CN103326116B - 用于移动终端的小型平面宽频带双天线系统 - Google Patents
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Abstract
用于移动终端的小型平面宽频带双天线系统属于移动终端多天线设计领域，其特征在于，双天线系统由对称于介质板纵轴z的具有矩形接地环带去耦结构的左右两个天线单元构成，天线单元由F形激励分支和倒L形地支构成，通过联合调整激励分支、地支结构和矩形接地环带，实现宽频带内的低互耦特征。本发明具有宽频带内低回波损耗、宽频带内低互耦以及小尺寸的优点，适用于小尺寸移动终端的双天线结构。
Description
技术领域
本发明属于移动终端多天线设计领域，涉及一种在宽频带内具有低互耦特性的双天线系统，适用于在小型移动终端上实现多输入多输出通信技术。
背景技术
随着移动通信技术的迅速发展，日益紧缺的频谱资源和用户对高速数据传输需求之间的矛盾已凸显重要。为了解决此矛盾，基于长期演进(Long Term Evolution，LTE)标准的第四代(the fourth generation,4G)移动通信已经在世界范围内被各大运营商采用。LTE标准采用多输入多输出(Multiple Input and Multiple Output，MIMO)技术，可以在不增加发射功率、不增加频谱使用的条件下，利用无线信道的多径效应来提高通信质量、增加系统容量，从而满足用户对高速数据传输的需求。为了能在4G移动通信系统中使用MIMO技术，需要在移动通信系统的发射端和接收端分别安装多个天线，且为了使移动通信系统达到最佳性能，多个天线之间必须是相互独立，即天线之间互耦很小。对于移动通信系统的基站，由于没有安装天线尺寸的严格限制，多个天线之间间距可以很大，从而很容易满足低互耦的要求。但是，对于移动通信系统的移动终端，其正朝着体积小、厚度薄、重量轻、成本低和多功能等方向发展，使移动终端上留给天线设计的体积越来越小，多个天线之间的距离非常近，使多个天线之间很难满足低互耦的要求。虽然移动终端的多天线设计已经成为国内外学者研究的热点，但是在移动终端中设计出性能优越的多天线系统依然是一个世界性的难题。
通过对现有技术文献和专利检索发现，已经有一些具有较低互耦的双天线系统。这些双天线系统包括：工作在2.4-GHz、2.4/5.2-GHz、2.4/5.2/5.8-GHz WLAN频段的单频带或者双频带双天线系统；工作在2.4GHz到4.2GHz频段范围内的宽频带双天线系统，此双天线系统可以应用到2.4-GHz WLAN和2.5/3.5-GHz WiMAX通信系统；工作在2.4GHz到6.55GHz频段范围内的宽频带双天线系统，此双天线系统可以应用到2.4/5.2/5.8-GHz WLAN和2.5/3.5/5.5-GHz WiMAX通信系统。这些双天线系统都是为WLAN和WiMAX通信系统设计，工作的频段都较高。而对于工作在较低频段(GSM1800，GSM1900或者UMTS)的通信系统，需要在移动终端上设计出工作在较低频段的双天线系统。但是，由于移动终端尺寸的限制，很难在移动终端上设计出工作在较低频段的双天线系统。在技术文献和专利中，满足此要求的双天线系统较少，这些双天线系统包括：工作在UMTS频段的单频带双天线系统；工作在UMTS和2.4-GHz WLAN频段的双频带双天线系统；工作于GSM1900和UMTS频带的双频带双天线系统。
目前，多功能移动终端是移动终端发展的主要方向之一，需要移动终端中的天线可以同时工作在多个频带。因此，能在移动终端上设计出工作在较低频段、并且具有较宽频带/多频带特性的双天线系统，具有非常大的应用价值。对于专利[CN 101005291]提出的双天线系统，其在两个双倒L天线单元之间使用T形地支和双倒L形地支来减小两个天线单元间的互耦，并且地支也可以用来调节双天线系统的工作频率，从而实现在双频带内具有较低互耦的特性。但是，此双天线系统的工作频带较窄，只能满足UMTS和2.4-GHz WLAN频带的应用。为了设计出可以工作在更多频带的双天线系统，且同时满足结构紧凑、小尺寸的需求，本发明提出使用双倒L形地支和矩形接地环带来实现在宽频带内具有低互耦特性的双天线系统。
