CN104810617A - 一种天线单元及终端 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种天线单元及终端。本发明的天线单元包括：天线电路板、至少两个相邻的天线以及用于隔离相邻两天线之间耦合信号传输的电磁耦合模块；所述电磁耦合模块串联在相邻的两个天线之间；本发明利用电磁耦合模块隔离相邻天线之间的信号传输，即使得两个天线中电信号传输不到对端，减小了相邻天线之间的信号耦合，提高了相邻两天线之间的隔离度。
Description
技术领域
本发明涉及移动无线通信技术应用领域，尤其涉及一种天线单元及终端。
背景技术
近年来随着移动终端的普及和发展，新通讯系统不断追求更高的传输速率和更大的信道容量。在4G通讯制式中（LTE及其演进的LTE-A、WiMAX系统等），MIMO（Multi-Input Multi-Output,多输入多输出）的天线技术成为提升数据速率的核心特征。它泛指在无线通信系统的接收端和发射端都配备有多根天线，在用一个空间中形成多个并行的传输通道，使多个数据流使用这些独立的通道进行并行传输，从而增加系统容量，提高频谱利用率。
对于MIMO通信系统，当多个天线布置在空间较近的情况下，各天线的接收信号之间存在着相关性。相关性越大，各个信号通道之间的独立性就越低，对系统整体传输性能的恶化影响越显著。因此有效降低MIMO系统中各个天线之间的相关性并提高各天线间的隔离度（Isolation），是实现MIMO系统高速数据传输的关键技术点之一。随着技术的进一步演进，为了支持更高的传输速率，最新的LTE-Advanced标准（3GPP Release12）已经开始支持4×4的MIMO技术，即在发射端和接收端，也就是基站和手机终端上均配置4根天线，这4根天线同时工作，没有主次之分。要求各个天线具有平衡的射频和电磁性能，且各个天线之间均保持较低的相关性和较高的隔离度。
在基站侧，由于对基站天线占用空间没有严格的要求，因此可以通过加大天线之间的间距，或通过天线间极化正交的方式来降低天线之间的相关性。但是在终端侧，尤其是手机类终端上，由于受物理尺寸的限制，布置多个天线且同时要求各个天线之间保持较低的相关性和较高的隔离度，就具有很大的技术挑战：终端小型化需求使天线无法通过增加间距提高隔离度，同时终端电小天线辐射往往不具有明显的极化倾向，因此也很难通过简单的极化正交来提高终端天线的隔离度。因此目前阶段终端一般只配置两根天线，即主天线和辅天线。其中主天线独立用于无线通信信号的收发，辅天线可工作在MIMO接收模式下，以便提高信号数据传输速率。
传统的提高终端天线隔离度的方法大体分为三类：采用不同类型的天线组合、不同放置位置；增加地板寄生金属导体或寄生缝隙结构改变天线互耦；天线之间增加去耦线/平衡线/解耦网络方法。其中第一类方法受终端固有物理尺寸的限制大，很难在实际中得以应用。第二和第三类方法相对解耦带宽很窄，目前发现主要对于2GHz以上高频段效果较佳，如LTE Band7（2500-2690MHz），LTE Band40（2300-2400MHz）等。而对于LTE700MHz低频段，如LTE Band12（698-746MHz），LTE Band13（746-787MHz），LTE Band17（704-746MHz），去耦效果并不好，难以满足实际所需的宽频带特性。目前天线学术界认为，MIMO系统要求终端多天线的指标为：单天线效率在40%以上，任意两天线隔离度在15dB以上。因此，在手持终端严重受限的空间内，布置4根LTE低频段天线，在保证天线效率的同时，消减各天线之间的耦合从而保证较高的隔离度即成为终端4×4MIMO天线设计的关键难点。
发明内容
本发明要解决的主要技术问题是，提供一种天线单元及终端，能够提高天线之间的隔离度。
为解决上述技术问题，本发明提供一种天线单元，包括：天线电路板、至少两个相邻的天线以及用于隔离相邻两天线之间耦合信号传输的电磁耦合模块；所述电磁耦合模块串联在相邻的两个天线之间。
