專利名稱：用于移動終端的平面型兩天線系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于移動終端多天線設計領域，涉及一種無線通信特別但不限于用 于多輸入多輸出通信系統(tǒng)移動終端的平面型兩天線系統(tǒng)的結構設計。
背景技術：
隨著現(xiàn)代移動通信系統(tǒng)的發(fā)展，新增了眾多涉及話音、數(shù)據(jù)、圖像及多媒 體等的服務業(yè)務，這不僅對系統(tǒng)的容量和質(zhì)量提出了更高的要求。然而通信技 術的發(fā)展和各種通信設備的使用，使得通信環(huán)境越來越復雜和惡劣，頻譜資源 不足的矛盾日益加劇，這大大激發(fā)了人們對有效利用現(xiàn)有有限頻譜資源的研究
興趣。多輸入多輸出(MIMO)技術的出現(xiàn)被認為是現(xiàn)代通信史上最重大的技術 突破之一。MIMO通信系統(tǒng)在無線通信收發(fā)兩端分別采用多天線技術，提高頻 譜利用率，提高信噪比，改善通信質(zhì)量，極大的提高了通信系統(tǒng)的容量。MIM() 無線系統(tǒng)把傳統(tǒng)無線通信中認為有害的多徑信號作為一個有利因素加以利用， 充分利用多徑信號的隨機衰落特性及多徑延遲擴展特性提高系統(tǒng)的傳輸速率。
天線作為通信系統(tǒng)的重要組成部分，其性能對整個通信系統(tǒng)有重要的影響。 如何改善天線的方向性、尺寸、帶寬(多頻段)、效率等指標，是必須考慮的問 題。隨著MIMO通信系統(tǒng)的出現(xiàn)和發(fā)展，與之相對應的多天線設計已成為國內(nèi) 外學者研究的熱點。因為移動終端正朝著小的體積，輕的重量，長的待機時間， 低的成本和多模多頻等方向發(fā)展，對于應用在移動終端上的多天線設計也提出 了十分巨大的挑戰(zhàn)。
移動通信終端的單天線形式很多，但支持MIMO功能并適用于移動終端的 多天線結構很少。已有的多天線結構為在采用兩根天線時，通常使兩個天線盡量遠離，并且采用極化正交的方式安裝；在采用三根天線時，該結構采用安 裝在相互垂直的三個地平面上的三個天線單元構成，其中兩根天線的極化方向 正交，第三個地上的天線的極化方向與前兩根天線中的一根的正交，與另一根 極化方向相同，并在空間上遠離前兩根天線，減少了天線單元之間的相關性(采 用了極化、空間分集)；在采用四根天線時，增加了一根安裝在平行于以上三個 地平面中的一個地平面上的大線；在這些地面上還可以安裝更多的大線；釆用 的天線形式為傳輸線加載天線，如折疊單極、傳輸線加載單極、倒F、平面倒F 形天線。這種多天線結構，在尺寸方面，對于尺寸較大的移動終端如筆記本電 腦等較為適用，但對于尺寸較小的移動終端如手機、個人數(shù)字助理(PDA， Personal Digital Assistant)等則不適用；在結構方面，由于是三維結構，不容易 安裝和集成。
對于小尺寸的移動終端，由于天線單元之間的距離很小，空間、極化分集 的作用有限，通常天線單元之間的互耦(即一根天線輻射的能量耦合到了另一 根天線上)很大，使得天線的效率降低，從而降低通信系統(tǒng)的容量。因此，如 果能設計出結構緊湊、易集成、支持MIMO功能并適用于移動通信終端特別是 小尺寸移動終端的多天線結構，將使多天線技術應用于手持終端成為可能。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種無線通信特別但不限于用于MIMO通信系統(tǒng)移動 終端的多頻平面型兩天線系統(tǒng)的結構設計。