发明内容
本发明的目的是为4G移动通信系统设计出一款性能优越的双天线系统，此双天线系统满足在宽频带内具有低互耦的要求。它克服了目前移动终端双天线系统工作频段限制的不足，通过使用双倒L形地支和矩形接地环带结构，使双天线系统在宽频带内具有较低的互耦。本发明使用全平面结构，易于和通信系统的其它组件集成；使用普通印制电路板(Printed CircuitBroad,PCB)加工工艺，成本较低，易于大规模生产。
本发明所述的用于移动终端的小型平面宽频带双天线系统，其特征在于，其特征在于，至少包括介质板、金属地板、双F形激励分支、双倒L形分支、矩形接地环带和微带馈线，其中：
介质板，长×宽×厚度为60mm×95mm×0.8mm；
金属地板，位于所述介质板的背面，用于模拟移动通信系统移动终端中除天线外的其它金属部分；
双F形激励分支，位于所述介质板正面，左右各一个，对称于所述介质板纵轴Z，每个F形激励分支包括：微带馈线，谐振分支和匹配分支，其中：
微带馈线，作为倒L形的臂，从上而下对称分布于所述介质板Z轴的两侧；
谐振分支，作为倒L形的底边，与所述微带馈线上端水平相连；
匹配分支，水平长度上小于所述谐振分支，所述匹配分支位于所述谐振分支下方，与所述微带馈线水平相连；
所述谐振分支和匹配分支在所述微带馈线激励下共同产生一个谐振频带；
双倒L形地支，左右各一个，对称于所述介质板纵轴Z，位于所述介质板背面的上方，直接和位于下方的金属地板相连，所述双倒L形地支在底边外侧的端点上垂直向下延伸出一个狭窄的竖线，末端与所述匹配分支处于同一水平位置上，且相互之间有水平上的间隙；
所述双倒L形地支，在所述微带馈线激励下，产生一个新的谐振频带，用于扩展带宽；
每一个倒L形地支和所对应的一个F形激励分支形成一个天线单元，左右各一个天线单元，对称于介质板纵轴Z，共同形成一个双天线系统；
矩形接地环带，位于所述介质板背面，左右对称于所述介质板纵轴Z，下端直接与所述金属地板相连，所述矩形接地环带，整体地夹在两个所述倒L形地支的两臂中间，高度略低于所述倒L形地支的臂，以便于把所述金属地板上的电流引上所述矩形接地环带，以便在增加天线带宽的同时减小天线间的互耦。
本发明对比已有技术具有以下显著优点：
1.本发明提出的用于移动终端的小型平面宽频带双天线系统，其两个天线单元在很宽的频带内都具有较低的互耦；
2.本发明提出的双天线系统结构紧凑、尺寸较小，适用于移动终端特别是小尺寸移动终端的多天线结构特点；
3.本发明使用全平面结构，易于和通信系统的其它组件集成；使用普通PCB加工工艺，成本较低，易于大规模生产。
附图说明
图1为本发明提供的一种用于移动终端的小型平面宽频带双天线系统的三维图。
图2为图1的A向视图即纵向剖面图。
图3为图1的B向视图即双天线系统的F形激励分支和微带馈线的结构图(图中网格线部分为PCB背面金属地结构在这个面上的投影)，包括两条微带馈线3和4，两个F形激励分支的匹配分支5和6，两个F形激励分支的谐振分支7和8。
图4为图1的C向视图即金属地的结构图，包括金属地板2、两个倒L形金属地支9和10以及矩形接地环带11。
图5为本发明的双天线系统(B向视图，左右对称结构)和双天线系统天线单元局部放大图的实施尺寸图，图中黑色部分为PCB正面的双天线系统的F形激励分支和微带馈线结构图，网格线部分为PCB背面金属地结构在正面的投影，单位均为毫米(mm)。
图6为图5的实施实例中双天线系统的回波损耗测量图(Saa和Sbb)，Saa和Sbb是在一个微带馈线接激励源，另一个微带馈线接50欧姆匹配负载的条件下测得的，由于双天线系统的两个天线单元结构完全对称，Saa和Sbb完全一致。