进一步地，所述电磁耦合模块包括：隔离金属结构以及集总参数元件；
所述隔离金属结构通过集总参数元件分别与相邻的两个天线串联，所述隔离金属结构由至少一个独立的子金属部分构成，所述子金属部分之间通过所述集总参数元件连接，所述子金属部分的一个末端悬空或者开路，另一个末端接地或者短路。
进一步地，所述独立的子金属部分上串联有集总参数元件。
进一步地，所述集总参数元件包括电控可调器件，所述电控可调器件的控制线通过所述子金属部分的末端对自身进行控制。
进一步地，所述电磁耦合模块包括：并联谐振LC电路。
进一步地，所述天线电路板包括两个天线净空区，所述天线净空区设有至少两个相邻的天线，所述两个天线净空区在不同的平面上。
进一步地，所述天线单元包括第一天线组和第二天线组，所述第一天线组和所述第二天线组至少包括两个相邻的天线，所述第一天线组和所述第二天组设置在所述天线电路板的不同或者相同层面上。
进一步地，所述第一天线组包括两个相邻的天线，所述第二天线组包括两个相邻的天线，所述第一天线组设置在所述天线电路板表层上端，所述第二天线组设置在所述天线电路板底层的下端；所述第一天线组中两个天线相对于所述天线电路板长轴镜像对称分布，第二天线组中两个天线相对于所述天线电路板长轴镜像对称分布。
同样为了解决上述的技术问题，本发明还提供了一种终端，包括如上所述天线单元、主电路板以及终端的工作电路；所述终端的工作电路设置所述终端主电路板上，所述天线与所述主电路板连接。
进一步地，所述终端还包括隔离片；所述隔离片设置在所述主电路板与所述天线主板之间。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种天线单元及终端能够提高天线之间的隔离度，并且能够有效地应用在低频段天线中。本发明的天线单元包括：天线电路板、至少两个相邻的天线以及用于隔离相邻两天线之间耦合信号传输的电磁耦合模块；所述电磁耦合模块串联在相邻的两个天线之间；本发明利用电磁耦合模块隔离相邻天线之间的信号传输，即使得两个天线中电信号传输不到对端，减小了相邻天线之间的信号耦合，提高了相邻两天线之间的隔离度，与传统的寄生金属导体或缝隙结构和平衡线/去耦线技术相比，本发明的天线单元可以克服传统高隔离技术在低频带宽窄的缺点，并且具有更宽的隔离带宽，适用范围比较广泛。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的一种天线单元的结构示意图；
图2为本发明实施例一提供的一种天线单元的原理示意图；
图3为本发明实施例一提供的另一种天线单元的原理示意图；
图4为本发明实施例二提供的一种将天线单元应用在终端LTE低频段4×4MIMO高隔离天线上的示意图；
图5为本发明实施例二提供的两个相邻天线在PCB介质板厚度边缘走线示意图；
图6为本发明实施例二提供的相邻两天线关键走线物理尺寸示意图；
图7为本发明实施例二提供的邻两天线背面走线物理尺寸示意图；
图8为本发明实施例二提供的单天线仿真反射系数示意图；
图9为本发明实施例二提供的四个天线之间仿真的耦合系数示意图；
图10为本发明实施例二提供的一种四天线系统的示意图；
图11为本发明实施例三提供的一种终端的结构示意图；
图12为本发明实施例三提供的一种四天线终端的天线及工作电路布置的俯视图；
图13为本发明实施例三通过的一种四天线终端的天线及工作电路布置的侧视图。
具体实施方式
在现有多天线中由于电磁耦合的存在，相邻的天线会有一部分的信号通过耦合方式传输到对端天线，这样就造成了天线性能下降，对传输性能有很大影响。出于消减各天线之间的耦合从而保证较高的隔离度考虑，本发明提出了一种天线单元，包括：天线电路板、至少两个相邻的天线以及用于隔离相邻两天线之间耦合信号传输的电磁耦合模块；所述电磁耦合模块串联在相邻的两个天线之间。本发明利用电磁耦合模块使得相邻天线之间的耦合信号传输不到对端，提高了天线之间的隔离度，消减相邻天线之间的耦合保证了天线的性能。同时，本发明的天线单元可以了传统隔离技术应用在低频天线上的缺点，本发明的天线单元适用于多种频段的天线。
