CN1728591A - 一种无线通信终端分集天线装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无线通信终端分集天线装置，由N(N≥1)个天线单元(1)和M(M≥1)个天线地(2)构成，K(0＜K＜N)个所述的天线单元(1)位于无线通信终端机身(3)的面板后背与机壳之间的天线地(2)之上，其余(N－K)个天线单元(1)位于无线通信终端翻盖(4)的屏幕后背与机壳之间的天线地(2)之上，所述的N个天线单元(1)通过馈电装置连接到其对应的发射机或对应的接收机。本发明具有空间相关性低、无辐射伤害、低成本与易于制作等特点，可广泛用于无线通信以获得电波传播极化分集、角度分集或空间分集效益，或用于空时编码发射或接收，或用于多入多出无线通信系统。

Description

一种无线通信终端分集天线装置

技术领域

本发明属于无线通信分集天线技术领域，它特别涉及无线通信终端分集天线技术。

背景技术

随着无线通信的迅速发展，其用户数日益增加，数据业务不断增长，单天线收发的无线通信系统正面临着严峻的容量瓶颈考验，必须进一步提高当前无线通信系统的容量和质量，寻求新的技术方案。多发多收(MIMO)技术是一项利用多发射与多接收天线的无线通信新技术，其发射数据流被分离为多路子数据流，在调制后以相同的频率经不同的天线同时发射出去，通过无线信道的散射传播，这些并行子流可能通过不同路径到达接收机，由不同的接收天线接收，接收机可以合并来波信号并恢复出原始数据流。利用该技术，无线系统可以获得复用增益与分集增益，其有效并行数据管道提高了MIMO系统的容量。传统的无线通信理论一直将多径传播视为造成无线信号衰落的一种干扰，而MIMO技术通过采用多天线同时发送与接收，能够充分利用多径传播，犹如在原有频段上建立了多个互不干扰的、并行的子信道，并利用先进的多用户检测技术，同时准确而高效地传送用户数据，从而显著提高无线链路的容量与质量。因此，MIMO技术是实现无线通信系统高速传输的重要途径。

然而，MIMO系统大容量的获得是以衰落信号不相关或低相关为前提的，即要求无线通信环境中具有丰富的电磁散射体以及多天线单元间距足够大。在无线移动通信的用户终端周围，存在大量的散射体，这使得无线电磁波信号角度扩展很大，仅需较小(小于一个波长)的天线单元间距就足以获得较低的相关性。但是，在实际中，用户终端日趋小型化，其多天线单元的间距对于实现空间分集可能仍然存在问题。

而且，无线通信用户在使用终端(如手机，便携电话等)时，其终端天线可能处于一个随机的角度，即天线的极化方向可能是随机的，而电磁波在无线信道中传播时，存在极化方向的扭转，即到达接收天线的电磁波的极化与接收天线的极化方向不匹配，因此，在无线传输中除了多径传播引起的多径衰落外，还存在极化失配衰落，故接收信号强度对用户终端的方位很敏感。

另外，终端天线对人体的辐射伤害是用户非常关心的问题。常规的全向天线对用户大脑的辐射伤害已经引发了人们的广泛争议。

天线的常规设计没有很好解决上述低相关性的多天线单元设计、对抗极化失配设计以及减小对终端用户的辐射伤害等问题，因为这些对多天线设计与分集天线设计提出了较高要求，特别是终端多天线的布局与设计。

在授予Iwai等人的美国专利6,670,925 B2“倒F天线装置与采用倒F天线的便携无线通信装置”(Inverted F-type antenna apparatus and portable radio communicationsapparatus provided with the inverted F-type antenna apparatus)中，公开了一种构建倒F天线单元的方法与装置。但是，该发明仅仅提供了天线单元的设计，没有考虑用于多天线设计的问题。在授予Smith等人的美国专利6,426,723 B1“MIMO通信系统的天线布局”(Antenna arrangement for multiple input multiple output communications systems)中，公开的用于MIMO通信系统的天线布局仅适于大型终端，并且天线单元数目过多，不适宜用于小型终端(比如，用于无线通信的手持机)中。在授予梅原尚子等的中国专利CN 1411158A“分集天线和应用它的无线通信设备”中，公布的分集天线设计不适于终端应用，特别不适于手持机多天线设计。