图7为图5的实施实例中双天线系统的耦合系数测量图(Sab和Sba)，由于双天线系统为对称、无损耗的互易网络，Sab和Sba完全一致。
图8为图5的实施实例中双天线系统工作在2GHz时实测的x-y平面和y-z平面辐射方向图：(a)天线单元a接激励源、天线单元b接50欧姆匹配负载时x-y平面实测方向图；(b)天线单元a接50欧姆匹配负载、天线单元b接激励源时x-y平面实测方向图；(c)天线单元a接激励源、天线单元b接50欧姆匹配负载时y-z平面实测方向图；(d)天线单元a接50欧姆匹配负载、天线单元b接激励源时y-z平面实测方向图(θ分量功率增益方向图； 分量功率增益方向图)。
图9为图5的实施实例中双天线系统工作在2.3GHz时实测的x-y平面和y-z平面辐射方向图：(a)天线单元a接激励源、天线单元b接50欧姆匹配负载时x-y平面实测方向图；(b)天线单元a接50欧姆匹配负载、天线单元b接激励源时x-y平面实测方向图；(c)天线单元a接激励源、天线单元b接50欧姆匹配负载时y-z平面实测方向图；(d)天线单元a接50欧姆匹配负载、天线单元b接激励源时y-z平面实测方向图(θ分量功率增益方向图； 分量功率增益方向图)。
对附图中的标示说明如下：
1为介质板；2为印刷在介质板1背面的金属地板；a为印刷在介质板左侧的双天线系统的天线单元；b为印刷在介质板右侧的双天线系统的天线单元；3为天线单元a的微带馈线，3和天线单元a直接相连；4为天线单元b的微带馈线，4和天线单元b直接相连；5为天线单元a的F形激励分支的匹配分支；6为天线单元b的F形激励分枝的匹配分支；7为天线单元a的F形激励分支的谐振分支；8为天线单元b的F形激励分支的谐振分支；5和7构成天线单元a的F形激励分支，6和8构成天线单元b的F形激励分支；9为天线单元a的倒L形地支；10为天线单元b的倒L形地支；11为双天线系统的矩形接地环带；9、10、11直接和金属地板2相连；5、7、9构成天线单元a，6、8、10构成天线单元b；11放置在天线单元a和天线单元b之间用于降低天线单元a和天线单元b之间的互耦。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明提出了一款移动终端的小型平面宽频带双天线系统，实现了低成本、易集成、小尺寸及宽频带/多频带工作的天线结构，如图1-图4所示。整个双天线系统印刷在介质板1的两个面上，包括金属地板2、天线单元a(由分支5、7、9构成)、天线单元b(由分支6、8、10构成)、矩形接地环带11、微带馈线3和微带馈线4。所述的金属地板2为介质板1的两个面上不含天线单元a、天线单元b、矩形接地环带11、微带馈线3和微带馈线4的那个金属面，用于模拟移动通信系统移动终端中除天线外的其它金属部分。天线单元a、天线单元b、矩形接地环带11、微带馈线3和微带馈线4相对于介质板1的z轴对称，每个天线单元均由一个F形激励分支和一个倒L形地支构成(分支5、7构成天线单元a的F形激励分支，此F形激励分支和倒L形地支9构成天线单元a；分支6、8构成天线单元b的F形激励分支，此F形激励分支和倒L形地支10构成天线单元b)，矩形接地环带11印制在天线单元a和天线单元b之间用于降低天线单元a和天线单元b之间的互耦。微带馈线3用于激励天线单元a，微带馈线4用于激励天线单元b，对于微带的馈电形式，也可以采用其他方式激励，馈线长度可以根据馈电点位置和激励源的位置决定。
本发明的技术方案是这样实现的：天线单元a的谐振分支7和天线单元b的谐振分支8主要用于产生一个高频谐振，天线单元a的倒L形地支9和天线单元b的倒L形地支10主要用于产生一个低频谐振，此高频谐振和低频谐振组合实现双天线系统在宽频带内具有低回波损耗，天线单元a的匹配分支5和天线单元b的匹配分支6主要用来微调使双天线系统在宽频带内具有较好的阻抗匹配。矩形接地环带11印制在天线单元a和天线单元b之间，其可以将地板上的电流引上矩形接地环带，从而降低天线单元a和天线单元b之间的互耦。由于天线单元a和天线单元b的F形激励分支和倒L形地支以及矩形接地环带对阻抗匹配特性和互耦特性都有一定的影响，因此需要根据需求进行联合调整。
