CN103155277B - 用于lte/gsm频带中的mimo/分集性操作的lte天线对 - Google Patents

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Abstract

公开了一种多重输入多重输出（MIMO）的天线系统，所述天线系统包括第一及第二折叠式或紧凑型回路天线（12，121）。所述天线各具有纵深度且彼此大致平行安装在具有导电接地面（31，32）的介电基板（3）上。所述接地面在第一及第二天线之间延伸，且第一及第二天线安装在无接地面的区域中的基板上。第一及第二天线在使用时产生第一及第二辐射图型（31，32）且还使电流（30）在所述天线之间的接地面中流动，以便使第一及第二辐射图型相对于彼此偏斜大于零度，且优选约50度的角度。

Description

用于LTE/GSM频带中的MIMO/分集性操作的LTE天线对
本发明涉及一对适用于移动手机(handset，手持步话机)设备的回路天线(loopantenna，环天线)，且尤其涉及在LTE网络上的操作，其中对于每个手机均需要一根以上的天线。
背景技术
长期演进(LTE)是对于移动网络技术的研发的最新标准。这种长期演进被设计成使利用GSM及3G网络的无线提供商能转变至第四代(4G)网络及设备。对于消费者，LTE将能使现有应用设备运行得更快，且也将支撑可用的新式移动电话应用设备。为了获得这些新应用所需的较高数据速率，LTE已采用将要求移动电话具有两根蜂巢式无线电天线的多重输入多重输出(MIMO)的技术。LTE还使用比GSM频带低的频率且移动电话天线现在必须具有(自目前824MHz)向下延伸至698MHz的低频带性能。这种需要两根天线及低频率性能的组合为移动平台用天线的设计者带来严重问题。
为了使一对天线表现出良好的分集(diversity)性能或在MIMO系统中成功地运作，这对天线需要在某种程度上对到达设备终端的不同的多重路径信号进行采样。在效果上，这意味天线必须通过具有不同的波束图样、不同的极化、相位响应而以某种方式不同，或者必须物理上充分地电隔离(空间分集性)。
两根天线有多么类似的指示通过包络相关性系数表示，该系数是两根天线的辐射图样在形状、极化与相位上有多么不同的测量值。因为在=I时，图样相同且没有MIMO或分集性增益是可能的，所以低相关性对MIMO系统的性能非常重要。然而，在=O时，达成最理想的MIMO增益。重要的是要注意，两根天线的整体性能必须类似；使用一根有效天线及一根无效天线无法达成良好的MIMO性能。两根天线必须具有类似的性能，但在以上所列的特性中的一个或多个中存在差异。
例如，如申请号为GB0914280.3的本申请人的共同待决英国专利申请中所述的，近来已显示回路天线技术可用于移动电话应用，并且可借助切换或电子调谐配置成覆盖LTE频带以及GSM频带。被设计成增进带宽的近来发展包括将回路、复合式馈电与接地布置以及朝向回路的中心的被设计为将匹配改善至50欧姆的复合式结构布置进行多模态化。在申请号为GB1017472.0的本申请人的共同待决英国专利申请中详述了这些发展中的一些，该专利申请的内容通过引证方式结合于此。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种多重输入多重输出(MIMO)天线系统，所述天线系统包括第一及第二折叠式或紧凑型回路天线，每个所述回路天线均具有纵向延度且彼此基本平行地安装在具有导电接地面的介电基板上，其中所述接地面在该第一及第二天线之间延伸，但其中所述第一及第二天线在没有接地面的区域中安装在基板上，并且其中，所述第一及第二天线在使用时产生第一及第二辐射图样，并且还使电流在所述天线之间的接地面中流动，以便使所述第一及第二辐射图样相对于彼此偏斜大于零度的角度。
第一及第二天线可以相对于彼此以与一对赫姆霍兹线圈相似的方式安装，但是并非必要的或者甚至并非必然优选的是，所述天线彼此分开与每个回路的半径近似的距离。然而，优选的是，第一及第二回路天线的回路基本上共轴。第一及第二天线之间的间隔愈大，则分集性愈大。
