CN103187614B - Mimo天线装置 - Google Patents

Abstract

一种MIMO天线装置包括至少两天线元件和MIMO调制解调电路；天线元件包括一馈电点、与该馈电点相连接的馈线及一金属结构；馈线与金属结构相互耦合；所述金属结构至少使两种不同波段的电磁波谐振；MIMO调制解调电路用于接收所述至少两天线元件接收电磁波后产生的电信号和传送电信号给所述至少两天线元件以产生电磁波信号。基于MIMO技术提高多天线元件发送或者接收信息吞吐量。

Description

MIMO天线装置

技术领域

本发明涉及通信天线，更具体地说，涉及一种MIMO(Multiple-InputMultiple-Out-put)天线装置。

背景技术

随着半导体工艺的高度发展，对当今的电子系统集成度提出了越来越高的要求，器件的小型化成为了整个产业非常关注的技术问题。然而，不同于IC芯片遵循“摩尔定律”的发展，作为电子系统的另外重要组成——射频模块，却面临着器件小型化的高难度技术挑战。射频模块主要包括了混频、功放、滤波、射频信号传输、匹配网络与天线等主要器件。其中，天线作为最终射频信号的辐射单元和接收器件，其工作特性将直接影响整个电子系统的工作性能。然而天线的尺寸、带宽、增益等重要指标却受到了基本物理原理的限制(固定尺寸下的增益极限、带宽极限等)。这些指标极限的基本原理使得天线的小型化技术难度远远超过了其它器件，而由于射频器件的电磁场分析的复杂性，逼近这些极限值都成为了巨大的技术挑战。比如，传统的终端通信天线主要基于电单极子或偶极子的辐射原理进行设计，最常用的平面反F天线(PIFA)。传统天线的辐射工作频率直接和天线的尺寸正相关，带宽和天线的面积正相关，使得天线的设计通常需要半波长的物理长度。

多输入多输出系统(MIMO)技术的优点是能够增加无线范围并提高性能。所谓的MIMO是指无线网络讯号通过多重天线进行同步收发，所以可以增加资料传输率。多输入多输出系统(MIMO)在无线通信、无线数据服务领域的高速发展更进一步苛刻地要求了天线尺寸的小型化并同时保证良好的隔离度、辐射性能以及抗干扰能力。此时的信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，突破传统天线设计的框架，省去阻抗匹配网络的复杂设计，保证其小型化，使其能够应用在尺寸受限的移动终端之中，且天线辐射面积利用率高、抗干扰能力强且基于现有频率资源的频谱，提高天线发送或者接收信息吞吐量。因此，本发明提供一种MIMO天线装置。

一种MIMO天线装置包括至少两天线元件和MIMO调制解调电路；天线元件包括一馈电点、与该馈电点相连接的馈线及一金属结构；馈线与金属结构相互耦合；所述金属结构至少使两种不同波段的电磁波谐振；MIMO调制解调电路用于接收所述至少两天线元件接收电磁波后产生的电信号和传送电信号给所述至少两天线元件以产生电磁波信号。

进一步地，所述每一天线元件的谐振频段为2.4GHz-2.49GHz和4.9G-5.9GHz。

进一步地，所述至少两天线元件设置于同一介质基板上形成一天线组件。

进一步地，所述两天线元件数量为两个。

进一步地，所述介质基板由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制成。

进一步地，所述每一天线元件的谐振频点为2.4GHz和5.8GHz。

进一步地，所述金属结构可以为互补式金属结构。

进一步地，所述至少两天线元件都为互补式金属结构。

进一步地，所述两天线元件的金属结构相同或者为一对互补式的金属结构。

进一步地，所述MIMO天线装置还包括一切换单元，MIMO调制解调电路通过所述切换单元接收所述至少两天线元件产生的电信号和传送电信号给所述至少两天线元件。

采用人工电磁材料技术设计出相关电磁波谐振响应金属结构库，这些结构尺寸相对传统的天线结构较小，使得天线的物理尺寸不受半波长的物理长度限制；根据应用产品选取阻抗匹配的金属结构后并通过不断的筛选、测试及调整，最终来优化筛选适合的金属结构，使得所选的金属结构至少使两种不同波长的电磁波谐振，从而基于上述金属结构设计相应的天线元件；然后基于MIMO技术提高多天线元件发送或者接收信息吞吐量。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明MIMO天线装置模块示意图；