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例一：
本实施例提供了一种天线单元，包括：天线电路板、至少两个相邻的天线以及用于隔离相邻两天线之间耦合信号传输的电磁耦合模块，所述电磁耦合模块串联在相邻的两个天线之间。本实施例中电磁耦合模块包括隔离金属结构以及集总参数元件；所述隔离金属结构通过集总参数元件分别与相邻的两个天线串联，所述隔离金属结构由至少一个独立的子金属部分构成，所述子金属部分之间通过所述集总参数元件连接，所述子金属部分的一个末端悬空或者开路，另一个末端接地或者短路。
本发明的天线单元采用的隔离技术是：在相邻的双天线之间布置隔离金属结构；所述隔离金属结构由N个独立的子金属部分构成；所述隔离金属结构和天线走线之间存在多个缝隙。在所述缝隙上布置有集总参数元件（电容，电感和电阻）跨接，可将子金属结构和天线相邻走线连接起来；所述金属结构和所述集总参数元件一起构成双天线之间的电磁耦合结构，谐振情况下可以明显降低天线的耦合从而提高双天线之间的隔离度。
本实施例中子金属部分具有条带形状，环形或者其他几何形状；所述集总参数元件可以是电控可调电感或者电容，所述电控可调器件的控制线可以通过子金属部分的末端对可调器件进行控制。
优先地，本实施例中所述独立的子金属部分上串联有集总参数元件。本实施例天线单元中可以由隔离金属结构以及所有集总元件一起构成双天线之间的电磁耦合结构，该电磁耦合结构在天线工作频率上可以等效成开路状态，从而隔离了相邻两天线之间的电磁耦合。
如图1所示，为本发明的天线单元的一种结构，其中天线101和102为彼此相邻的两个天线。所述天线101和天线102分别有各自独立的匹配（Matching）电路105和106。馈电点107，108分别和所述天线101和天线102电性相连。在所述天线101和102之间，设置有提高隔离度的隔离金属结构109。所述隔离金属结构109可由1-N彼此独立的子金属部分构成。其中金属部分101为一个子金属部分实例。可选地，所述子金属部分101形状可以是条带状，环形或其他几何图形。图1中所述天线101和天线102的天线走线存在着和隔离金属结构109相互靠近的部分走线103和部分走线104。在天线走线103，天线走线104和隔离金属结构109的各个子金属部件之间，均存在有空间缝隙111。各子金属结构两端形式可采用接地端112或者开路端113。可选地，在所述隔离金属结构109的子金属部分之间和天线走线103，走线104之间的缝隙111上，可跨接集总参数元件114（电容、电感或电阻）。可选地，在上所述隔离金属结构109的子金属部分可串接集总参数元件115（电容、电感或电阻）。本实施例的天线单元在两个相邻的天线之间增加隔离金属结构109，通过调整所述隔离金属结构109中子金属部分101的尺寸位置物理参数，调整跨接在金属间缝隙111上的集总参数元件114，调整串接在各个子金属部分110上的集总参数元件115，达到提高临近天线101和102之间隔离度的目标。进一步地，隔离金属结构109中的集总参数元件114和115，可以采用电控可调器件（如可调电容，可调电容等），实现离度随频率的控制。在这种情况下，电控可调期间的控制线和控制信号（GPIO，SPI，MIPI等）可通过子金属部分接地端112或开路端113馈入。在可调模式下，当所述天线101，102工作在不同的制式和频段时候，二者之间的隔离度可以实时做相应的调整，实现宽带高隔离的性能。
如图2所示，本实施例天线单元是通过在两个临近的天线101和天线102之间增加隔离金属结构109。所述隔离金属结构由N个独立的子金属部分构成，在天线走线和各子金属部分之间均存在缝隙。这些金属缝隙和跨接在缝隙上的集总元件，串接在子金属部分上的集总元件一起，在天线101和天线102之间形成一个复杂的电磁耦合结构，用来消除天线间的耦合从而提高隔离度。简化的，这个电磁耦合结构等效成为一个并联谐振LC电路。在所需的工作频率上，并联谐振整体等效成开路状态，从而隔离了天线101和天线102，通过降低天线之间容性耦合达到提高隔离度的目的。