第一及第二回路天线的每一个均可以配置为如申请号为GB1017472.0的共同待决英国专利申请中所述的那样，即，可将每个回路天线配置成以紧凑型方式形成在介电基板上的导电迹线的回路，这通过将回路折叠在基板的边缘之上以便形成第一及第二连接片(patch)来实现。另选地，第一及第二连接片可通过基板中的过孔而彼此电流式连通，以便限定紧凑型回路。在其他实施例中，可以通过迂回或以其他方式折叠导电迹线，来将回路紧压在单个平面中。在所有实施例中，表达“折叠式或紧凑型回路天线”旨在表明以拓扑布局的回路配置的导电迹线所形成的回路天线，若所述拓扑布局的回路配置展开成圆，则该回路配置包围的区域小于所述导电迹线会包围住的区域。在大多数实施例中，所述拓扑布局的回路配置若展开成方形或矩形，则该回路配置所围住的区域小于导电迹线会围住的区域。这是因为，紧凑型或折叠式回路总体上包括至少一个凹入部分，通常为所述回路自基板的一侧经过到达至另一侧的部分。
本发明的实施例利用设置在移动手机、USB加密器或其他小型平台上的两个回路，以便实现MIMO或分集性操作。
第一及第二天线在结构和/或性能上可彼此相同，或可不同。两个回路可以相对于具有接地面的水平基板竖直地且彼此平行地安装。在特别优选的实施例中，将天线系统布置为使得可将每个回路容易地竖直安装在USB加密器的主PCB上。
第一及第二回路天线的每一个的一个端部连接至用于适当信号的RF馈电。每个回路天线的另一端部可以直接接地(例如，通过连接至接地面)，但有利的是，回路天线中的一根或两根天线的另一端部通过至少一个感应式部件分别接地，以调整所述回路的有效长度。在特别优选的实施例中，回路天线中的一根或每一根天线的另一端部设有允许两个以上的不同感应式部件在该另一端部与地面之间切换的开关，从而允许如所需的那样调整回路的电气长度。
通过彼此平行且电气上隔得很近的回路，可认为在平台上可能无法达成如加密器一样小的低包络相关性。然而，在加密锁的接地面中流动的电流的检测显示出，两个辐射图样可以偏斜以便在其之间具有角度差。在目前优选的实施例中，辐射图样之间的角度为至少20度，优选地为至少35度，且最优选地为约50度或至少50度。50度的角度差能产生约0.4的相关性系数，该相关性系数被认为对于MIMO及分集性应用是足够的。
在典型的加密器应用中，将需要覆盖LTE及GSM频带的“主要”天线及供LTEMIMO或分集性使用的第二天线。这意味这两根天线不需要具有相同结构或性能。另选地或附加地，所述天线不需要以相同方式电气式切换和匹配。
在一个实施例中，两根天线可为相同的但具有可以相同或不同方式使用的电气切换电路。在某些实施例中，设有三种切换状态，但也可能为具有两种、四种或其他数量状态的配置。第一与第二回路天线之间的交叉相关性的测量表示在LTE通信协议所用的所有频带上为≤0.5或更小。
与天线的良好带宽及效率相结合，此结果意味这种天线适于满足LTE之需。附图说明
以下参照附图进一步描述本发明的实施例，附图中:
图1示出了第一现有技术的用于LTE的USB加密器天线配置；
图2示出了第二现有技术的用于LTE的USB加密器天线配置；
图3及图4示出了本发明的实施例；
图5至图8示出了本发明的实施例的基础理论背景；
图9示出了本发明实施例的示例性连接图；
图10示出了处于隔离中的本发明实施例的输入匹配与隔离的曲线图；
图11示出了在插入笔记本电脑时的本发明实施例的输入匹配与隔离的曲线图；
图12示出了处于隔离中的本发明实施例的天线效率的曲线图；
图13示出了在插入笔记本电脑时的本发明实施例的天线效率的曲线图；
图14示出了处于隔离中的本发明实施例的不同频带中的相关性系数及交叉极化功率比值的等向性3D传播图；
图15为示出了在插入笔记本电脑时的本发明实施例的不同频带中的相关系数及交叉极化功率比值的等向性3D传播图。
具体实施方式
