移動終端四天線系統的製作方法

2023-09-17 17:10:00

專利名稱：移動終端四天線系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於移動終端天線設計領域，特別涉及一種用於多輸入多輸出無線通信系統移動終端中的四天線系統結構設計。
背景技術：
移動通信環境中存在多個散射體、反射體，在無線通信鏈路的發射與接收端存在多條傳播路徑，多徑傳播對通信的有效性與可靠性造成了嚴重的影響。研究表明，可以利用多徑引起的接收信號的某些空間特性實現接收端的信號分離。多輸入多輸出(MIMO)技術在通信鏈路兩端均使用多個天線，發端將信源輸出的串行碼流轉換成多路並行子碼流，分別通過不同的發射天線陣元同頻、同時發送，接收方則利用多徑引起的多個接收天線上信號的不相關性從混合信號中分離估計出原始子碼流。這樣相當於頻帶資源重複利用，因而可以在原有的頻帶內實現高速率的信息傳輸，使頻譜利用率和鏈路可靠性極大的提高。MIMO系統可以提供分集增益(Diversity Gain)和復用增益(Multiplexing Gain)，多天線系統的分集增益用來對抗多徑引起的小尺度衰落。同一信號多個複本經過幾條獨立的衰落鏈路後被接收，這些鏈路中的一條或幾條在同一時刻以很大的概率處於不同的衰落狀態。在接收端按照一定的準則對這些相互獨立的信號進行加權合併，增強接收信號效果。
空分復用同樣需要在鏈路兩端都配備多天線。其思想是利用傳播環境中豐富的多徑分量，多個數據通道共用一個頻率帶寬，從而使信道容量呈線性(與天線個數成正比)增加，而不需要額外帶寬或功率消耗。
天線作為通信系統的重要組成部分，其性能對整個通信系統的功能有重要的影響。如何改善天線的方向性、尺寸、帶寬、效率等指標，是必須考慮的問題。隨著MIMO通信系統的出現和發展，與之相對應的多天線的設計逐漸成為國內外學者研究的熱點。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展，對於應用在移動終端中的多天線的設計也提出了十分巨大的挑戰。
移動通信終端的單天線形式很多，但支持MIMO功能並適用於移動終端的多天線結構很少。已有的多天線結構為在採用兩根天線時，通常使兩個天線儘量遠離，並且採用極化正交的方式安裝；在採用三根天線時，該結構採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，並在空間上遠離前兩根天線，減少了天線單元之間的相關性(採用了極化、空間分集)；在採用四根天線時，增加了一根安裝在平行於以上三個地平面中的一個地平面上的天線；在這些地面上還可以安裝更多的天線；採用的天線形式為傳輸線加載天線，如摺疊單極、傳輸線加載單極、倒F、平面倒F形天線等。這種多天線結構，在尺寸方面，對於尺寸較大的移動終端如筆記本電腦等較為適用，但對於尺寸較小的移動終端如手機、個人數字助理(PDA，Personal Digital Assistant)等則不適用；在結構方面，由於是三維結構，不容易安裝和集成。
對於小尺寸的移動終端，由於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，從而降低通信系統的容量。因此，如果能設計出結構緊湊、易集成、支持MIMO功能並適用於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於手持終端成為可能。

發明內容
