TWI515968B - 單極、雙極、混合ｍｉｍｏ天線 - Google Patents

Description

單極、雙極、混合MIMO天線

本發明涉及無線通信領域，更具體地說，涉及一種單極MIMO天線、雙極MIMO天線及混合MIMO天線。

隨著半導體工藝的高度發展，對當今的電子系統集成度提出了越來越高的要求，器件的小型化成為了整個產業非常關注的技術問題。然而，不同於IC芯片遵循“摩爾定律”的發展，作為電子系統的另外重要組成-射頻模塊，卻面臨著器件小型化的高難度技術挑戰。射頻模塊主要包括了混頻、功放、濾波、射頻信號傳輸、匹配網絡與天線等主要器件。其中，天線作為最終射頻信號的輻射單元和接收器件，其工作特性將直接影響整個電子系統的工作性能。然而天線的尺寸、帶寬、增益等重要指標卻受到了基本物理原理的限制(固定尺寸下的增益極限、帶寬極限等)。這些指標極限的基本原理使得天線的小型化技術難度遠遠超過了其它器件，而由於射頻器件的電磁場分析的複雜性，逼近這些極限值都成為了巨大的技術挑戰。

與此同時，由於多輸入多輸出(MIMO)系統可以在不需要增加帶寬或總發送功率損耗的前提下大幅度增加系統的信息吞吐量及傳輸距離，使得MIMO技術近年來備受矚目。除此之外，由於MIMO的核心思想是利用多根發射與多根接收天線所提供的空間自由度來提高頻譜利用效率，因此如何在有限的無線設備(如無線接入設備、無線路由器及無線移動終端 設備等)尺寸下，設計高隔離度與强輻射性能的MIMO天線成為阻礙第三代移動通信系統、第四代移動通信系統及高速無線局域網(WLAN)等無線城市技術的推廣應用。傳統的終端通信天線主要基於電單極子或偶極子的輻射原理進行設計，比如最常用的平面反F天線(PIFA)。傳統天線的輻射工作頻率直接和天線的尺寸正相關，帶寬和天線的面積正相關，使得天線的設計通常需要半波長的物理長度。這使得傳統天線技術在無線設備尺寸受限的前提下難以實施。

除此之外，在一些更為複雜的無線設備中，天線需要多模工作，就需要在饋入天線前額外的阻抗匹配網絡設計。但阻抗匹配網絡額外的增加了無線設備的饋線設計、增大了射頻系統的面積同時匹配網絡還引入了不少的能量損耗，很難滿足現代無線通信系統低功耗的系統設計要求。

本發明要解決的技術問題在於，傳統天線技術在無線設備尺寸受限的前提下難以實施，以及習知技術的上述很難滿足現代通信系統低功耗的系統設計要求，本發明提供一種突破傳統天線設計的框架，省去阻抗匹配網絡的複雜設計，保證其小型化，使其能夠應用在尺寸受限的無線設備之中，且天線輻射面積利用率高、抗干擾能力强的MIMO天線。

本發明提供一種混合MIMO天線，其包括至少一個單極射頻天線和至少一個雙極射頻天線，其中，每個單極射頻天線包括金屬片、饋線以及連接饋線和金屬片的可短接點，金屬片 上鏤刻有金屬微結構；每個雙極射頻天線包括兩片平板狀的相互平行的金屬片、饋線以及接地單元，兩片金屬片上均設置有可短接點，分別用於連接饋線和接地單元，兩片金屬片上均鏤刻有金屬微結構；其中，組成混合MIMO天線的每個射頻天線的金屬微結構相同。

根據本發明一優選實施例，金屬微結構為互補式開口諧振環結構、互補式螺旋線結構、開口螺旋環結構、雙開口螺旋環結構、互補式彎折線結構或是通過上述五種結構的其中一種結構衍生、其中多種結構複合或其中一種結構組陣所得到的金屬微結構。

根據本發明一優選實施例，混合MIMO天線中的每個單極射頻天線的金屬微結構均相同。

根據本發明一優選實施例，混合MIMO天線中的每個雙極射頻天線的金屬微結構均相同。

上述三個方案具有相同的技術效果，即：通過設計天線的結構，省去阻抗匹配網絡的複雜設計，保證天線的小型化，從而使其能夠應用在尺寸小、受限的無線設備之中，並且整個MIMO天線中的每一小天線的隔離度提高，從而易於集成在一起。

下面結合附圖及具體實施例對本發明做進一步的描述：如圖1、圖6、圖11所示，本發明提供了三種形式的MIMO天線，分別是單極MIMO天線、雙極MIMO天線及混合MIMO 天線。

本發明中的單極MIMO天線由複數個單極射頻天線10組成，本發明中的雙極MIMO天線由複數個雙極射頻天線20組成，本發明中的混合MIMO天線由至少一個單極射頻天線10和至少一個雙極射頻天線20混合組成。此處的MIMO即是指多輸入多輸出。即MIMO天線上的所有單個的天線同時發射，同時接收。