为了说明本发明是一种在宽频带内具有低互耦特性的双天线系统，下面给出一个具体实例。
在本实例中，天线介质采用介质基片厚度为0.8mm、相对介电常数为4.4、损耗角正切为0.02的FR4基板，双天线系统的各部分尺寸如图5所示，图中所有尺寸的单位均为毫米(mm)。
以图5所示尺寸制作的双天线系统的回波损耗(Saa和Sbb)测试结果如图6，由于结构对称，Saa和Sbb完全一致，Saa和Sbb是在一个微带馈线接激励源，另一个微带馈线接50欧姆匹配负载的条件下测得的。由图6可知，双天线系统测试回波损耗小于-10dB时的阻抗带宽为1.09GHz(1.67—2.76GHz)，可以完全覆盖GSM 1800(1710—1880MHz)、GSM 1900(1850—1990MHz)、UMTS(1920—2170MHz)、LTE 2300(2300—2400MHz)、LTE 2500(2500—2690MHz)和2.4-GHz WLAN(2400—2484MHz)等多个频带。图7给出以图5所示尺寸制作的双天线系统两个天线单元之间的测试互耦(Sab和Sba)，由于双天线系统为对称、无损耗的互易网络，Sab和Sba也完全一致，由图6可知，在1.7GHz到2.76GHz的频带内，其测试互耦小于-15dB，也可以覆盖GSM 1800、GSM 1900、UMTS、LTE 2300、LTE 2500和2.4-GHz WLAN等多个频带。图8和图9分别给出双天线系统工作在2GHz和2.37GHz时的实测辐射方向图，辐射方向图是在一个微带馈线接激励源，另一个微带馈线接50欧姆匹配负载的条件下测得的。由图8和图9可见，该双天线系统两个辐射天线单元的辐射方向图覆盖空间互补的区域。由于本设计结构紧凑、尺寸小、宽频带内回波损耗小、宽频带内互耦小，满足移动通信系统移动终端的多天线设计需求。
Claims (2)
1.用于移动终端的小型平面宽频带双天线系统，其特征在于，至少包括介质板、金属地板、双F形激励分支、双倒L形地支、矩形接地环带和微带馈线，其中：
介质板，长×宽×厚度为60mm×95mm×0.8mm；
金属地板，位于所述介质板的背面，用于模拟移动通信系统移动终端中除天线外的其它金属部分；
双F形激励分支，位于所述介质板正面，左右各一个，对称于所述介质板纵轴Z，每个F形激励分支包括：微带馈线，谐振分支和匹配分支，其中：
微带馈线，作为倒L形的臂，从上而下对称分布于所述介质板Z轴的两侧；
谐振分支，作为倒L形的底边，与所述微带馈线上端水平相连；
匹配分支，水平长度上小于所述谐振分支，所述匹配分支位于所述谐振分支下方，与所述微带馈线水平相连；
所述谐振分支和匹配分支在所述微带馈线激励下共同产生一个谐振频带；
双倒L形地支，左右各一个，对称于所述介质板纵轴Z，位于所述介质板背面的上方，直接和位于下方的金属地板相连，所述双倒L形地支在底边外侧的端点上垂直向下延伸出一个狭窄的竖线，末端与所述匹配分支处于同一水平位置上，且相互之间有水平上的间隙；
所述双倒L形地支，在所述微带馈线激励下，产生一个新的谐振频带，用于扩展带宽；
每一个倒L形地支和所对应的一个F形激励分支形成一个天线单元，左右各一个天线单元，对称于介质板纵轴Z，共同形成一个双天线系统；
矩形接地环带，位于所述介质板背面，左右对称于所述介质板纵轴Z，下端直接与所述金属地板相连，所述矩形接地环带，整体地夹在两个所述倒L形地支的两臂中间，高度略低于所述倒L形地支的臂，以便于把所述金属地板上的电流引上所述矩形接地环带，以便在增加天线带宽的同时减小天线间的互耦。
2.根据权利要求1所述的用于移动终端的小型平面宽频带双天线系统，其特征在于，双天线系统所占体积为长60mm×宽95mm×厚度0.8mm。
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