发明内容

本发明的目的是提供一种无线通信终端分集天线装置，它具有低空间相关性、无辐射伤害、低成本、同时适用于大型与小型无线通信终端等特点。

为了描述方便，我们首先对所用术语作如下定义。

馈电装置：指用于天线有源单元馈电的装置，它可以是同轴电缆、平行双线或微带线等；

天线单元：指作为天线系统的一部分相对独立的天线部件，它具有其对应的馈电装置并构成一个子天线系统，它可以包含无源单元；

天线地：指与天线馈电装置的地连接且与天线单元对应的金属面；

多天线系统；指一个包括多个天线单元的天线装置；

分集天线：指一个多天线系统，它具有天线分集功能，即至少具有空间分集、角度分集与极化分集中的三者之一；

无线通信终端：指用于无线通信的装置，它包括便携无线通信手持机(包括具有翻盖与无翻盖两种)，车载无线通信装置，以及用于无线通信的便携计算机等。

本发明提供的一种无线通信终端分集天线装置，它包括以下三种方案：

第一种方案：

一种无线通信终端分集天线，它包括一个天线单元1，一个天线地2，天线单元1位于无线通信终端机身3的面板后背与机壳之间的天线地2之上，其特征在于当所述的无线通信终端分集天线用于发射时，所述的天线单元1采用正交馈电装置连接到所述的无线通信终端的发射机上，当所述的无线通信终端分集天线用于接收时，所述的天线单元1采用正交馈电装置连接到所述的无线通信终端的接收机上，如图1与图2所示。

第二种方案：

一种无线通信终端分集天线，它包括N(N为正整数)个天线单元1，M(M为正整数)个天线地2，其特征在于所述的天线单元1的数目N≥2，所述的天线地2的数目M≥1，所述的N个天线单元1位于无线通信终端机身3的面板后背与机壳之间的天线地2之上，当所述的无线通信终端分集天线用于发射时，所述的N个天线单元1通过馈电装置连接到所述的无线通信终端的发射机上，当所述的无线通信终端分集天线用于接收时，所述的天线单元1通过馈电装置连接到所述的无线通信终端的接收机上，如图3与图4所示(图中，N＝2，M＝1)。

第三种方案(对于具有翻盖的无线通信终端)：

一种无线通信终端分集天线，它包括N(N为正整数)个天线单元1，M(M为正整数)个天线地2，其特征在于所述的天线单元1的数目N≥2，所述的天线地2的数目M≥2，所述的N个天线单元1中有K(K为正整数，0≤K＜N)个天线单元1位于无线通信终端机身3的面板后背与机壳之间的天线地2之上，其余(N-K)个天线单元1位于无线通信终端翻盖4的屏幕后背与机壳之间的天线地2之上，当所述的无线通信终端分集天线用于发射时，所述的N个天线单元1通过馈电装置连接到所述的无线通信终端的发射机上，当所述的无线通信终端分集天线用于接收时，所述的天线单元1通过馈电装置连接到所述的无线通信终端的接收机上，如图5与图6所示(图中，N＝2，M＝2)。

需要说明的是：

在本发明给出的无线通信终端分集天线装置中，所述的天线单元1可以采用基本与其对应的天线地2平行的微带贴片天线、或倒F天线、或印刷阵子天线、或平面螺旋线、或介质谐振天线、或分形天线等，它们通过微带线、同轴电缆或电磁耦合馈电装置连接到其对应的发射机(对于发射天线装置来说)或对应的接收机(对于接收天线装置来说)。所述的天线单元1适宜采用基本与其对应的天线地2平行的微带贴片天线或平面倒F天线，它们的后向辐射弱，可以减小对用户头部的辐射伤害。特别适宜采用平面倒F天线，它的交叉极化电平高，适用于具有多径的无线传播环境。

如果所述的天线单元1的数目N大于1，可以使得所述的天线单元1的极化方向两两正交配置(如图3与图5所示)，以减小多个天线单元1之间的相互耦合以及极化失配衰落，改善通信质量。