如图3所示，当天线单元中集总参数元件包括电控可调器件时，即图1中隔离金属结构109中的集总参数元件114和115采用电控可调器件，可以实现对临近天线灵敏度的可调控制。原理上，本实施例即通过改变等效并联谐振LC电路中的电感量L和电容量C，实现工作频率的连续可调。达到隔离度跟随天线工作频率实时可调的目的。
上述内容是介绍通过在相邻天线之间布置N个子金属部分和集总参数元件，在工作时，子金属部分和集总参数构成了一个电磁耦合结构，消除天线间的耦合从而提高了隔离度。当然本实施例还可以在相邻天线之间直接设置并联谐振LC电路用来消除天线间的耦合即本实施例天线单元中电磁耦合模块可以包括并联谐振LC电路，该并联谐振LC电路谐振时整体可等效成开路状态，这样两天线中信号就传输不到对端天线，达到了隔离天线的效果，提升了天线间的隔离度。
一般情况下，天线走线均是布置在电路板的天线净空区内，本实施例的天线单元中PCB板包括两个天线净空区，天线净空区内布置至少两个相邻的天线，本实施例可以通过对天线净空区进行弯折，使得两个天线净空区不在同一个平面上。例如，当PCB上下端设置净空区时，将两个净空区在空间上进行折起，使整个PCB板呈S形状分布以提高任意天线之间的隔离度并且提高天线的辐射效率。
优先地，本实施例中所述天线单元包括第一天线组和第二天线组，所述第一天线组和所述第二天线组至少包括两个相邻的天线，所述第一天线组和所述第二天组设置在所述天线电路板的不同或者相同层面上。其中设置在不同的层面可以减少各组天线的耦合，提升各组天线性能。
为了进一步提升天线的隔离度还可以在PCB表层和底层的金属地平面还可以布置相应的多条缝隙来增加隔离度。可选的缝隙的形状可以为L形或者T形。
本实施例天线单元可以作为终端4×4MIMO天线，具体地，本实施例中所述第一天线组包括两个相邻的天线，所述第二天线组包括两个相邻的天线，所述第一天线组设置在所述天线电路板表层上端，所述第二天线组设置在所述天线电路板底层的下端；所述第一天线组中两个天线相对于所述天线电路板长轴镜像对称分布，第二天线组中两个天线相对于所述天线电路板长轴镜像对称分布。此时天线单元中四个天线可以为LTE低频段天线,该终端4×4MIMO天线在保证天线效率的同时，消减各天线之间的耦合从而保证较高的隔离度。
本实施例的天线单元在相邻天线之间设置可以在工作时可以等效为开路的电磁耦合结构，消除了天线之间的耦合，提高了隔离度，并且本实施例的天线单元可以应用在LTE低频段天线设计中，有效地解决了低频段天线的耦合的问题。例如本实施例的天线单元可以有效地应用在LTE低频700MHz高隔离度天线的设计中，满足未来LTE-A对终端天线的技术要求，并且保证天线和终端的小型化。前述终端系统方案可保证整个4MIMO天线中的任意两天线隔离度均有明显提升，并且容易和电路系统集成在一起，最终在小型化终端上实现4×4MIMO的性能指标。
实施例二：
本实施例将上述天线单元应用在端LTE低频段4MIMO高隔离天线设计中，具体的，如图4所示，本实施例中四个天线为印制在PCB（Planar Circuit Board）板的两个面上的IFA（Inverted F Antenna）天线。PCB整板的尺寸为80×210mm，厚度1mm。4（a）图为PCB表层走线形式，4（b）为PCB的底层走线形式。如图所示，其中天线1（图示301）和天线2（图示302）走线位于PCB板表层表面的上端，彼此相对于PCB长轴镜像对称分布。而天线3（图示303）和天线4（图示304）位于PCB板底层表面的下端，彼此相对于PCB长轴镜像对称分布。馈电点305，305，307，308分别和4个天线301，302，303，304电性相连。其中天线1（图示301），天线2（图示302），天线3（图示303）和天线4（图示304）分别带有对应的匹配电路309，310，311和312。本实例中所用的匹配为并联的2pF电容器件。