图2为图1所示MIMO天线装置一具体实施例的结构示意图；

图3为本发明MIMO天线装置的天线单元的另一种馈入方式示意图；

图4为本发明MIMO天线装置的天线单元的第三种馈入方式示意图；

图5为本发明MIMO天线装置的天线单元的第四种馈入方式示意图；

图6为图2所示天线元件的一互补式金属结构的天线元件结构图；

图7为图2所示两天线元件设置同一基板上的结构示意图；

图8为本发明MIMO天线装置包含一对互补式天线单元结构图；

图9为本发明MIMO天线装置包含两个图6所示互补式天线单元结构图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的描述：

请参阅图1，所述MIMO天线装置包括至少两天线元件10、切换单元19及MIMO调制解调电路18。每一天线元件10的馈电点向外延伸成引脚，每一天线元件10通过所述引脚一一与切换单元19连接；MIMO调制解调电路18通过切换单元19接收所述至少两天线元件10的电信号和传送电信号给所述至少两天线元件10。

如图2所示，为图1所示MIMO天线装置一具体实施例的结构示意图。在本实施方式中，所述MIMO天线装置包括相互独立设置的两个天线元件10，所述两个天线元件10相互之间间隔一定距离以防止相互产生信号干扰。

天线元件10包括一馈电单元5、与该馈电单元5相连接的馈线4及一金属结构6。其中馈线4与金属结构6相互信号耦合连接；所述金属结构6为采用人工电磁材料方式设计；所述人工电磁材料由具有一定图案形状的人造金属导电片按照特定方式排列于介质基材上。介质基材的材质可选用空气、陶瓷、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料等非导电材料。人造金属导电片不同的图案形状和排列方式使得超材料具有不同的介电常数和不同的磁导率从而使得超材料具有不同的电磁响应。其中，当该人造金属导电片处于谐振频段时，该人造金属导电片将表现出高度的色散特性，所谓高度的色散特性是指该人造金属导电片的阻抗、容感性、等效的介电常数和磁导率随着频率会发生剧烈的变化。

在本实施方式中，所述金属结构6为轴对称的平面板状金属结构。其中金属结构6为铜或银材料制成的薄片。优选为铜，价格低廉，导电性能好。为了实现更好阻抗匹配，金属结构12也为铜和银组合。

请一并参考图3、图4及图5，所述馈线4与金属结构6之间信号馈入方式可以采用多种方式。如图3所示，所述馈线4直接与所述金属结构6电连接；且所述馈线4与金属结构6的相连接点位置可以位于金属结构6上的任意位置。如图4和5所示，馈线4采用包围方式设置于与所述金属结构6外围且馈线4的末端设置于金属结构6外围的任意位置。

请参阅图6，为本发明的另一实施方式互补式金属结构的天线元件结构图。所述天线元件10’中的金属结构6’与前述实施方式金属结构6形成互补。也就是说，由一完整的片金属薄片分割成两部分，即金属结构6和互补式金属结构6’两部分。

请参阅图7，本发明利用上述原理来设计金属结构6，并将金属结构6或互补式金属结构6’及对应的馈线4和馈电点5附着于介质基板7上。本实施方式中，将两相同的金属结构6及对应的馈线4和馈电点5设置于同一介质基板7上，也就上说，将两个天线元件设置于同一介质基板7上形成一天线组件。所述天线组件可通过接口插接于包含两谐振频段(例如2.4GHz-2.49GHz和4.9G-5.9GHz)的无线通讯装置。而所述金属结构6与馈线4的方式可以相同，也可以不同，根据最后的MIMO天线装置的测试最佳效果来修改馈电方式。在本实施方式中，所述金属结构6与馈线4都采用非直接电连接方式，即电信号电感电容方式馈入。