所述的构成天线地2的金属面尽可能做得大些，可以减小天线单元的后向辐射以及减小对用户头部的辐射伤害。

这样，本发明提供的无线通信终端分集天线装置，可以在终端获得无线传播的空间分集、角度分集或极化分集效益；使用本发明提供的分集天线装置可以提高通信质量，减小对人体的辐射伤害，降低发射机的发射功率、延长终端待机与通话时间；它特别适用于MIMO系统进行空时编码发射或接收，以提高无线通信系统的容量。

我们提供的第一种分集天线方案，如图1与2所示，其天线单元1可以采用如图7所示的微带贴片天线，此时，通过正交馈电的微带101与微带102分别连接到其对应的发射机(对于发射天线装置来说)或对应的接收机(对于接收天线装置来说)，能够获得良好极化分集效果，也满足MIMO无线通信系统对终端天线设计的要求，有无翻盖4的无线通信终端都适用，并且结构紧凑，加工方便，成本低廉。

我们提供的第二种分集天线方案，如图3与4所示，这里，天线单元1的数目N＝2，天线地2的数目M＝1，两个天线单元1的极化方向正交配置，可以减小天线单元1之间的相互耦合以及极化失配衰落，其天线单元1可以采用如图8与图9所示的平面倒F天线，通过馈电装置201连接到其对应的发射机(对于发射天线装置来说)或对应的接收机(对于接收天线装置来说)，能够获得良好极化分集与角度分集效果，也满足MIMO无线通信系统对终端天线设计的要求，有无翻盖4的无线通信终端都适用，并且结构紧凑，加工方便，成本低廉。

我们提供的第三种分集天线方案，如图5与6所示，这里，天线单元1的数目N＝2，天线地2的数目M＝2，两个天线单元1的极化方向正交配置，可以减小天线单元1之间的相互耦合以及极化失配衰落，其天线单元1可以采用如图8与图9所示的平面倒F天线，通过馈电装置201连接到其对应的发射机(对于发射天线装置来说)或对应的接收机(对于接收天线装置来说)，能够获得良好极化分集、角度分集与空间分集效果，也满足MIMO无线通信系统对终端天线设计的要求，适用于有翻盖4的无线通信终端，并且加工方便，成本低廉。