它克服了現(xiàn)有無線通信移動終端支 持MIMO功能的多天線結構的不足，通過對天線單元位置的對稱排列和天線的 金屬地進行聯(lián)合設計，減小天線單元之間的相關性、減小天線單元之間的互耦， 從而提高天線的效率和增加通信系統(tǒng)的容量；本發(fā)明利用了天線的空間和方向 圖分集技術；采用平面結構，使天線與通信系統(tǒng)易于集成；采用普通的數(shù)字電路的印刷電路板(PCB， Printed Circuit Board)加工工藝，使天線成本很低。
本發(fā)明的特征在于，含有介質(zhì)板、輻射天線單元及相應的微帶饋線、以
及金屬地，其中
介質(zhì)板，呈矩形，是一塊印刷電路板，
兩個輻射天線單元及相應的微帶饋線，印制在所述印刷電路板的正面；所
述的兩個天線單元形式一樣，都是帶環(huán)路結構的平面折疊單極子天線單元，這 兩個天線單元及其饋線相對于所述的印刷電路板的縱軸對稱，
金屬地，印制在所述印刷電路板背面，該金屬地包括用于模擬無線通信系 統(tǒng)移動終端中除天線外的其他部分的矩形金屬部分，變形的雙倒L形結構可作
為容性饋電的背靠背放置的PIFA天線，以及位于變形的雙倒L形結構之間的用
于減小兩天線單元之間互耦的短路線。
本發(fā)明具有寬頻帶、結構緊湊、易集成、低互耦、支持MIMO功能，適用 于移動通信終端特別是小尺寸移動終端的多天線結構的特點，而且采用普通數(shù) 字電路制造工藝，制造工藝簡單，成本低。
圖1為本發(fā)明提供的一種用于移動終端的平面型兩天線系統(tǒng)三維圖。 圖2為圖1的A向視圖即縱向剖面圖。
圖3為圖1的B向視圖即天線單元和饋線的結構圖(圖中實線框部分為PCB 及背面金屬地結構在這個面上的投影)。
圖4為圖1的C向視圖即即金屬地的結構圖。
圖5為本發(fā)明天線的輻射天線單元結構實施實例尺寸圖(B向視圖，左右對 稱結構)，單位均為毫米(mm)。
圖6為本發(fā)明天線的地枝結構實施實例尺寸圖(C向視圖，左右對稱結構)，
5單位均為毫米(mm)。
圖7為圖5、圖6的實施實例的多頻平面兩天線系統(tǒng)的單元反射系數(shù)(S參 數(shù))圖。
圖8為圖5、圖6的實施實例的多頻平面兩天線系統(tǒng)的單元之間耦合系數(shù)(S 參數(shù))圖。
圖9為圖5實施實例的多頻平面兩天線系統(tǒng)中一個天線單元接2.05 GHz或 2.45GHz的激勵，另一個天線單元接50歐姆的匹配負載時，在x-y、 x-z和y-z
三個平面的功率增益方向圖(-e分量功率增益方向圖；(p分量
功率增益方向圖)9.1a-9.1c依次為天線單元a接2.05GHz激勵，天線單元b 接匹配負載時在x-y、 x-z和y-z三個平面的功率增益方向圖；9.2a-9.2c依次為天 線單元b接2.05 GHz激勵，天線單元a接匹配負載時在x-y、 x-z和y-z三個平 面的功率增益方向圖；9.3a-9.3c依次為天線單元a接2.45 GHz激勵，天線單元b 接匹配負載時在x-y、 x-z和y-z三個平面的功率增益方向圖；9.4a-9.4c依次為天 線單元b接2.45 GHz激勵，天線單元a接匹配負載時在x-y、 x-z和y-z三個平 面的功率增益方向圖。
