CN103199332B - 一种内置多频带lte mimo天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种内置多频带LTE？MIMO天线，包括PWB板和分别位于PWB板相邻的两个转角处的两个相同的天线部分，两个相同的天线部分关于PWB板的中心镜像对称。天线部分包括：第一辐射部分，产生第一高频谐振，且通过多种匹配子电路与馈源相连；第二辐射部分，产生低频谐振、第二高频谐振以及第三高频谐振，第二辐射部分包括依次连接的通过有源子电路与PWB板相连的弯折部分、耦合部分以及多次折叠部分。本发明具有降低两个天线部分的相关性系数的作用，且天线部分在超载波模式下能够同时覆盖低频和高频频率；此外，本发明可以覆盖所有的LTE发送和接收的频段，可以自由的切换频段，方便用户的使用。

Description

一种内置多频带LTE MIMO天线

技术领域

本发明涉及手机、PDA等移动终端天线的设计技术，尤其涉及一种内置多频带LTEMIMO天线。

背景技术

LTE作为典型的多输入输出MIMO（MultipleInputandMultipleOutput）系统，由于能提供大量数据传输服务的优势，正在受到手机通讯行业的越来越多的重视和普及。像LTE这样的MIMO系统，能使其快速传输大量数据的基础是一来至少两个以上的天线同时工作。这样的新型通讯系统支持超载波模式,在超载波模式中，手机天线可以在低频段中的同一频率，如700MHz同时发射数据，或者在高频段中的同一频率，如2GHZ同时接收数据。同样，超载波模式也支持其它低频段和高频段的频率组合。这种同时使用低频段和高频段的频率使得天线的频率范围需同时覆盖低频段和高频段。

传统实现MIMO的方式如图1所示，将两个天线分别放在手机的顶部和底部。但随着手机厚度的减小，屏幕尺寸的增大和通讯协议的增多，采用这种方式，带宽难以满足要求。同时，传统放置方式使得低频情况下两个天线的相关性系数差，低频大于0.7。

传统天线形式如折叠环天线、带匹配电路的单极天线都需要很大的空间，使得不得不将两个天线分开至顶部和底部，如图１所示。这样做使顶部天线的SAR得到适当的降低，但天线的覆盖带宽非常窄。可想而知，位于顶部的MIMO天线，带宽仅仅能满足MIMO要求的部分低频频段。传统放置于顶部的MIMO天线，占据了GPS、WLAN和NFC（NearFieldCommunication，即近距离无线通讯技术）的空间，但GPS，WLAN和NFC又同时是现代智能手机必不可少的功能。

发明内容

本发明旨在提供一种内置多频带LTEMIMO天线，以提高天线的性能。

本发明为一种内置多频带LTEMIMO天线,该内置多频带LTEMIMO天线包括PWB板和两个相同的天线部分，所述PWB板包括金属区域和非金属区域，所述非金属区域位于所述PWB板相邻的两个转角处，所述两个相同的天线部分分别位于所述非金属部分并与所述PWB板的金属部分相连，且所述两个相同的天线部分关于PWB板的中心镜像对称；其中，每一天线部分包括：

第一辐射部分，位于所述PWB板的背面上，所述第一辐射部分一端与一移动终端的馈源相连，所述第一辐射部分产生第一高频谐振；

第二辐射部分，接地且位于PWB板的正面上并与第一辐射部分相对，所述第二辐射部分与所述第一辐射部分之间存在较强的容性耦合；所述第二辐射部分通过一有源子电路与所述PWB板相连，所述第二辐射部分产生低频谐振、第二高频谐振以及第三高频谐振；

所述第二辐射部分包括弯折部分、耦合部分和多重折叠部分，所述弯折部分一端通过所述有源子电路接地并与所述PWB板的金属部分相连，另一端与耦合部分一端相连；所述多重折叠部分的一端与所述耦合部分的另一端相连，多重折叠部分的另一端弯折至所述PWB板的背面并与所述弯折部分和所述耦合部分相对，所述第一辐射部分位于所述多重折叠部分与所PWB板之间；其中，弯折至所述PWB板背面的多重折叠部分上开设置有开槽。