下面分三個實施例來詳細介紹本發明。

實施例一

如圖1所示，在本實施例中，所述單極MIMO天線由複數個單極射頻天線組成，每個單極射頻天線包括金屬片11及饋線12，所述饋線12採用耦合方式饋入所述金屬片11。其中組成單極MIMO天線的單極射頻天線金屬微結構可以都相同，也可以不同。每個單極射頻天線連接一個接收發射機，所有的接收發射機連接在一個基帶信號處理器上。

本發明中用於放置金屬片和饋線的介質可以是空氣、陶瓷或者介質基板；關於饋線的可短接點位置，饋線與金屬微結構的可短接點位置可以位於金屬微結構上的任意位置。對於本實施例中的單極MIMO天線，可通過調整饋線的饋入耦合方式、金屬片拓撲微結構與尺寸大小、饋線引線長度、以及饋線與金屬微結構的可短接點位置來進行工作頻率的調諧。

人工電磁材料是一種利用金屬微結構進行加工製造的等效特種材料，其性能直接取決於其亞波長的金屬微結構。在諧振頻段，人工電磁材料通常體現出高度的色散特性，換言之， 其阻抗、容感性、等效的介電常數和磁導率隨著頻率會發生劇烈的變化。因而可採用人工電磁材料對與金屬片相接觸介質的基本特性進行改造，使得金屬片與相接觸的介質等效地組成了一個高度色散的特種電磁材料，從而實現輻射特性豐富的新型天線。

本實施例利用人工電磁材料的特性，採用在金屬片上鏤刻金屬微結構的方式，使得金屬片及與金屬片相接觸的介質共同組成一個等效介電常數按照洛侖茲材料諧振模型色散的電磁材料，實現改變天線的輻射特性的目的。

本實施例中，關於天線的加工製造，只要滿足本發明的設計原理，可以採用各種製造方式。最普通的方法是使用各類印刷電路板(PCB)的製造方法，金屬化的通孔，雙面覆銅的PCB製造均可滿足本發明的加工要求。除此加工方式，還可以根據實際的需要引入其它加工手段，比如RFID(RFID是Radio Frequency Identification的縮寫，即射頻識別技術，俗稱電子標簽)中所使用的導電銀漿油墨加工方式、各類可形變器件的柔性PCB加工、鐵片天線的加工方式以及鐵片與PCB組合的加工方式。其中，鐵片與PCB組合加工方式是指利用PCB的精確加工來完成芯片微結構部份的加工，用鐵片來完成其它輔助部份。

其次，可短接點可以位於金屬片上的任意位置。饋線饋入方式不改變本發明的工作原理，但會改變天線具體的輻射性能。

同時，由於本發明的主要性能都集中在金屬微結構拓撲和 芯片部份的設計，因此，饋線的引線對天線的輻射頻率影響相對較小。基於這個特點，射頻芯片小天線可以被靈活的擺放在無線系統的任何位置，簡化的安裝測試的複雜度。

圖2為在本發明的MIMO射頻芯片天線中金屬片11上鏤刻的互補式螺旋線金屬微結構的單極射頻天線，圖3為所述單極MIMO天線中安裝圖2所示的單極射頻天線時第一個天線工作頻率的仿真測試圖，同時天線二及天線三具有相同的工作頻率；圖4為所述單極MIMO天線中安裝圖2所示的單極射頻天線時天線1與天線2間隔離度的仿真測試圖，此圖表示我們以天線1與天線2兩者間互相進行收、發測試，如圖4中的S21參數表示天線1發射信號天線2進行接收，我們通過S21的仿真測試結果來衡量天線一與天線二倆者間的隔離度性能。同時對兩個天線之間距離進行調節，得到了兩個天線隨著距離變化的隔離度模擬仿真示意圖；圖5為所述單極MIMO天線中安裝圖2所示的單極射頻天線時天線1與天線3之間隔離度的仿真模擬測試圖，此圖表示我們以天線1與天線3兩者間互相進行收、發測試，如圖5中的S31參數表示天線1發射信號天線3進行接收，我們通過S31的仿真測試結果來衡量天線1與天線3兩者間的隔離度性能。同時對兩天線之間距離進行調節，得到了兩個天線隨著距離變化的隔離度模擬仿真示意圖；由圖3可以看出端口1的工作頻率為2276.9MHz，當端口1為信號輸入端，端口2為信號接收端，在工作頻率均為2276.9MHz時，隨著端口1和端口2所連接的天線的距離d的變化，端口2接收信號能力相應的隨著變化，d=2mm時， dB=-8.3231282；d=4mm時，dB=-9.3310982；d=6mm時，dB=-10.28451；d=8mm時，dB=-10.979197；d=10mm時，dB=-11.441247。當端口1為信號輸入端，端口3為信號接收端，在工作頻率為2276.9MHz時，隨著端口1和端口3所連接的天線的距離d的變化，端口1接收信號能力相應的隨著變化，d=2mm時，dB=-12.838414；d=4mm時，dB=-15.564651；d=6mm時，dB=-16.675505；d=8mm時，dB=-17.222181；d=10mm時，dB=-17.561818，由此可以看出本發明的單極MIMO天線在有限的空間內，相鄰兩天線的干擾很小，且隨著距離的增大，兩個天線之間的干擾越小，仿真測試表明本專利發明的MIMO多天線技術具有很高的隔離度。