本發明的目的是為了克服在複雜的無線多徑傳播環境下，已有的移動通信終端中採用單個天線的性能的不足之處，提供一種用於多輸入多輸出無線通信系統移動終端中的四天線系統結構設計。通過將四個平面單極天線放置在介質板的四個角上，採用極化正交的方式或利用增加有效地枝的方式來控制各個天線單元之間的耦合，從而提高天線的效率。本發明利用了天線的空間、極化和方向圖分集技術；採用印刷電路板(PCB，Printed Circuit Board)的平面加工工藝，使天線更易於與系統集成，並大幅度降低天線的製造成本。
本發明的特徵在於所述四天線系統含有介質板，所述介質板成矩形，用來模擬無線通信系統移動終端中電路和天線部分所使用的介質板。
金屬地，印刷在所述介質板的背面，該金屬地包括用來模擬無線通信系統移動終端中除天線外的其它部分的金屬部分，以及用來減小天線之間互耦或調整天線工作頻率的各種地枝結構；所述的金屬地中的地枝結構對於所述介質板的縱向對稱軸對稱排列。
四個平面型單極天線及相應的微帶饋線，印刷在所述介質板的正面；所述的四個平面型單極天線放置在介質板的四個角上；所述的四個平面型單極天線中左右分布的天線單元及其饋線對於所述介質板的縱向對稱軸對稱排列；所述的四個平面型單極天線中上下分布的天線單元採用不同的主極化方向。
本發明具有較小的尺寸，並且採用平面印刷工藝，可以應用於移動終端中；本發明採用多種措施有效減小天線單元之間的互耦，同時天線的阻抗帶寬較寬，增益較高，可以應用於MIMO無線通信系統中。


圖1為本發明提供的一種用於移動終端的平面四天線系統三維結構圖。
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向視圖即金屬地的結構圖。
圖5為圖1的B向視圖中天線單元a和饋線13的結構實施實例尺寸圖。
圖6為圖1的B向視圖中天線單元c和饋線15的結構實施實例尺寸圖。
圖7為圖1的C向視圖中天線的金屬地2的結構實施實例尺寸圖。
圖8為圖5、圖6、圖7的實施實例的四個天線單元的測量的反射係數(S參數)圖——Saa，Sbb；---Scc，Sdd。
圖9為圖5、圖6、圖7的實施實例的四個天線單元之間的測量的耦合係數(S參數)圖——Sab，Sba；---Sac、Sca、Sbd、Sdb。
圖10為圖5、圖6、圖7的實施實例的四個天線單元之間的測量的耦合係數(S參數)圖——Sad、Sda、Sbc、Scb；---Scd，Sdc。
圖11為圖5、圖6、圖7的實施實例的天線單元a，b的效率圖(忽略了介質及金屬的損耗)。
圖12為圖5、圖6、圖7的實施實例的天線單元c，d的效率圖(忽略了介質及金屬的損耗)。
圖13為圖5、圖6、圖7的實施實例的天線單元a、b、c、d其中一個接2.05GHz(UMTS頻段的中心頻率)的激勵，其餘三個接50歐姆匹配負載時，x-y平面的功率增益方向圖( : θ分量功率增益方向圖； 分量功率增益方向圖； 總功率增益方向圖)(a)天線單元a接2.05GHz激勵，天線單元b、c、d接50歐姆匹配負載；(b)天線單元b接2.05GHz激勵，天線單元a、c、d接50歐姆匹配負載；(c)天線單元c接2.05GHz激勵，天線單元a、b、d接50歐姆匹配負載；(d)天線單元d接2.05GHz激勵，天線單元a、b、c接50歐姆匹配負載。
具體實施例方式
表1為圖5、圖6圖7的實施實例的天線單元a、b、c、d，其中一個接2.05GHz(UMTS頻段的中心頻率)的激勵，其餘三個接50歐姆匹配負載時，在典型環境下(交叉極化率Γ＝0dB代表典型的室內多徑環境，Γ＝6dB代表典型的室外多徑環境)每個天線單元的平均有效增益(Mean Effective Gain)。
表2為圖5、圖6圖7的實施實例的天線單元a、b、c、d其中一個接2.05GHz(UMTS頻段的中心頻率)的激勵，其餘三個接50歐姆匹配負載時，各個天線單元之間的包絡相關係數。