在PCB表层存在着金属地平面313，在PCB的底层分布有金属地平面314，为4个天线提供辐射参考地。所述金属地平面的物理尺寸为80×160mm。另外，天线301和天线302的净空区315，天线303和天线304的净空区316的物理尺寸为80×25mm。为了进一步提高4天线两两之间的隔离度，在PCB的表层金属地平面313和底层金属地平面314上还开L形状金属缝隙。所述天线1（图示301）对应的双L形金属缝隙为317和318。本实施例所述缝隙317和318的长度分别为86.3mm和102.5mm，两个缝隙的宽度为1.7mm。如图所示，在PCB金属地平面313和314上，天线302，303，304均有相同且对称的缝隙分布。具体的，本实施例中高隔离金属结构对应为天线301和天线302之间的金属条带319，320和321。所述PCB表层金属条带又和相应的底层金属条带322，323，324电性连接。可以看出，所述金属条带320在表层和金属地313电性相连。所述金属条带322，323，324在底层和金属地314电性相连。因此可知，所述子金属部分319，321为单端短路/单端开路连接形式；子金属部分320为双端均短路的连接形式。进一步地，在所述金属条带319，320，321和天线走线301，302的缝隙上，跨接有集总参数元件325，326，327和328。本实例中集总参数元件325和328为22nH的电感，集总元件326和327为0.5pF的电容。对称的，天线303和天线304之间也存在相同的隔离金属条带和集总参数元件。可选地，PCB表层地平面313和底层地平面314，可由过孔329电性连接，形成统一的天线地平面。
简而言之，图4所示的LTE Band13低频4MIMO天线，具体采用了隔离金属结构（319，320，321，322，323，324等）和集总参数元件（325，326，327，328）来提高相邻天线301和302的隔离度。通过将天线301，302和天线303，304分组并位于PCB表层走线和底层走线的形式，并且结合在PCB表层地平面313，底层地平面314上对称布置双L形缝隙的方式，减小了4MIMO系统中两两天线间的耦合，从而提高了隔离度，并保证了各天线的辐射效率。
图5为图4实例中两个相邻天线在PCB介质板厚度边缘走线示意图。具体的表层隔离金属条带319，320，323通过侧边的金属条带330，331，332分别和底层的隔离地金属条带322，323，324电性相连。可选地，所述表层金属条带319，320，323也可以通过过孔和所述底层金属条带322，323，324电性相连。
图6和图7为本发明图4实例相邻两天线关键走线物理尺寸示意图。图中数值单位为毫米。由于本实例4个IFA天线属于完全对称形式，因此所有的物理尺寸都是相同的。
由于四个天线完全对称，因此图8仅显示出实例单天线仿真回波损耗。从图中可以看出单天线谐振在LTE Band13（746-787MHz）的频率范围内。通过实际的治具测量，图4中的实例4个天线的效率均在40%左右。图9为图4中实例4个天线单元之间仿真的耦合系数（隔离度，S参数）。从图中可以看出，由于采用了本发明的高隔离技术，两相邻天线1（图示301）和天线2（图示302）之间的隔离度基本已达15dB。而天线1（图示301）和天线3（图示303），天线1（图示301）和天线4（图示304）之间的隔离度，也已经达到11dB。通过实际的治具测量，天线1和天线2在LTE Band13的隔离度已大于15dB。而天线1和天线3，天线1和天线4之间的隔离度也在12dB到13dB之间。
进一步地，为了提高图4实例两两天线之间的隔离度，还可以如图10所示，将所述天线净空区域315和316，向两个方向旋转α角度折起。此时整个PCB板侧视图呈S形状。由于天线301，302和天线303，304位于PCB的不同表面，通过弯折一定的角度时间上改变了天线的方向性，可以进一步提高减少天线的空间辐射耦合。采用此方案，最终的治具实测结果为：任意两天线间的隔离度均大于15dB，并且单天线效率保证在40%左右。
实施例三：