一些实施例中，所述第一辐射部分上设置有第一缝隙。

一些实施例中，所述第一辐射部分与所述移动终端的馈源的连接处设有匹配子电路，所述匹配子电路用于改善天线的阻抗特性。

一些实施例中，所述匹配子电路为并联谐振电路。

一些实施例中，所述耦合部分与所述弯折部分之间设有第二缝隙，所述多重折叠部分产生第二高频谐振和第三高频谐振。

一些实施例中，所述弯折部分、所述耦合部分以及所述多重折叠部分相连接呈“U”形，且所述弯折部分和所述耦合部分与所述多重折叠部分相对，所述第一辐射部分位于所述弯折部分和所述耦合部分与所述多重折叠部分之间。

一些实施例中，所述有源子电路包括若干开关器件，所述若干开关器件与所述PWB板之间建立若干条连接线路。

一些实施例中，所述多重折叠部分包括依次相连的第一多重折叠部分、第二多重折叠部分、第三多重折叠部分以及第四多重折叠部分，所述第一多重折叠部分与所述耦合部分相连。

一些实施例中，所述第一多重折叠部分、第二多重折叠部分、第三多重折叠部形成“U”形的底部，且所述第四多重折叠部分与所述弯折部分和所述耦合部分相对，所述第一辐射部分位于所述第四多重折叠部分与所述弯折部分和所述耦合部分之间。

一些实施例中，所述第四多重折叠部分上设置有开槽。

本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

1）本发明将两个天线设置用于手机的两个转角处，从而解决了传统天线放置方式相关性系数差的问题；

2）本发明映入有源器件，使得天线在超载波模式下能够同时覆盖低频和高频频率；

3）本发明可以覆盖所有的LTE发送和接收的频段，所述内置多频带LTEMIMO天线可以自由的切换频段，方便用户的使用；本发明提供的内置多频带LTEMIMO天线可以用于同时接受和发送的MIMO天线。

附图说明

结合附图，通过下文的述详细说明，可更清楚地理解本发明的上述及其他特征和优点，其中：

图1现有技术布局图

图2本发明布局图

图3本发明实施例正面图

图4本发明实施例背面图

图5本发明实施例背面细节图

图6本发明实施例正面细节图

图7本发明实施例辐射面展开图

图8本发明低频电流路径图

图9本发明低频方向图

图10本发明天线1低频方向图

图11本发明天线1低频方向图

图12本发明匹配电路图

图13本发明有源器件图

图14本发明可选器件匹配电路图

图15本发明回波损耗图

图16本发明效率图

图17本发明天线相关性系数图

符号说明：

100-金属区域

101-非金属区域

105-支撑部件

200-天线部分

201-第一辐射部分

202-第一缝隙

203-弯折部分

204-耦合部分

205-第二缝隙

206-第一多重折叠部分

207-第二多重折叠部分

208-第三多重折叠部分

209-第四多重折叠部分

210-第一开槽

211-第二开槽

212-第三开槽

400-并联谐振电路

500-有源子电路

F-馈电点。

具体实施方式

参见示出本发明实施例的附图，下文将更详细地描述本发明。然而，本发明可以以许多不同形式实现，并且不应解释为受在此提出之实施例的限制。相反，提出这些实施例是为了达成充分及完整公开，并且使本技术领域的技术人员完全了解本发明的范围。这些附图中，为清楚起见，可能放大了层及区域的尺寸及相对尺寸。

参考图2-4所示，本发明提供了一种内置多频带LTEMIMO天线，该内置多频带LTEMIMO天线包括PWB板和两个相同的天线部分200，两个相同的天线部分200即为图2中所示的天线1和天线2。天线1和天线2分别位于PWB板相邻的两个转角处并与PWB板相连，且天线1和天线2关于PWB板的中心镜像对称。其中，每一天线部分包括第一辐射部分201和第二辐射部分，第一辐射部分201位于PWB板的背面，第一辐射部分201一端与一移动终端的馈源相连，第一辐射部分201产生第一高频谐振；第二辐射部分接地且位于PWB板的正面上并与第一辐射部分相对，第二辐射部分与所述第一辐射部分之间存在较强的容性耦合；第二辐射部分通过一有源子电路与PWB板相连，第二辐射部分产生低频谐振、第二高频谐振以及第三高频谐振。