本发明具有以下有益效果

(1).天线单元之间的空间相关性小，可以获得明显的分集效果。

(2).交叉极化电平高，可以获得显著的极化分集效果。

(3).具有一定的空间分集与角度分集效果。

(4).对用户终端的方位不敏感，无线链路性能稳定，通信质量好。

(5).天线单元的后向辐射弱，对用户没有辐射危害。

(6).无需特殊的衬底材料，成本低廉。

(7).无须特别的加工工艺，易于制造，加工成本低。

(8).天线单元结构简单，阻抗匹配容易，调试方便。

(9).天线单元全部内置，便于携带，外观简洁美观，不易损坏，可靠性好。

(10).实现手段灵活，可操作性强，本领域普通工程技术人员易于掌握和实施。

附图说明

图1是本发明提供的具有一个天线单元与正交馈电的终端分集天线的布局俯视图

图2是图1的侧视图

图3是本发明提供的具有安置在终端机身的面板后背与机壳之间的两个天线单元的终端分集天线的布局俯视图

图4是图3的侧视图

图5是本发明提供的具有安置在终端机身的面板后背与机壳之间以及翻盖的屏幕后背与机壳之间的两个天线单元的终端分集天线的布局俯视图

图6是图5的侧视图

在图1～图6中，1是天线单元，2是与天线单元1对应的天线地，3是终端机身，4是无线通信终端翻盖，5是机身与翻盖之间的合叶(或转轴)；

图7是本发明提供的具有正交微带馈电的微带贴片天线单元的示意图

其中，1是天线单元，101与102是天线单元1的正交馈电微带；

图8是本发明提供的一种平面倒F天线单元的侧视图

图9是图8的俯视图

在图8与图9中，1是天线单元，2是与天线单元1对应的天线地，201是天线单元1的馈电装置，202是天线单元1与其对应天线地2之间的短接线；

图10是图8的平面倒F天线的电场θ分量在方位面内的远场方向图

其中，圆周外的数字表示方位角度数，圆周上的数字表示方向图的dB刻度值；

图11是图8的平面倒F天线的电场θ分量在＝0°平面内的远场方向图

图12是图8的平面倒F天线的电场分量在＝0°平面内的远场方向图

在图11与图12中，圆周外的数字表示俯仰角度数，圆周上的数字表示方向图的dB刻度值；

图13是图8的平面倒F天线的电场θ分量在＝90°平面内的远场方向图

其中，标号同图10；

图14是图8的平面倒F天线的总电场的远场方向图

其中，X、Y与Z代表坐标轴，颜色从浓到淡代表辐射远场由强到弱变化；

图15是图7的分集天线在101馈电下的远场方向测试结果

其中，151表示E面方向图，152表示H面方向图。

具体实施方式

实施例1：具有一个天线单元与正交馈电的终端分集天线

图1是作为本发明提供的第一个实施例的终端分集天线的布局俯视图，它具有一个天线单元与正交馈电装置，图2是该实施例的侧视图，其中，1是天线单元，2是与天线单元1对应的天线地，3是无线通信终端机身，4是无线通信终端翻盖，5是机身与翻盖之间的合叶(或转轴)。

本实施例中的天线单元1采用如图7所示的微带贴片天线，此时，通过正交馈电的微带101与微带102分别连接到其对应的发射机(对于发射天线装置来说)或对应的接收机(对于接收天线装置来说)。其在101馈电下的远场方向图如图15所示，151表示E面方向图，152表示H面方向图，在102馈电下的远场方向图与此类似。结果表明，该分集天线能够获得良好极化分集效果，它们的后向辐射弱，可以减小对用户头部的辐射伤害，也满足MIMO无线通信系统对终端天线设计的要求，有无翻盖4的无线通信终端都适用，并且结构紧凑，加工方便，成本低廉。

在本实施例中，天线单元1采用微带贴片天线，但是要理解本发明中的天线单元的类型与安置方向并不局限于此，还可以是其他天线单元类型与其他安置方向，比如，平面倒F天线、或印刷阵子天线、或平面螺旋线、或介质谐振天线、或分形天线等。

实施例2：具有安置在终端机身的面板后背与机壳之间的两个基本正交的天线单元的分集天线

图3是作为本发明的第二个实施例的终端分集天线的布局俯视图，它具有安置在终端机身的面板后背与机壳之间的两个基本正交的天线单元，图4是该分集天线的侧视图，其中，1是天线单元，2是与天线单元1对应的天线地，3是无线通信终端机身，4是无线通信终端翻盖，5是机身与翻盖之间的合叶(或转轴)。

本实施例中的天线单元1采用如图8与图9所示的平面倒F天线，天线单元1通过金属片202连接到天线地2，采用同轴电缆探针201给天线单元1馈电。其天线单元1的辐射远场方向图分别见图10所示的电场θ分量在方位面内的远场方向图，图11所示的电场θ分量在＝0°平面内的远场方向图，图12所示的电场分量在＝0°平面内的远场方向图，图13所示的电场θ分量在＝90°平面内的远场方向图，以及图14所示的总电场的远场方向图。

这些方向图表明，天线单元1的后向辐射弱，可以减小对用户头部的辐射伤害，它的交叉极化电平高，适用于具有多径的无线传播环境。该实施例正交配置天线单元，图14所示的总电场的远场方向图表明，本实施例的天线布局减小了天线单元1之间的相互耦合以及极化失配衰落，可以在终端实现无线通信中的极化分集与角度分集，也满足MIMO无线通信系统对终端天线设计的要求，有无翻盖4的无线通信终端都适用，并且结构紧凑，加工方便，成本低廉。

在本实施例中，天线单元1采用两个平面倒F天线，但是要理解本发明中的天线单元1的类型、数目与安置方向并不局限于此，还可以是其他天线单元类型、数目与其他安置方向，比如，微带贴片天线、或印刷阵子天线、或平面螺旋线、或介质谐振天线、或分形天线等。

实施例3：具有安置在终端机身的面板后背与机壳之间以及翻盖的屏幕后背与机壳之间的两个天线单元的终端分集天线

图5是作为本发明的第三个实施例的终端分集天线的布局俯视图，它具有安置在终端机身的面板后背与机壳之间以及翻盖的屏幕后背与机壳之间的两个天线单元，图6是该分集天线的侧视图，其中，1是天线单元，2是与天线单元1对应的天线地，3是无线通信终端机身，4是无线通信终端翻盖，5是机身与翻盖之间的合叶(或转轴)。