本發明提供了一種無線通信系統特別涉及MIMO通信系統移動終端中的四天線系統，實現了平面結構，易集成，低成本的天線結構，如圖1-圖4所示，整個天線結構印製在PCB的兩個面上，包括天線的金屬地2，天線單元a、b、c、d(分枝3、5、7及耦合區域9構成天線單元a，分枝4、6、8及耦合區域10構成天線單元b，曲折線11構成天線單元c，曲折線12構成天線單元d)及相應的微帶饋線13、14、15、16，所述的天線的金屬地2是指PCB的兩個面中不含四個天線單元a、b、c、d和饋線13、14、15、16的那個金屬面。其特徵在於，四個天線單元分別位於PCB的四個角上，其中左右排列的天線單元(天線單元a，b或天線單元c，d)的結構及尺寸相對於PCB的一個對稱面y-z平面對稱放置，上下排列的天線單元(天線單元a，c或天線單元b，d)在空間上相互遠離，並且按主極化正交的方式放置。天線單元a和b均由三個分枝和一個耦合區域所構成(天線單元a由分枝3、5、7和耦合區域9構成，天線單元b由分枝4、6、8和耦合區域10構成)，其中天線單元a中的耦合區域9用於實現將部分能量傳遞到背面地板上的倒L地枝17上，使倒L地枝17與天線單元a中的分枝3，5構成多個長度相差不大的電流路徑，從而展寬天線單元a的諧振帶寬，分枝7放置在饋線的另一側，用於微調天線單元a的諧振帶寬和埠阻抗。天線單元b與天線單元a關於y-z平面對稱，其中天線單元b中的分枝4、6、8及耦合區域10與天線單元a中的分枝3、5、7及耦合區域9一一對應，結構，尺寸及功能也一一對應。天線單元c和d分別由曲折線11和12構成，曲折線的末端與附近的地板邊緣平行，從而構成了電容加載，能夠有效的縮短天線單元c和d的諧振長度。金屬地2如圖4所示，包括用來模擬無線通信系統移動終端中除天線外的其它部分的金屬部分和T形結構19，倒L結構17，18以及地枝20，21，其中T形結構19與主地板一起分別在天線單元a和b的背面形成一個窄縫隙，該結構類似於縫隙天線，能將地板上電流所攜帶的能量以輻射的方式消耗掉，從而減小各個天線單元之間的地電流耦合，增加天線單元的輻射效率；倒L結構17，18能分別通過天線單元a，b上的耦合區域9，10耦合部分能量，用來調整天線單元a，b的諧振帶寬；地枝結構20，21通過調整其長度以及與主地板之間的距離來分別控制天線單元c，d的諧振帶寬。
所述的四個天線單元a、b、c、d及相應的饋線13、14、15、16(饋線阻抗應為50歐姆，以滿足阻抗匹配條件，可以採用微帶線饋電，也可以採用其它方式饋電，饋線的長度可根據饋電點與電源的位置調整；圖中所示為微帶線饋電)印製在PCB的同一個面上；天線的金屬地2印製在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另一個面上的金屬地結構在圖所示結構所在面上的投影)。
為了說明本發明提供的一種無線通信特別涉及MIMO通信系統移動終端的四天線系統的性能，下面給出一個具體實例。
在本例中，採用介質基片厚度為0.8mm、相對介電常數為4.4，各部分尺寸如圖5、圖6、圖7所示。
以圖5、圖6、圖7所示尺寸測量的四個天線單元的反射係數(Saa、Sbb、Scc、Sdd)如圖8所示；測量的各個天線單元之間的隔離係數(Sab、Sba、Sac、Sca、Sbd、Sdb、Sad、Sda、Sbc、Scb、Scd、Sdc)如圖9，10所示(圖9表示出Sab、Sba、Sac、Sca、Sbd、Sdb；圖10表示出Sad、Sda、Sbc、Scb、Scd、Sdc)；通過測量的S參數計算的天線單元的效率(即指沒有考慮介質和金屬損耗)如圖11，12所示(圖11表示出天線單元a和b的效率；圖12表示出天線單元c和d的效率)；天線單元a、b、c、d其中一個接2.05GHz(UMTS頻段的中心頻率)的激勵，其餘三個接50歐姆匹配負載時，x-y平面的功率增益方向圖(包括θ分量，分量和總的功率增益方向圖)分別如圖10中的(a)、(b)、(c)、(d)所示；天線單元a、b、c、d其中一個接2.05GHz(UMTS頻段的中心頻率)的激勵，其餘三個接50歐姆匹配負載時，在典型環境下(交叉極化率Г＝0dB代表典型的室內多徑環境，Г＝6dB代表典型的室外多徑環境)每個天線單元的平均有效增益(MeanEffective Gain)和各個天線單元之間的包絡相關係數分別如表1和2所示。