實施例二

如圖6及圖7所示，在本實施例中，所述雙極MIMO天線由複數個雙極射頻天線20組成，每個雙極射頻天線20包括饋線101、接地單元102、兩片具有拓撲結構的金屬片組成，兩片金屬片平行放置，饋線101將基帶信號饋入其中一個金屬片，接地單元102接另一金屬片，且兩金屬片上可設有金屬化通孔，用於實現金屬片的短接。其中組成所述雙極MIMO天線的雙極射頻天線金屬微結構可以都相同，也可以不同。每個雙極射頻天線連接一個接收發射機，所有的接收發射機連接在一個基帶信號處理器。

其中，饋線和接地單元視為射頻芯片小天線的兩個引脚，以標準50歐姆阻抗饋入，但饋線的饋入方式與接地單元的接入方式可以是容性耦合也可以是感性耦合。上下兩個金屬片的 拓撲結構與尺寸可以相同，也可以不同，從而進行混合結構設計，並不改變基本輻射原理。此時，兩金屬片之間的介質為實際填充介質(介質材料可以任意選擇，一般可以是空氣、陶瓷或者介質基板)，上下兩個金屬片可通過金屬化通孔進行短接，兩個金屬片短接時，該天線的輻射參數將會發生相應變化。另外饋線與接地單元的可短接點位置可以是任意位置。

對於本實施例中的MIMO射頻芯片陣列天線，可通過調整饋線的饋入耦合方式、接地單元的接地方式、上下兩成金屬片的金屬微結構與尺寸大小、上下兩層金屬片的金屬化通孔位置、以及饋線與接地單元與上下兩層金屬片的可短接點位置進行調諧。

在本實施例中，雙極射頻天線是利用人工電磁材料的特性，採用在上下金屬片上鏤刻金屬微結構的方式，使得金屬片之間等效填充一個介電常數按照洛侖茲材料諧振模型色散的電磁材料，實現改變天線的輻射特性的目的。

本實施例中，關於天線的加工製造，只要滿足本發明的設計原理，可以採用各種製造方式。最普通的方法是使用各類印刷電路板(PCB)的製造方法，金屬化的通孔，雙面覆銅的PCB製造均可滿足本發明的加工要求。

由於所述雙極MIMO天線的主要性能都集中在金屬微結構的設計，因此，饋線與接地單元的引線對天線的輻射頻率影響相對較小。基於這個特點，雙極MIMO天線的安裝測試複雜度大大降低。

如圖4所示，圖7為本發明的MIMO射頻芯片天線中金 屬片上鏤刻有互補式螺旋線金屬微結構的雙極射頻天線，圖8為所述雙極MIMO天線中安裝圖7所示的雙極射頻天線時第一個天線工作頻率的仿真測試圖，同時天線5及天線6具有相同的工作頻率；圖9為所述雙極MIMO天線中安裝圖7所示的雙極射頻天線時天線4與天線5之間隔離度的仿真測試圖，此圖表示以天線4與天線5兩者間互相進行收、發測試，如圖9中的參數表示天線4發射信號，天線5進行接收，通過圖9所示的仿真結構來衡量天線4與天線5兩者間的隔離度性能。同時對兩個天線之間的距離進行調節，得到了兩個天線隨著距離變化的隔離度模擬仿真示意圖，圖10為所述雙極MIMO天線中安裝圖7所示的雙極射頻天線時天線4與天線6之間隔離度的仿真模擬測試圖，此圖表示我們以天線4與天線6兩者間互相進行收、發測試，如圖10中的參數表示天線4發射信號天線6進行接收，我們通過仿真測試結果來衡量天線4與天線6兩者間的隔離度性能。同時對兩天線之間距離進行調節，得到了兩個天線隨著距離變化的隔離度模擬仿真示意圖；由圖8可以看出端口4的工作頻率為2276.9MHz，當端口4為信號輸入端，端口5為信號接收端，在工作頻率均為2271.9MHz時，隨著端口4和端口5所連接的天線的距離d的變化，端口5接收信號能力相應的隨著變化，d=2mm時，dB=-8.7421896；d=4mm時，dB=-10.197478；d=6mm時，dB=-11.331764；d=8mm時，dB=-12.095867；d=10mm時，dB=-12.62097。當端口4為信號輸入端，端口6為信號接收端，在工作頻率為2276.9MHz時，隨著端口4和端口6所連接的天線的距離d 的變化，端口1接收信號能力相應的隨著變化，d=2mm時，dB=-8.0843541；d=4mm時，dB=-10.146808；d=6mm時，dB=-11.338065；d=8mm時，dB=-12.128368；d=10mm時，dB=-12.679786，由此可以看出本發明的雙極MIMO天線在有限的空間內，在此空間中的天線之間的干擾很小，且隨著距離d的增大，兩個天線之間的干擾越小，仿真測試表明本發明的MIMO多天線技術具有很高的隔離度。