在本发明中，所述介质基板7由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料等介电材料制成。优选方式，介质基板7由高分子材料制成，具体地是FR-4和F4B等高分子材料。

请参阅图8，为本发明MIMO天线装置包含一对互补式天线单元结构图。将金属结构6和互补式金属结构6’两种相互互补的金属结构6设置于同一介质基板7上形成一天线组件。当然，将形状相同的互补式金属结构6’设置于同一介质基板7上也可形成本发明的天线组件(如图9所示)。

本实施例利用人工电磁材料的特性，采用在金属片上镂刻成金属结构6的方式，使得金属结构6及与金属结构所依附的介质共同组成一个等效介电常数按照洛仑兹材料谐振模型色散的电磁材料，从而设计出多谐振频段的天线。在本实施方式中，如图1所示天线元件10的电磁波谐振频点包括2.4GHz和5.8GHz。

根据人工电磁材料设计理论，与上述双射频天线10的金属结构6互补式的一金属结构6’，所述金属结构6’的谐振频点包含2.4GHz和5.8GHz两个。因此基于此。也可设计成两个谐振频段包含2.4GHz-2.49GHz和4.9G-5.9GHz的天线元件，所述金属结构6的长和宽都可以根据其应用的电子设备机构布局做任意调整，但是金属结构6结构形状保持与前述实施例中一致。

本实施例中，关于天线元件10的加工制造，只要满足本发明的设计原理，可以采用各种制造方式。最普通的方法是使用各类印刷电路板(PCB)的制造方法，覆铜的PCB制造均可满足本发明的加工要求。另外还可将上述形状金属结构6、馈线4和馈电点5都印刷于FPC板上。

除上述加工方式，还可以根据实际的需要引入其它加工手段，如导电银浆油墨加工方式、各类可形变器件的柔性PCB加工、铁片天线的加工方式以及铁片与PCB组合的加工方式。其中，铁片与PCB组合加工方式是指利用PCB的精确加工来完成芯片微结构部分的加工，用铁片来完成其它辅助部分。由于采用低成本的铜材料形成所述金属结构6，因此暴露空气中容易被氧化而使天线组件谐振频率偏移或者性能急剧下降，因此天线组件12表面上设置有非金属的防氧化薄膜。由于本发明的主要性能都基于在金属结构6设计，因此，馈线4的引线对天线组件的辐射频率影响相对较小。

上述MIMO天线装置可应用包含2.4GHz和5.8GHz的无线通讯装置，也可将本发明中的天线组件插接于通讯装置的PCB板上来取代现有多根天线。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种MIMO天线装置，其特征在于，所述MIMO天线装置包括至少两相互独立设置的天线元件、切换单元和MIMO调制解调电路；各天线元件均包括一馈电点、与该馈电点相连接的馈线及一金属结构；馈线与金属结构相互耦合；所述金属结构至少使两种不同波段的电磁波谐振；每一天线元件的馈电点向外延伸成引脚，每一天线元件通过所述引脚一一与切换单元连接；MIMO调制解调电路通过切换单元接收所述至少两天线元件接收电磁波后产生的电信号和传送电信号给所述至少两天线元件以产生电磁波信号，所述每一天线元件的谐振频段为2.4GHz-2.49GHz和4.9G-5.9GHz，所述金属结构可以为互补式金属结构。

2.根据权利要求1所述的MIMO天线装置，其特征在于，所述至少两天线元件设置于同一介质基板上形成一天线组件。

3.根据权利要求2所述的MIMO天线装置，其特征在于，所述两天线元件数量为两个。

4.根据权利要求2所述的MIMO天线装置，其特征在于，所述介质基板由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制成。

5.根据权利要求1所述的MIMO天线装置，其特征在于，所述每一天线元件的谐振频点为2.4GHz和5.8GHz。

6.根据权利要求1所述的MIMO天线装置，其特征在于，所述至少两天线元件都为互补式金属结构。

7.根据权利要求3所述的MIMO天线装置，其特征在于，所述两天线元件的金属结构相同或者为一对互补式的金属结构。