本实施例中的天线单元1采用如图8与图9所示的平面倒F天线，天线单元1通过金属片202连接到天线地2，采用同轴电缆探针201给天线单元1馈电。其天线单元1的辐射远场方向图分别见图10所示的电场θ分量在方位面内的远场方向图，图11所示的电场θ分量在＝0°平面内的远场方向图，图12所示的电场分量在＝0°平面内的远场方向图，图13所示的电场θ分量在＝90°平面内的远场方向图，以及图14所示的总电场的远场方向图。

这些方向图表明，天线单元的后向辐射弱，可以减小对用户头部的辐射伤害，它的交叉极化电平高，适用于具有多径的无线传播环境。该实施例正交配置天线单元，图14所示的总电场的远场方向图表明，本实施例的天线布局减小了天线单元间的相互耦合以及极化失配衰落，能够获得良好极化分集、角度分集与空间分集效果，也满足MIMO无线通信系统对终端天线设计的要求，适用于有翻盖4的无线通信终端，并且，加工方便，成本低廉。

在本实施例中，天线单元1采用两个平面倒F天线，但是要理解本发明中的天线单元1的类型、数目与安置方向并不局限于此，还可以是其他天线单元类型、数目与其他安置方向，比如，微带贴片天线、或印刷阵子天线、或平面螺旋线、或介质谐振天线、或分形天线等。

以上，向熟悉本技术领域的人员提供本发明的描述以使他们易于理解与运用本发明。对应熟悉本技术领域的人员，对这些实施例的各种变更是显而易见的，而无需创造性的劳动。因此，本发明并不仅限定在这里所述的方法和装置，而是与所述的权利要求一致的范围。

Claims (5)

1、一种无线通信终端分集天线，它包括一个天线单元(1)，一个天线地(2)，天线单元(1)位于无线通信终端机身(3)的面板后背与机壳之间的天线地(2)之上，其特征在于当所述的无线通信终端分集天线用于发射时，所述的天线单元(1)采用正交馈电装置连接到所述的无线通信终端的发射机上，当所述的无线通信终端分集天线用于接收时，所述的天线单元(1)采用正交馈电装置连接到所述的无线通信终端的接收机上。

2、一种无线通信终端分集天线，它包括N(N为正整数)个天线单元(1)，M(M为正整数)个天线地(2)，其特征在于所述的天线单元(1)的数目N≥2，所述的天线地(2)的数目M≥1，所述的N个天线单元(1)位于无线通信终端机身(3)的面板后背与机壳之间的天线地(2)之上，当所述的无线通信终端分集天线用于发射时，所述的N个天线单元(1)通过馈电装置连接到所述的无线通信终端的发射机上，当所述的无线通信终端分集天线用于接收时，所述的天线单元(1)通过馈电装置连接到所述的无线通信终端的接收机上。

3、一种无线通信终端分集天线，它包括N(N为正整数)个天线单元(1)，M(M为正整数)个天线地(2)，其特征在于所述的天线单元(1)的数目N≥2，所述的天线地(2)的数目M≥2，所述的N个天线单元(1)中有K(K为正整数，0＜K＜N)个天线单元(1)位于无线通信终端机身(3)的面板后背与机壳之间的天线地(2)之上，其余(N-K)个天线单元(1)位于无线通信终端翻盖(4)的屏幕后背与机壳之间的天线地(2)之上，当所述的无线通信终端分集天线用于发射时，所述的N个天线单元(1)通过馈电装置连接到所述的无线通信终端的发射机上，当所述的无线通信终端分集天线用于接收时，所述的天线单元(1)通过馈电装置连接到所述的无线通信终端的接收机上。

4、如权利要求1所述的一种无线通信终端分集天线，其特征在于所述的天线单元(1)可以采用微带贴片天线、倒F天线、印刷阵子天线、平面螺旋线、介质谐振天线、分形天线，所述的天线单元(1)通过微带线、同轴电缆或电磁耦合馈电。

5、如权利要求2或3所述的一种无线通信终端分集天线，其特征在于所述的天线单元(1)可以采用微带贴片天线、倒F天线、印刷阵子天线、平面螺旋线、介质谐振天线、分形天线，所述的天线单元(1)通过微带线、同轴电缆或电磁耦合馈电。

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