述第二频段的谐振频率的两倍以上，这样，即使形成在同一个载体上的第一频段的天线图案和上述第二频段的天线图案之间发生耦合现象，也能够获得规定的隔离度。

此时，上述第一频段可以是600～800MHz频段，上述第二频段可以是2～3GHz频段。另外，上述第一频段的谐振频率可以是700MHz，上述第二频段的谐振频率可以是2.7GHz。

例如，如果是适用于LTE的天线，要求支持低频和高频段，而且低频段的谐振频率和高频段的谐振频率相差两倍以上，因此能够使用本发明。

而配置在不同载体12、13上的对应于A的一对天线图案101、102因属于相对高的频段，故能够通过隔开的载体12、13间的距离保证最低限度的隔离度，但对应于B的一对天线图案103、104对应低频频段，隔离度较低，因此相互邻接配置带来的耦合现象有可能导致信号衰减或失真。

当然，因存在各载体12、13内的天线间干扰、高频间的干扰以及各图案之间的干扰，很难将这些图案使用为两对MIMO天线。因此，需要一种保证上述各天线图案之间的隔离度的同时改善带宽的结构。

为了解决上述问题，本发明的具有多频特性的MIMO天线的结构和动作原理图示在图4至图5中。

首先，通过上述图4的实施例进行详细说明如下，在上述各载体12、13上形成的多个天线图案101、102、103、104的上部形成绝缘层210。在上述绝缘层210上部形成面向上述第一及第三天线图案101、103的第一耦合天线部201，以及面向上述第二及第四天线图案102、104的第二耦合天线部202。

这样，如图5所示，上述第一耦合天线部201通过上述绝缘层210与上述第一及第三天线图案101、103隔离并形成耦合，上述第二耦合天线部202与上述第二及第四天线图案102、104隔离并形成耦合。

此时，上述第一耦合天线部201通过上述耦合结构而具有对应于第二频段的谐振长度，上述第二耦合天线部通过上述耦合结构而具有对应于第一频段的谐振长度，但也可以形成为相反的结构。

另外，上述第一及第二耦合天线部201、202利用耦合现象进行辐射，因此优选具有λ/2的天线长度。

通过上述结构，上述第一耦合天线部201同时与上述第一天线图案101及第三天线图案103耦合，上述第二耦合天线部202同时与上述第二天线图案102及上述第四天线图案104耦合。

即，上述第一及第二耦合天线部201、202分别是电学上的单一导体，因此具有连接第一频段天线图案(第一及第三天线图案)和第二频段天线图案(第二及第四天线图案)的功能，从而使形成在单一载体上的第一频段天线图案和第二频段天线图案之间的隔离度提高。

例如，由上述第一天线图案101被激励在上述第三天线图案103上的电流，通过上述第三天线图案103和上述第二耦合天线部201的耦合而被激励至上述第一耦合天线部201，因此与通过上述第一天线图案101被激励在上述第一耦合天线部201的电流发生相互抵消。即，由上述第一天线图案101分别激励在第三天线图案103以及上述第一耦合天线部201上的电流相互抵消，因此上述各天线图案和耦合天线部的隔离度得到保障。

另外，上述第三天线图案103的电流通过耦合被激励到上述第一耦合天线部201，使上述第三天线图案103和上述第一耦合天线部201如对应于同一频段的单一导体那样工作，因此，能够提高天线增益，且不改变天线特性，因此能够维持带宽。

由此，上述第一耦合天线部201、上述第一天线图案101以及上述第三天线图案103的隔离度得到保障，能够独立地进行辐射，维持高的天线增益。

与上述第一耦合天线部201的工作原理一样，通过上述第四天线图案102被激励到上述第二天线图案102的电流，因上述第二天线图案102和上述第二耦合天线部202之间的耦合而被激励到上述第二耦合天线部202，并与通过上述第四天线图案104被激励到上述第二耦合天线部202中的电流相互抵消，从而隔离度得到了保障。

另外，上述第二耦合天线部202与上述第二天线图案102工作在同一频段上，因此与上述同样，上述第二耦合天线部202、上述第二天线图案102以及上述第四天线图案104之间的隔离度及带宽得到了保障，并能够具有高的天线增益。

不仅如此，即使从形成在某一载体上的天线图案向形成在另一载体上的天线图案激励电流(作为一例，第三天线图案103的辐射导致在第四天线图案104发生激励电流)，如上所述，因同一载体内的耦合现象导致相互抵消，故位于不同载体上的各个天线图案和各个耦合天线部的隔离度得到进一步的改善。

另外，如图5所示，与作为低频段的上述第一频段对应的上述第一耦合天线部201还可具备延长部300，从而使天线的一部分邻接于上述第二耦合天线部202，上述延长部300执行上述第一耦合天线部201的短截线(stub)功能。

由此，能够改善各个天线图案和上述各个耦合天线部的隔离度。

图6为本发明之具有多频特性的MIMO天线的另一实施例示意图，如图6之(a)所示，位于不同载体上并工作在同一频段的上述第一天线图案101和上述第二天线图案102，可在各自载体上具有不同的配置结构。另外，上述第三天线图案103和上述第四天线图案104也工作于同一频段但可具有不同的配置结构。