图1以示意的形式示出了移除外壳的第一现有技术的MIMOUSB加密器I。加密器I包括USB连接器2、PCB基板3、主要天线4以及正交设置的次要天线5。图2中示出了替代布置，其中次要天线5'提高在PCB基板3上方且可绕着上面安装有天线5'的柄6旋转。为清楚起见，未示出其他加密器部件，但是应领会到PCB基板3会在板上组装有如存储器及处理器电路的各种部件。这种类型的MIMOUSB加密器I旨在用作可插在笔记本电脑或其他计算机的USB调制解调器，从而利用LTE移动网络允许数据传输及接收。在每种情况中，主要天线4一般专用于LTE、GSM及HSPA信号，而次要天线5、5'提供LTE信号用的空间分集性。然而，次要天线5、5'相对于主要天线4具有降低的性能，因此USB加密器I整体显示次优MIMO及降低的数据传输率。
图3及图4再次以示意的形式示出了本发明的实施例。MIMOUSB加密器10包括USB连接器2、形式为如FR4的介电板的PCB基板3、导电接地面11、及彼此平行且相对地设置在PCB基板3的较长边缘上的一对折叠式或紧凑型回路天线12、12'。可以看出，回路天线12、12'相对于基板3的平面竖直地安装，且表面贴装在基板3的不存在接地面11的区域上。然而，接地面11的确在天线12、12'之间延伸。
每个天线12、12'包括由印刷在或以其他方式形成在介电基板13、13'上的导电迹线16、16'所形成的回路。特别地，每个回路天线12可以包括具有第一相对表面14及第二相对表面15的介电基板13以及形成在基板13上的导电迹线16,其中在基板13的第一表面14上设置彼此相邻的馈电点17及接地点18，导电迹线16沿大体相反的方向分别自馈电点17与接地点18延伸，然后朝向介电基板13的边缘延伸，然后在连接至形成在介电基板13的第二表面15上的导电装置的相应侧之前，延伸至介电基板13的第二表面15，并随后沿着大体沿循在介电基板13的第一表面14上获得的路径的路径横穿介电基板13的第二表面15，所述导电装置延伸至由介电基板13的第二表面15上的导电迹线16形成的回路的中央部分中，其中所述导电装置包括电感及电容元件。替代包括电感及电容部件的导电装置，简单的导电承载板可以电流式地连接在第二表面15上的导电迹线16的两个端部，或者导电迹线16可以在第二表面15上形成连续回路。在另一实施例中，替代具有馈电点17与接地点18这两者，天线12可以具有两个接地点18，且通过配置成与天线12以电感式或电容式耦合的独立的驱动回路或单极天线(未示出)而被激励。
在图3中，介电基板13、13'具有在操作期间电场将最高的位置切出的中央凹口
19、19'。这有助于提高效率。
PCB基板3的区域20以及天线12、12'与USB连接器2之间的接地面11可以板上组装的方式设有其他电路部件(未示出)。事实上，若它们与天线12、12'的干扰不太强烈，则可在天线12、12'之间安装其他电路部件。
可以看出，与所示的现有技术的布置相比，本发明实施例的设计为关于沿着USB加密器10的中心线的镜像平面对称。
图5至图8示出了本发明的实施例的基础理论背景。由于回路天线12、12'彼此平行且电气上隔得近的，可认为在平台上可能无法获得如加密器10那样小的低包络相关性。然而，在加密器10的接地面11中流动的电流30的检测显示出，两个辐射图样31、32可偏斜以便在其之间具有50度的差。此角度差产生0.4的相关性系数，该相关性系数被视为对于MIMO及分集性应用是充分的。特别地，应注意的是，将天线12、12'设置在加密器10的PCB基板3的沿对角线相对的角上导致天线12、12'以相同模式操作，这导致高相关性及分集性的损失。由于天线12、12'在PCB基板3的同一边缘或端部上，需要对角模式以使低相关性且因而使合理的分集性趋中。
图8示出了由天线系统所产生的第一辐射图样31及第二辐射图样32，且示出所述第一辐射图样及第二辐射图样相对于彼此偏斜50度，由此提供合理的分集性。
在典型的加密器应用中，将需要有覆盖LTE与GSM频带的“主要”天线12及用于LTEMIMO或分集性使用的第二天线12'。这意味两根天线12、12'不需具有相同构造或性能，或者其不需为以相同方式电气式切换并匹配。如图9中所示，在所例示的实施例中，两根天线12、12'相同但具有可以相同或不同方式使用的电气切换电路。