表1為圖5、圖6的實施實例的兩個雙頻平面型天線單元其中一個接2. 05 GHz或2.45GHz的激勵，另一個接50歐姆匹配負載時，在典型環(huán)境下(交叉極 化率r二O dB代表典型的室內(nèi)多徑環(huán)境，r=6 dB代表典型的室外多徑環(huán)境) 的平均有效增益(Mean Effective Gain)和兩個雙頻平面型天線單元的包絡相 關系數(shù)，以及兩天線系統(tǒng)在采用選擇合并技術時的分集增益(累計時間百分比 為1%)。
對附圖中的標示說明如下
1、 2為1.5mm寬的微帶饋線；a為左側(cè)天線單元，由折疊單極子結構3和形 成環(huán)路結構的橋5—起構成；b為右側(cè)天線單元，由折疊單極子結構4和形成環(huán)路結構的橋6 —起構成；7為左側(cè)天線單元a與左半地枝之間的耦合結構；8為 右側(cè)天線單元b與右半地枝之間的耦合結構;9為左半地枝的變形的倒L形結構； IO為右半地枝的變形的倒L形結構；11為左右地枝之間的去耦短路線；12為金 屬地；13為所述天線的背面。
具體實施例方式
本發(fā)明提供一種無線通信特別但不限于用于MIMO通信系統(tǒng)移動終端的平 面型兩天線系統(tǒng)的結構設計，其三維結構示意圖如圖1所示。整個天線結構印 制在印刷電路板的兩個面上，包括微帶饋線l、 2，天線單元a和b (折疊單極 子結構3和環(huán)路橋5構成天線單元a，折疊單極子結構4和環(huán)路橋6構成天線單 元b)，左側(cè)天線單元a與左半地枝之間的耦合結構7，右側(cè)天線單元b與右半 地枝之間的耦合結構8，左半地枝的變形的倒L形結構9，右半地枝的變形的倒 L形結構IO，左右地枝之間的去耦短路線11，金屬地12。
其特征在于，兩個天線單元結構a， b左右鏡像對稱且尺寸相同，每個天線 單元由一個折疊單極子結構和一個環(huán)路橋構成(折疊單極子結構3和環(huán)路橋5 構成天線單元a，折疊單極子結構4和環(huán)路橋6構成天線單元b);其中天線單 元a的折疊單極子結構3用于構成一個較長的電流路徑，實現(xiàn)天線的低頻諧振， 而由通過環(huán)路橋5的較短電流路徑實現(xiàn)天線的高頻諧振。金屬地12如圖4所示， 包括用來模擬無線通信系統(tǒng)移動終端中除天線外的其它部分的矩形金屬部分， 耦合結構7和8，變形的雙倒L形結構9和10以及變形的雙倒L形結構之間的 短路線11;天線單元a通過耦合結構7對變形的倒L形結構9進行容性饋電， 這樣可將左半部分地枝結構視作容性饋電的PIFA天線，從而增加諧振頻點擴展 帶寬。為了減小兩個天線單元之間的互耦，在變形的雙倒L形結構之間引入了 短路線ll，它在兩個背靠背的PIFA天線之間引入了新的電流通路，這可以改變地電流和天線單元近場的分布，從而控制及增加天線單元a和b之間的隔離度。
所述的多頻平面型天線系統(tǒng)的兩個天線單元a、 b和其對應微帶饋線1、 2 (饋線阻抗應為50歐姆，以滿足阻抗匹配條件，可以采用微帶線饋電，也可以 采用其它方式饋電，饋線的長度可根據(jù)饋電點與電源的位置調(diào)整；圖中所示為 微帶線饋電)印制在PCB的正面上部的兩側(cè)；天線的金屬地12印制在PCB的 另一個面上；兩個面的相對位置如圖3所示(圖3中的線框部分為PCB板及金 屬地結構在圖所示結構所在面上的投影)。
本發(fā)明的技術方案是這樣實現(xiàn)的首先槽天線單元為1/4波長諧振模式，因 此可以根據(jù)工作頻段選取合適的槽天線單元尺寸；然后寄生平面L型單極子天 線單元亦為1/4波長諧振模式，它可以產(chǎn)生反向耦合從而降低總的耦合，因此可 以根據(jù)工作頻段選取合適的寄生平面L型單極子天線單元尺寸.