另外，如图6(b)所示，上述第一耦合天线部201和上述第二耦合天线部202中的至少一个可具有闭环400，上述闭环400具有使耦合最大化的效果。由此，能够提高各耦合天线部的天线增益。

图7用S参数表示本发明的具有多频特性的MIMO天线的天线特性，将由相互对置的上述第一及第三天线图案和上述第一耦合天线部构成的部分、以及由上述第二及第四天线图案和上述第二耦合天线部构成的部分分别称为S11、S22，显示了S11及S22的频带特性。

首先，可看出上述S11中，使用频段形成在700MHz的低频段和2.4～2.7GHz的高频段。此时，在用于表示隔离度特性的S21曲线中可看出，在上述使用频段，具有比其他频段高的辐射值，在使用频段显示出高的隔离度特性。

即，可知上述第一及第三天线图案在相互不同的频段上独立地进行辐射，尤其是，对应于低频段的上述第三天线图案通过与上述第一耦合天线部的耦合，天线增益得到了进一步的增加。

再者，上述S22中可看出，与上述S11同样，上述第二及第四天线图案在与上述S11的同一频段上进行辐射，而且也显示出很高的隔离度特性。

尤其是，上述S22中，可知上述第二天线图案和上述第二耦合天线部在同一频段工作，利用耦合的、对高频段的天线增益显示出很高的值。

如上所述，本发明的具有多频特性的MIMO天线，其各个天线图案具有高隔离度特性，并独立地进行辐射，而且利用耦合提高了天线增益。

图8为本发明的具有多频特性的MIMO天线的整个天线特性的曲线图，如图所示，在700MHz的低频段具有-10dB以下的高的天线增益，此时，对应于隔离度特性的S21的曲线中可看出，在上述低频段显示出-10dB以上的高隔离度特性。

另外，上述2.4～2.7GHz的高频段上也显示出高的天线增益，隔离度特性也较高。

这意味着，邻接配置的上述各个天线图案和上述耦合天线部之间几乎没有构成影响。

进一步可知，保持各频段上的带宽，不改变天线的频带特性，并保证很高的隔离度，提高了天线增益。

Claims (11)

1.一种具有多频特性的多入多出天线，包括：

下部基板，具有两对馈电部；

一对载体，配置在上述下部基板的两侧；

第一频段的第一天线图案以及第二频段的第二天线图案，与上述馈电部连接，并形成在一侧载体上；

第一频段的第三天线图案以及第二频段的第四天线图案，与上述馈电部连接，并形成在另一侧载体上；

第一耦合天线部以及第二耦合天线部，隔开形成在设有上述天线图案的上述载体的上部，上述第一耦合天线部形成在上述一侧载体的上部，以第一频段工作，而上述第二耦合天线部形成在上述另一侧载体的上部，以第二频段工作，

在天线图案的上部形成绝缘层，在绝缘层上部形成用于耦合的所述第一耦合天线部以及所述第二耦合天线部。

2.根据权利要求1所述的具有多频特性的多入多出天线，其特征在于，

使用LTE、Wibro的无线通信方式，并收纳于设置在车辆的一部分且具有向上述馈电部提供电流的连接器的天线盒中。

3.根据权利要求1所述的具有多频特性的多入多出天线，其特征在于，

相对于上述第二频段，上述第一频段具有两倍以上的谐振频率。

4.根据权利要求1所述的具有多频特性的多入多出天线，其特征在于，

上述第一耦合天线部和第二耦合天线部中的至少一个具有面向另一个的延长部，并通过上述延长部执行短截线功能。

5.根据权利要求1所述的具有多频特性的多入多出天线，其特征在于，

上述第一耦合天线部和上述第二耦合天线部中的至少一个包括闭环。

6.根据权利要求1所述的具有多频特性的多入多出天线，其特征在于，

上述第一至第四天线图案具有λ/4的长度。

7.根据权利要求1所述的具有多频特性的多入多出天线，其特征在于，

上述第一至第二耦合天线部具有λ/2的长度。

8.一种具有多频特性的多入多出天线，包括：

第一载体，形成有第一频段的天线图案及第二频段的天线图案；

第二载体，与上述第一载体隔开配置，并形成有第一频段的天线图案及第二频段的天线图案；

第一耦合天线部以及第二耦合天线部，隔开配置在上述第一及第二载体的上部，上述第一耦合天线部形成在上述第一载体的上部，以第一频段工作，而上述第二耦合天线部形成在上述第二载体的上部，以第二频段工作，

在天线图案的上部形成绝缘层，在绝缘层上部形成用于耦合的所述第一耦合天线部以及所述第二耦合天线部。

9.根据权利要求8所述的具有多频特性的多入多出天线，其特征在于，

相对于上述第二频段，上述第一频段具有两倍的频段。

10.根据权利要求8所述的具有多频特性的多入多出天线，其特征在于，

上述第一耦合天线部和第二耦合天线部中的至少一个具有面向另一个的延长部，并通过上述延长部执行短截线功能。

11.根据权利要求8所述的具有多频特性的多入多出天线，其特征在于，

上述第一耦合天线部和上述第二耦合天线部中的至少一个包括闭环。