在本实施例中，如图5所示，PWB板包括金属区域100和非金属区域101，非金属区域101部分位于PWB板相邻的两转角处，PWB板正反面的金属区域100上覆盖有金属层，当然PWB板上的金属区域和非金属区域也可通过在PWB板上进行开口来设置，此处不做限制。在本实施例中金属区域100将非金属部分101分割成两部分，当然金属区域100可为规则或不规则区域，根据具体情况而定。第一辐射部分201位于PWB板的非金属区域的背面，第二辐射部分位于PWB板的非金属部分的正面或正面以及背面，且第一辐射部分201与第二辐射部分相对。当然以上PWB板的形态以及与天线之间的关系只是一种实施例，在具体实施过程中，PWB板上也可没有非金属部分，此时天线部分与PWB板之间的高度距离只要达到一定的要求即可，可以将天线制作在PC/ABS塑料支架、手机结构件上，天线的一部分或者全部都可以加工在手机结构件上，天线可以采用2D或者3D工艺进行加工，例如FLEXFCB（柔性印刷电路板）、LDS（LaserDirectStructuring激光直接成型技术）、导电印刷、双料注塑，或者几种工艺的结合，此处不做限制。

在本实施例中，如图5所示，第一辐射部分201位于PWB板上非金属区域的背面上并呈“L”型，第一辐射部分201产生第一高频谐振。第一辐射部分201上设置有缝隙202，起到增加耦合和调节第一高频谐振阻抗的作用。当然，第一辐射部分201的形状取决于它周围的金属器件，可根据具体情况而定，此处不做限制。第一辐射部分201的一端为馈电点F，馈电点F通过传输线与手机等移动终端的馈源相连。为了改善天线部分的阻抗特性，馈电点F与传输线之间可设置有匹配子电路，如图2所示的并联谐振电路，其中401为8.7nH电感，402为4.3pF电容,403为1.3pF电容，404为7.5nH电感。当然馈电点F与传输线之间设置的匹配子电路，也可以由电容、电感元件组成匹配电路或者滤波电路结构，还可以是无源器件和有源电路器件的组合，无源器件可以作为匹配子电路的一部分或者起到滤波、为有源电路器件提供偏置电压、ESD保护等作用，如图13所示的两种电路图，其中，501示意开关的连通和断开，502-505部分表示若干开关状态，开关与天线的连接处可以存在506、507组成的滤波电路，使不需要的信号不进入开关，506表示电容，同时隔断直流信号，507表示电感，同时起到ESD的功能，此处不对匹配子电路作限制。

在本实施例中，如图6-7所示，第二辐射部分位于PWB板上非金属区域的正面以及背面，第二辐射部分产生低频谐振、第二高频谐振以及第三高频谐振。第二辐射部分包括依次相连的弯折部分203、耦合部分204以及多重折叠部分，其中，弯折部分203界定弯折部分203和耦合部分204与第一辐射部分201中间间隔非金属区域的PWB板并相对。

具体的，弯折部分203呈多次弯折状，弯折部分203一端通过一有源子电路500与PWB板的金属区域相连并接地。有源子电路500包括若干开关，从而在第一辐射部分203的末端与PWB板之间建立n条连接线路，用来调整低频的谐振频率。弯折部分203为电感性质的传输线，对高频来说呈现开路特性，这样阻抗特性的改变对高频的性能就没有影响，由于开关切换低频，对高频没有影响，这样使天线传输超载波模式成为可能。在本实施例中，有源子电路500采用四个状态的的射频信号开关，如图13中的502-505部分，在射频信号开关和PWB板之间还可以加入电容、电感的匹配电路，如图13中的506-507部分，506表示电容，507表示电感，这样可以通过改变射频信号开关不同状态对应的匹配电路来改变低频辐射体的阻抗，从而改变谐振电长度，这样就可以覆盖LTE低频698-960MHz。如图15中所示，701,702,703,704分别代表图13中开关分别位于四个状态502、503、504、505的回波损耗曲线，这四个状态的总频率带宽能够覆盖698MHz-960MHz、1710MHz-2800MHz，同时，四个状态的高频均不受状态的影响。在具体实施例中，射频信号开关可以采用砷化镓、CMOS、MEMS、PIN二极管工艺的开关器件。当然，有源子电路500中的电路器件可以为射频信号开关、可调电容、天线调谐器等，如图14中600所示，其中602和603为可调电容，但器件601至604也可由天线调谐器替代，实现的自动匹配的功能，天线调谐器直接连接于馈源与天线之间，此处不作限制。本发明中采用4个开关状态的开关器件，还可以使用n个状态的射频信号开关切换n个状态，此处不作限制。

在本实施例中，耦合部分204与第一辐射部分201相对，呈现电容耦合特性，相当于耦合部分204与第一辐射部分的201串联电容。耦合部分204的一端与弯折部分203的另一端相连，且耦合部分204与弯折部分203之间形成第二缝隙205，第二缝隙205用于调节耦合部分与弯折部分203之间的耦合。