图9示出了PCB基板3及其接地面11，以及在没有接地面11存在的相对边缘处的两个独立区(island)或区域23、23'。每个天线12、12'具有连接有RF馈电端口24、24'及天线匹配电路25、25'的RF馈电点17、17'。每个天线12、12'还具有通过开关26、26'接地的接地点18、18'，所述开关允许在具有不同电感的三个不同接地连接27、27'之间切换。开关26、26'通过控制线28、28'控制。在所示的实例中，示出了三种切换状态，但也可能为具有两种、四种或其他数量状态的配置。天线12、12'之间的交叉相关性的测量显示出，在LTE协议所用的整个频带上为≤0.5或更小。在结合了天线12、12'的良好带宽及效率的情况下，此结果意味着所述带宽及效率适于满足LTE之需。
图10示出了针对处于隔离中的本发明实施例的、在四个频带上且在两种不同状态下的输入匹配与隔离的曲线图，所述四个频带为LTE746-798MHZ频带、GSM频带、WCDMA频带及LTE2500-2690MHZ频带，所述两种不同状态即不同电感器在天线与地面之间切换的状态。
图11示出了与图10对应的曲线图，但其中加密器10插入笔记本电脑中。
图12示出了在四个频带中、处于隔离中的本发明实施例的天线效率的曲线图，所述四个频带为:740-800MHz、820-960MHz、1710-2170MHz及2500_2690MHz。
图13示出了与图12对应的曲线图，但其中加密器10插入笔记本电脑中。
图14为示出了处于隔离中的本发明实施例在不同频带中(740-800MHZ、820-960MHZ及1710_2170MHz)的相关性系数及交叉极化功率比的等向性3D传播图；其中交叉极化功率比在-15dB与+15dB之间。可以看出，在所有频带中，所测得的相关性系数≤0.5或更小，且在大部分频谱中事实上小于0.4。
图15示出了与图14对应的曲线图，但其中加密器10插入笔记本电脑中。尽管在较低频带中的相关性系数高于加密器10处于隔离时的相关性系数，然而较低频带中的相关性系数仍够低以允许整个频谱中的良好MIMO及分集性操作。
在本说明书的所有说明和权利要求中，词语“包括”和“包含”及其变型的意思是“包括但不限于”，并且它们不旨在(也不会)排除其他组成部分、附加物、部件、整体或步骤。在本说明书的所有说明和权利要求中，单数包含复数含义，除非上下文另有所指。特别地，如果使用不定冠词，本说明书将理解为既指单数也指复数，除非上下文另有所指。
结合本发明的特定方面、实施例或实例而描述的特征、整体、特性、组合物、化学组分或组将被理解为可以应用在这里描述的任何其他方面、实施例或实例，除非它们彼此不相容。本说明书(包括任何所附的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征，和/或所公开的任何方法或过程的所有步骤，都可以以任何组合方式结合，除了其中这样的特征和/或步骤中的至少一些是相互排斥的组合之外。本发明不局限于任何前述实施例的细节。本发明的范围扩展至本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中所公开的特征的任何新特征或特征的任何新组合，或扩展至所公开的任何方法或过程的步骤的任何新步骤或步骤的任何新组合。
读者的注意力应指向与本申请有关的本说明书同时提交或在本说明书之前提交的所有文件和资料，这些文件和资料与本说明书一起对公众公开，所有这些文件和资料的内容通过引证方式结合于此。

Claims (22)

1.一种多重输入多重输出（MIMO）天线系统，包括：第一折叠式或紧凑型回路天线和第二折叠式或紧凑型回路天线，每个所述回路天线均具有纵向延度且基本上彼此平行地安装在具有导电接地面的第一介电基板上，其中所述接地面在所述第一天线与所述第二天线之间延伸，但其中，所述第一天线和所述第二天线在没有接地面的区域中安装在所述第一介电基板上，并且其中，所述第一天线和所述第二天线在使用时产生第一辐射图样和第二辐射图样并且还使电流在所述天线之间的接地面中流动，以便使所述第一辐射图样和所述第二辐射图样相对于彼此偏斜大于零度的角度，