在本例中，由圖8可看出，由於結構對稱，天線單元a和b的反射係數(即Saa和Sbb)相同，天線單元c和d的反射係數(即Scc和Sdd)相同，四個天線單元的工作頻率均覆蓋了UMTS(1920～2170MHz)頻段，其中測量的天線單元a，b的-10dB帶寬(定義為Saa，Sbb＜-10dB)為1880～2200MHz，測量的天線單元c，d的-10dB帶寬(定義為Scc，Sdd＜-10dB)為1860～2220MHz；由圖9，10可看出，天線單元在UMTS頻段內的耦合係數(即Sab、Sba、Sac、Sca、Sbd、Sdb、Sad、Sda、Sbc、Scb、Scd、Sdc)均控制在很低的水平；由圖11可看出，天線單元a，b在UMTS頻段的效率高於84.3％；由圖12可看出，天線單元c，d在UMTS頻段的效率高於90％；由圖13可看出，工作在2.05GHz時，天線單元a、b、c、d在x-y平面的功率增益方向圖基本互補，可以實現方向圖分集；由表1，2可看出，在兩個不同的典型環境下(Г＝0dB和Г＝6dB)，天線單元a、b、c、d在2.05GHz時的平均有效增益之差的絕對值均小於3dB，且天線單元之間的包絡相關係數都小於0.3，故能提供較高的分集增益，同時滿足MIMO通信系統對移動終端多天線的要求。

表1.各個天線單元的平均有效增益(MEG)

表2.各個天線單元之間的包絡相關係數
權利要求
1.移動終端四天線系統，其特徵在於，所述系統含有介質板，所述介質板成矩形，用來模擬無線通信系統移動終端中電路和天線部分所使用的介質板；金屬地，印刷在所述介質板的背面，該金屬地包括用來模擬無線通信系統移動終端中除天線外的其它部分的金屬部分，以及用來減小天線之間互耦或調整天線工作頻率的各種地枝結構；所述的金屬地中的地枝結構對於所述介質板的縱向對稱軸對稱排列；四個平面型單極天線及相應的微帶饋線，印刷在所述介質板的正面；所述的四個平面型單極天線放置在介質板的四個角上；所述的四個平面型單極天線中左右分布的天線單元及其饋線對於所述介質板的縱向對稱軸對稱排列；所述的四個平面型單極天線中上下分布的天線單元採用不同的主極化方向。
2.根據權利要求1所述的移動終端四天線系統，其特徵在於按左右分布的天線單元形式一樣。
3.根據權利要求1所述的移動終端四天線系統，其特徵在於按上下分布的天線單元在空間上遠離，並且採用極化正交的方式放置。
全文摘要
本發明屬於移動終端天線領域，其特徵在於，四個平面型單極天線印刷在介質板的正面，並放置在介質板的四個角上，其中，左右分布的天線單元及其饋線對於介質板的縱向對稱軸對稱排列，上下分布的天線單元在空間上遠離，採用極化正交的方式放置；金屬地包括用來模擬移動終端中除天線外的其它部分的金屬部分，以及用來減小天線單元之間互耦或調整天線單元工作頻率的各種地枝結構，該地枝結構對於介質板的縱向對稱軸對稱排列。本發明具有尺寸小，採用平面印刷工藝，同時採取多種措施減小天線單元之間的互耦，增加天線的阻抗帶寬，提高天線的增益，能夠應用於MIMO無線通信系統中。
文檔編號H01Q9/30GK101030672SQ20071006429
公開日2007年9月5日 申請日期2007年3月9日 優先權日2007年3月9日
發明者丁元, 杜正偉, 龔克, 馮正和 申請人:清華大學