在本实施例中，如图7所示，多重折叠部分包括依次相连的第一多重折叠部分206、第二多重折叠部分207、第三多重折叠部分208以及第四多重折叠部分209，第一多重折叠部分206与耦合部分204的另一端相连。具体实施过程中，第一多重折叠部分206、第二多重折叠部分207、第三多重折叠部分208以及第四多重折叠部分209通过中心线S1，S2，S3，S4连续多次折叠成“U”型结构，且第一多重折叠部分206、第二多重折叠部分207、第三多重折叠部分208形成“U”型结构的底部，且第四多重折叠部分209绕中心线S4折叠至PWB板的背面，第四多重折叠部分209与弯折部分203和耦合部分204相对，且第一辐射部分位于第四多重折叠部分209与弯折部分203和耦合部分204之间。当然折叠的次数和形状由手机结构和天线的走线方式共同决定，此处不做限制。本实施例中第二多重折叠部分207和第三多重折叠部分208经过了多次折叠后，运用于手机中时使得第三多重折叠部分208刚好手机下端面的位置上，在第三多重折叠部分208上可开设圆孔或方形孔做为结构器件所需或者装饰外观。第四多重折叠部分209为不规则形状，具设有开槽210、开槽211以及开槽212，起到调节第二高频谐振和第三高频谐振的阻抗的作用，当然第四多重折叠部分209上开设的槽的形状、个数以及位置可根据具体情况而定，此处不做限制。

第二辐射部分的结构形状只是一种实施例，如果PWB板的面积足够大，整个第二辐射部分都可以位于PWB板的一侧上，这样第二辐射部分就不需要弯折或折叠至PWB板的背面，即如图7所示的天线部分展开图。

本发明提供的内置多频带LTEMIMO天线使用产生的效果如下：

本发明提供的一种内置多频带LTEMIMO天线将天线1和天线2放置在底部的两个转角处，从而解决了传统天线放置方式相关性系数差的问题。如图８所示，在低频段时，天线1和天线2的电流路径不同，301表示天线１的电流路径，302表示天线2的电流路径，因为两个电流路径的不同使得两个天线的方向图朝不同的方向倾斜。如图9所示，303表示预测天线1的方向图倾斜图，304预测天线2的方向图倾斜图，实际测试的两个天线方向图分别为图10和图11，与理论预测图9相符。如图17所示的天线1和天线2的相关系数图，可知起到降低两个天线部分的相关性系数的作用，在各状态的有效范围内，相关系数均小于0.5，其均值为0.25，即各状态下两个天线部分之间具有高隔离度，信息不会相互干扰。

本发明提供的内置多频带LTEMIMO天线的天线部分尺寸比较小，两个天线部分之间的部分还可以根据需要扩展为地，可以安装例如传输电缆、扬声器、马达等器件。

参考图15中，其中701、702、703、704分别代表图13中四个状态502,503,504，505的回波损耗曲线，这四个状态的总频率带宽能够覆盖698MHz-960MHz，1710MHz-2800MHz。同时，四个状态的高频均不受状态的影响；参考图16为效率图，四个状态覆盖的效率在698MHz-960MHz之间的效率从-7dB到-4dB，1710MHz-2800MHz之间的效率从-3.7dB到-1dB。因此从图15和图16中看出，由于有源子电路500，天线低频的带宽扩大为原来的四倍，而同时高频部分得到很好的保持。所以本发明提供的内置多频带LTEMIMO天线可以覆盖所有的LTE发送和接收的频段，天线可以自由的切换频段，方便用户的使用。另外，天线性能受用户头手性能影响较大的可以作为MIMO天线系统的主天线，反之，影响较小的可以作为MIMO天线系统的接收天线。

综上所述，本发明提供了一种内置多频带LTEMIMO天线，该内置多频带LTEMIMO天线包括PWB板和两个相同的天线部分，两个相同的天线部分分别位于PWB板相邻的两个转角处并与PWB板相连，且两个相同的天线部分关于PWB板的中心镜像对称；其中每一天线部分包括：位于PWB板的背面的第一辐射部分，第一辐射部分一端通过多种匹配子电路与一移动终端的馈源相连，第一辐射部分产生第一高频谐振；位于PWB板的正面以及背面且与第一辐射部分相对的第二辐射部分，第二辐射部分与第一辐射部分之间存在较强的容性耦合。其中，第二辐射部分包括依次连接的弯折部分、耦合部分以及多重折叠部分，弯折部分通过有源子电路与PWB板相连，第二辐射部分产生低频谐振、第二高频谐振以及第三高频谐振。本发明将两个天线设置用于手机的两个转角处，降低了两个天线部分的相关性系数，且引入有源器件使得天线在超载波模式下能够同时覆盖低频和高频频率；此外，本发明可以覆盖所有的LTE发送和接收的频段，可以自由的切换频段，方便用户的使用；且本发明提供的内置多频带LTEMIMO天线可以用于同时接受和发送的MIMO天线。