其中每个天线包括第二介电基板，该第二介电基板具有在操作期间电场将最高的位置切出的中央凹口。
2.根据权利要求1所述的天线系统，其中，所述第一天线与所述第二天线彼此相对地安装在所述基板上。
3.根据权利要求1所述的天线系统，其中，所述第一回路天线与所述第二回路天线的回路基本上共轴。
4.根据权利要求2所述的天线系统，其中，所述第一回路天线与所述第二回路天线的回路基本上共轴。
5.根据任一前述权利要求所述的天线系统，其中，所述第一回路天线和所述第二回路天线中的每一个均配置成以紧凑型方式形成在介电基板上的导电迹线的回路，这通过将所述回路折叠在所述基板的边缘之上以便形成第一连接片和第二连接片来实现。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的天线系统，其中，所述第一回路天线和所述第二回路天线中的每一个均配置成以紧凑型方式形成在介电基板上的导电迹线的回路，这通过形成借助所述基板中的过孔而电流式连接的第一连接片和第二连接片以便限定紧凑型回路来实现。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的天线系统，其中，所述第一回路天线和所述第二回路天线中的每一个均配置成在单一平面中以紧凑型方式形成在介电基板上的导电迹线的回路，这通过迂回或以其他方式折叠所述导电迹线来实现。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的天线系统，其中，所述第一天线和所述第二天线在结构和/或性能上彼此相同。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的天线系统，其中，所述第一天线和所述第二天线在结构和/或性能上彼此不同。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的天线系统，其中，所述第一回路天线和所述第二回路天线中的每一个的第一端均连接至RF馈电。
11.根据权利要求1至4中任一项所述的天线系统，其中，所述第一回路天线和所述第二回路天线中的每一个的第二端均接地。
12.根据权利要求1至4中任一项所述的天线系统，其中，所述第一回路天线和所述第二回路天线中的每一个的第一端与第二端都接地，且所述天线系统进一步包括用于所述第一回路天线和所述第二回路天线中的每一个的独立驱动天线。
13.根据权利要求11所述的天线系统，其中，所述第一天线和所述第二天线中的至少一个的第二端通过感应式部件接地。
14.根据权利要求11所述的天线系统，其中，所述第一天线和所述第二天线中的至少一个的第二端通过开关接地，所述开关允许至少两个不同的感应式部件在所述第二端与地面之间选择性地切换。
15.根据权利要求12所述的天线系统，其中，所述第一天线和所述第二天线中的至少一个的第二端通过感应式部件接地。
16.根据权利要求12所述的天线系统，其中，所述第一天线和所述第二天线中的至少一个的第二端通过开关接地，所述开关允许至少两个不同的感应式部件在所述第二端与地面之间选择性地切换。
17.根据权利要求1至4中任一项所述的天线系统，其中，所述第一天线与所述第二天线之间的相关性系数ρe在预定操作频带中不大于0.5。
18.根据权利要求1至4中任一项所述的天线系统，其中，所述第一辐射图样和所述第二辐射图样在使用时相对于彼此偏斜大于20度的角度。
19.根据权利要求1至4中任一项所述的天线系统，其中，所述第一辐射图样和所述第二辐射图样在使用时相对于彼此偏斜大于35度的角度。
20.根据权利要求1至4中任一项所述的天线系统，其中，所述第一辐射图样和所述第二辐射图样在使用时相对于彼此偏斜基本上50度的角度。
21.一种用于连接至计算机的加密器，所述加密器包括根据任一前述权利要求所述的天线系统。
22.一种移动电话，包括根据权利要求1至20中任一项所述的天线系统。
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