除了天線單元外，天線的金屬地實際上也參與輻射電磁波，也是天線的重 要組成部分，本發(fā)明中把結構分為天線單元和天線的金屬地兩部分只是為了描 述方便。因此在天線的結構設計中，特別是最后調(diào)整尺寸階段，應根據(jù)對天線 電特性的要求，對兩部分結構的尺寸都進行調(diào)整，以得到最優(yōu)性能。
為了說明本發(fā)明提供的一種無線通信特別但不限于用于MIMO通信系統(tǒng)移 動終端的平面型兩天線系統(tǒng)的性能，下面給出一個具體實例。
在本例中，采用介質(zhì)基片厚度為0.8 mm、相對介電常數(shù)為4.4，各部分尺寸 如圖5、圖6所示，圖中所有尺寸的單位均為毫米(mm)。
以圖5、圖6所示尺寸實測的平面型兩天線系統(tǒng)的單元反射系數(shù)S (由于
結構左右鏡像對稱，所以S22和Sn相等，這里略去S22)如圖7所示；實測的
平面型兩天線系統(tǒng)的單元之間耦合系數(shù)S2,如圖8所示。由圖7可看出，單元反 射系數(shù)Su的-10dB阻抗頻帶為1550 2770MHz;由圖8可看出，單元之間耦合 系數(shù)S21在-10 dB以下的頻帶為1660 2940 MHz;則以Su < -10 dB且S21 < -10 dB定義的天線系統(tǒng)工作頻帶為1660 2770 MHz,覆蓋DVB-H US (1670 1675 MHz)、DCS (1710 1880 MHz)、PCS (1850~19卯MIiz)、 UMTS (1920 2175 MHz)、 2.4 GHz WLAN (2400 2484 MHz)禾U WiMAX (2500 2700 MHz)頻段。另外，如 圖9所示，通過實測的功率增益方向圖可看出，工作在2.05 GHz和2.45GHz時， 平面兩天線系統(tǒng)左右兩個單元的功率增益方向圖基本互補，可以實現(xiàn)方向圖分 集；由表1可看出，在兩個不同的典型環(huán)境下(r二o dB和r二6 dB)，天線單 元a、 b在2.05 GHz和2.45 GHz時的平均有效增益之差的絕對值均小于3 dB， 且天線單元之間的包絡相關系數(shù)都小于O.l，故能提供較高的分集增益，同時滿 足MIMO通信系統(tǒng)對移動終端多天線的要求。
頻率 (GHz)鄉(xiāng)目關平鬚墓效 兀a) (r=0dB) (dBi)平奨夷效 兀b) (r-odB) (dBi)元a) (]>6犯) (dBi)黎詩 銅鄉(xiāng)邀分集增益 (1%),
2.050.0018—3.7497—4.0860—3.7753一4.35189.9743
2.450.0073一3.3141—3.6996一3.1773—3.64239.9623
表l
9
權利要求
1.移動終端多頻平面兩天線系統(tǒng)，其特征在于，含有介質(zhì)板、輻射天線單元、微帶饋線、以及金屬地，其中介質(zhì)板，呈矩形，是一塊印刷電路板，兩個輻射天線單元及相應的微帶饋線，印制在所述印刷電路板的正面；所述的兩個天線單元形式一樣，都是帶環(huán)路結構的平面折疊單極子天線單元，這兩個天線單元及其饋線相對于所述的印刷電路板的縱軸對稱，金屬地，印制在所述印刷電路板背面，該金屬地包括用于模擬無線通信系統(tǒng)移動終端中除天線外的其他部分的矩形金屬部分，變形的雙倒L形地結構作為容性饋電的背靠背放置的PIFA天線，以及位于雙倒L形地結構之間的用于減小兩天線單元之間互耦的短路線。
2. 根據(jù)權利要求l所述的用于移動終端的多頻平面兩天線系統(tǒng)，其特征在于所述的多頻平面兩天線采用的介質(zhì)基片厚度為0.8mm、相對介電常數(shù)為4.4。
3. 根據(jù)權利要求l所述的用于移動終端的多頻平面兩天線系統(tǒng)，其特征在于所述金屬地中用來模擬無線通信系統(tǒng)中除天線外的其他部分的金屬部分的尺寸為長70 mmx寬50mm。
全文摘要
用于移動終端的多頻平面兩天線系統(tǒng)屬于移動終端多天線設計領域，其特征在于印制在印刷電路板上，包括輻射天線單元，包括兩個帶環(huán)路結構的平面折疊單極子天線單元及其饋線，相對于PCB板的縱軸對稱排列；金屬地，包括用于模擬無線通信系統(tǒng)移動終端中除天線外的其他部分的矩形金屬部分，變形的雙倒L形結構作為容性饋電的背靠背放置的PIFA天線，用于增加諧振頻點擴展帶寬，以及位于變形的雙倒L形結構之間的短路線，用于減小兩天線單元之間互耦。本發(fā)明具有低互耦、低成本、易集成，特別適用于無線通信移動終端的特點。
文檔編號H01Q21/00GK101673873SQ200910093530
公開日2010年3月17日 申請日期2009年10月12日 優(yōu)先權日2009年10月12日
發(fā)明者磊 劉, 杜正偉 申請人:清華大學