本技术领域的技术人员应理解，本发明可以以许多其他具体形式实现而不脱离本发明的精神或范围。尽管也已描述了本发明的实施例，应理解本发明不应限制为这些实施例，本技术领域的技术人员可如所附权利要求书界定的本发明精神和范围之内作出变化和修改。

Claims (10)

1.一种内置多频带LTEMIMO天线，其特征在于，该内置多频带LTEMIMO天线包括PWB板和两个相同的天线部分，所述PWB板包括金属区域和非金属区域，所述非金属区域位于所述PWB板相邻的两个转角处，所述两个相同的天线部分分别位于所述非金属部分并与所述PWB板的金属部分相连，且所述两个相同的天线部分关于PWB板的中心镜像对称；其中，每一天线部分包括：

第一辐射部分，位于所述PWB板的背面上，所述第一辐射部分一端与一移动终端的馈源相连，所述第一辐射部分产生第一高频谐振；

第二辐射部分，接地且位于PWB板的正面以及背面并与第一辐射部分相对，所述第二辐射部分与所述第一辐射部分之间存在较强的容性耦合；所述第二辐射部分通过一有源子电路与所述PWB板相连，所述第二辐射部分产生低频谐振、第二高频谐振以及第三高频谐振；

所述第二辐射部分包括弯折部分、耦合部分和多重折叠部分，所述弯折部分一端通过所述有源子电路接地并与所述PWB板的金属部分相连，另一端与耦合部分一端相连；所述多重折叠部分的一端与所述耦合部分的另一端相连，多重折叠部分的另一端弯折至所述PWB板的背面并与所述弯折部分和所述耦合部分相对，所述第一辐射部分位于所述多重折叠部分与所PWB板之间；其中，弯折至所述PWB板背面的多重折叠部分上开设置有开槽。

2.根据权利要求1所述的内置多频带LTEMIMO天线，其特征在于，所述第一辐射部分上设置有第一缝隙。

3.根据权利要求1所述的内置多频带LTEMIMO天线，其特征在于，所述第一辐射部分与所述移动终端的馈源的连接处设有匹配子电路，所述匹配子电路用于改善天线的阻抗特性。

4.根据权利要求3所述的内置多频带LTEMIMO天线，其特征在于，所述匹配子电路为并联谐振电路。

5.根据权利要求1所述的内置多频带LTEMIMO天线，其特征在于，所述耦合部分与所述弯折部分之间设有第二缝隙，所述多重折叠部分产生第二高频谐振和第三高频谐振。

6.根据权利要求1所述的内置多频带LTEMIMO天线，其特征在于，所述弯折部分、所述耦合部分以及所述多重折叠部分相连接呈“U”形，且所述弯折部分和所述耦合部分与所述多重折叠部分相对，所述第一辐射部分位于所述弯折部分和所述耦合部分与所述多重折叠部分之间。

7.根据权利要求1所述的内置多频带LTEMIMO天线，其特征在于，所述有源子电路包括若干开关器件，所述若干开关器件与所述PWB板之间建立若干条连接线路。

8.根据权利要求1所述的内置多频带LTEMIMO天线，其特征在于，所述多重折叠部分包括依次相连的第一多重折叠部分、第二多重折叠部分、第三多重折叠部分以及第四多重折叠部分，所述第一多重折叠部分与所述耦合部分相连。

9.根据权利要求8所述的内置多频带LTEMIMO天线，其特征在于，所述第一多重折叠部分、第二多重折叠部分、第三多重折叠部形成“U”形的底部，且所述第四多重折叠部分与所述弯折部分和所述耦合部分相对，所述第一辐射部分位于所述第四多重折叠部分与所述弯折部分和所述耦合部分之间。

10.根据权利要求8所述的内置多频带LTEMIMO天线，其特征在于，所述第四多重折叠部分上设置有开槽。