如图11所示，本实施例提供了一种终端，包括：如实施例一或者实施例二所述的天线单元、主电路板以及终端的工作电路；所述终端的工作电路设置所述终端主电路板上，所述天线与所述主电路板连接。
为了减小天线电路板上天线与主电路板上的工作电路之间的信号干扰，本实施例的终端可以在主电路板与所述天线主板之间设置一个隔离片。
如图12，为本实施例提供的一种四天线终端的示意图。由于LTE低频700MHz4MIMO天线的设计难度，为了保证任意两天线之间的高隔离度，在采用本发明高隔离技术的同时，也需要对PCB金属地平面进行开缝处理。这就会影响终端电路的布局和走线。为了解决该问题，针对4MIMO高隔离天线方案，可以采用天线地平面和电路地平面分开的方案。具体的如图12所示，天线601，602，603，604对称分布在天线PCB主板605之上。天线PCB主板地平面上存在着保证隔离度的缝隙608。终端基带（Base Band，BB）电路，射频电路（RadioFrequency，RF）电路和LCD显示单元均位于独立的电路主板606上。所述电路主板布置有和天线相连的射频连接器，通过射频线缆和天线馈电点相连。具体的，天线601是通过射频线缆609和电路主板606上的射频连接器610相连，实现发射和接收信号的作用。所述所有部件均包括在终端外壳607之中。图13为四天线终端系统侧示图。如图所示，为了保证天线主板605和电路主板606之间不互相干扰，需要在二者之间加入隔离片611。可选地，隔离片611是绝缘的柔性薄膜或塑料支架材质。通过这种终端天线设计方案，即可实现4×4MIMO终端的功能要求。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种天线单元，其特征在于，包括：天线电路板、至少两个相邻的天线以及用于隔离相邻两天线之间耦合信号传输的电磁耦合模块；
所述电磁耦合模块串联在相邻的两个天线之间。
2.如权利要求1所述的天线单元，其特征在于，所述电磁耦合模块包括：隔离金属结构以及集总参数元件；
所述隔离金属结构通过集总参数元件分别与相邻的两个天线串联，所述隔离金属结构由至少一个独立的子金属部分构成，所述子金属部分之间通过所述集总参数元件连接，所述子金属部分的一个末端悬空或者开路，另一个末端接地或者短路。
3.如权利要求2所述的天线单元，其特征在于，所述独立的子金属部分上串联有集总参数元件。
4.如权利要求3所述的天线单元，其特征在于，所述集总参数元件包括电控可调器件，所述电控可调器件的控制线通过所述子金属部分的末端对自身进行控制。
5.如权利要求1所述的天线单元，其特征在于，所述电磁耦合模块包括：并联谐振LC电路。
6.如权利要求1-5任一项所述的天线单元，其特征在于，所述天线电路板包括两个天线净空区，所述天线净空区设有至少两个相邻的天线，所述两个天线净空区在不同的平面上。
7.如权利要求1-5任一项所述的天线单元，其特征在于，所述天线单元包括第一天线组和第二天线组，所述第一天线组和所述第二天线组至少包括两个相邻的天线，所述第一天线组和所述第二天组设置在所述天线电路板的不同或者相同层面上。
8.如权利要求7所述的天线单元，其特征在于，所述第一天线组包括两个相邻的天线，所述第二天线组包括两个相邻的天线，所述第一天线组设置在所述天线电路板表层上端，所述第二天线组设置在所述天线电路板底层的下端；所述第一天线组中两个天线相对于所述天线电路板长轴镜像对称分布，第二天线组中两个天线相对于所述天线电路板长轴镜像对称分布。
9.一种终端，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述天线单元、主电路板以及终端的工作电路；
所述终端的工作电路设置所述终端主电路板上，所述天线与所述主电路板连接。
10.如权利要求9所述的终端，其特征在于，还包括隔离片；所述隔离片设置在所述主电路板与所述天线主板之间。
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