實施例三

如圖11所示，在本實施例中，所述混合MIMO天線由多至少一個單極射頻天線10和至少一個雙極射頻天線20組成，組成混合MIMO天線的每個射頻天線的金屬微結構可以相同，也可以不同，每個射頻天線連接一個接收發射機，所有的接收發射機連接在一個基帶信號處理器上。

關於本實施例中的單極和雙極射頻天線的特性，與實施例一和實施例二中的射頻天線的特性一致，在此不再重複。

另外金屬微結構的結構並不限於圖2與圖7所示，還可是其它結構，例如開口諧振環結構、互補式螺旋線結構、開口螺旋環結構、雙開口螺旋環結構、互補式彎折線結構以及通過上述結構進行衍生、複合或組陣得到的結構。上述金屬微結構為習知的微結構，在公開號為CN201490337的中國專利中有詳細記載，此處不再描述。

儘管上文藉由較佳實施例揭示了本發明，但並不意圖限制本發明。本領域熟知此項技藝者可在不脫離本發明的精神及範圍的情況下進行一些潤飾及變化。因而，本發明的保護範圍落 入所附的申請專利範圍內。

1‧‧‧天線

2‧‧‧天線

3‧‧‧天線

4‧‧‧天線

5‧‧‧天線

6‧‧‧天線

10‧‧‧單極射頻天線

11‧‧‧金屬片

12‧‧‧饋線

20‧‧‧雙極射頻天線

101‧‧‧饋線

102‧‧‧接地單元

為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。其中：圖1為複數個單極射頻天線組成的單極MIMO天線系統的結構示意圖；圖2為本發明中單極射頻天線的一優選實施例的結構示意圖；圖3為本發明中單極MIMO天線的天線1的工作頻率模擬仿真圖；圖4為本發明中單極MIMO天線的天線1和天線2間的隔離度模仿真圖；圖5為本發明中單極MIMO天線的天線1和天線3間的隔離度模仿真圖；圖6為複數個雙極射頻天線組成的雙極MIMO天線系統的結構示意圖；圖7為本發明中雙極射頻天線的一優選實施例的結構示意圖；圖8為本發明中雙極MIMO天線的天線4的工作頻率模擬仿真圖； 圖9為本發明中雙極MIMO天線的天線4和天線5間的隔離度模仿真圖；圖10為本發明中雙極MIMO天線的天線4和天線6間的隔離度模仿真圖；圖11為本發明混合MIMO天線系統的結構示意圖。

1‧‧‧天線

2‧‧‧天線

3‧‧‧天線

10‧‧‧單極射頻天線

11‧‧‧金屬片

12‧‧‧饋線

Claims (4)

1. 一種混合MIMO天線，其中，所述混合MIMO天線包括至少一個單極射頻天線和至少一個雙極射頻天線，其中，每個所述單極射頻天線包括金屬片、饋線以及連接所述饋線和所述金屬片的可短接點，所述金屬片上鏤刻有金屬微結構；每個所述雙極射頻天線包括兩片金屬片、饋線以及接地單元，所述兩片金屬片上均設置有可短接點，分別用於連接所述饋線和所述接地單元，所述兩片金屬片上均鏤刻有所述金屬微結構；其中，組成所述混合MIMO天線的每個射頻天線的金屬微結構相同。
2. 根據申請專利範圍第1項所述之混合MIMO天線，其中，所述金屬微結構為互補式開口諧振環結構、互補式螺旋線結構、開口螺旋環結構、雙開口螺旋環結構、互補式彎折線結構或是通過上述五種結構的其中一種結構衍生、其中多種結構複合或其中一種結構組陣所得到的金屬微結構。
3. 根據申請專利範圍第2項所述之混合MIMO天線，其中，所述混合MIMO天線中的每個所述單極射頻天線的所述金屬微結構均相同。
4. 根據申請專利範圍第2項所述之混合MIMO天線，其中，所述混合MIMO天線中的每個所述雙極射頻天線的所述金屬微結構均相同。