多輸入多輸出天線系統和輻射吸收方法
2023-10-26 05:41:02 3
多輸入多輸出天線系統和輻射吸收方法
【專利摘要】本發明提供了一種多輸入多輸出天線系統和輻射吸收方法。涉及移動通信【技術領域】；解決了降低SAR值的問題。該系統包括：耦合的MIMO天線與PCB板，該系統還包括一通過PCB板與所述MIMO天線耦合的金屬輻射貼片，所述金屬輻射片為二維電磁帶隙結構，所述PCB板處於所述MIMO天線與所述金屬輻射片之間，所述MIMO天線與所述PCB板、所述金屬輻射貼片俯視重合；所述二維電磁帶隙結構吸收所述MIMO天線發出的頻率在所述二維電磁帶隙結構帶隙外的電磁波。本發明提供的技術方案適用於電子電氣設備，實現了易實施的SAR值降低手段。
【專利說明】多輸入多輸出天線系統和輻射吸收方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及移動終端通信【技術領域】，尤其涉及一種用來降低移動終端多輸入多輸 出（MM0)天線的SAR值，在保證其正常通信效率的前提下降低對人體的輻射傷害的MM0天 線系統和輻射吸收方法。
【背景技術】
[0002] 目前，很多人都已經知道電磁輻射可以直接對人體的器官、細胞或者神經系統產 生危害，這是電磁場的生物電磁效應，為了表徵電磁波與生物體相互作用後電磁波對人體 的作用程度，人們提出了比吸收率的概念-SAR(SpecificAbsorptionRate)，比吸收率 是指單位質量的生物體(包括人體)在單位時間內吸收的電磁輻射能量(瓦)，單位W/Kg。這 些電磁輻射不僅僅局限於大型電機設備，我們日常生活中的冰箱、電腦、PDA等均可作為輻 射源，尤其目前快速發展的移動通信終端，用戶對信息傳輸的質量和速度要求越來越高，能 夠有效實現這一目標的MM0技術應運而生，而承載著MM0多天線系統進行大容量信息傳 輸的移動終端也不可避免的帶來了更多的電磁輻射弊端。MIM0系統的移動終端設備要求安 置多根天線，如何在滿足相應的帶寬、增益、隔離度等電性能指標的同時，不增加多天線系 統對人體的SAR值，這對天線設計提出了新的挑戰。
[0003] 目前，通常用來降低天線系統SAR值的方法主要有：（1)在終端的內殼或外殼上 塗覆屏蔽材料，使終端發射電磁信號時，朝向人體的有害電磁波能夠被屏蔽掉，以此來降低 SAR值，但這種方法導致屏蔽層在屏蔽有害電磁波的同時也降低了信號的傳輸效率，而且隨 著時間的積累屏蔽層也會漸漸變薄失去屏蔽作用；（2)在天線與人體模型之間加入導體材 料，利用導體材料將射向人體的電磁波反射，使天線方向圖由圓形變成心形方向圖，進而降 低終端天線SAR值，但該反射板要根據不同的主機天線形狀進行針對設計，成本較高；（3) 在靠近人體的一側加入鐵氧體材料等磁性材料能夠有效降低天線SAR值，在目前降低SAR 值的方法中，該方法佔主導地位，不過電磁波由低磁導率向高磁導率方向傳播的特性，導致 有用信號也會被隔離，降低了通信效率；（4)還可以通過降低發射功率來減小SAR值，但發 射功率又與信號傳輸能量成正比，所以要找到協調點才能達到共贏，隨機性比較大。
[0004] 而在移動終端要解決多天線SAR值降低的問題，就面臨著面積小，體積薄，同時保 證輻射效率及通信質量等挑戰，上文提到的已有的減小SAR值的方法都有利有弊，但缺乏 靈活性，難以適應目前快速發展的通信行業現狀，亟待一種新的降低SAR值的方法來改變 現狀。
【發明內容】
[0005] 本發明提供了一種MM0天線系統，解決了降低SAR值的問題。
[0006] 一種MM0天線系統，包括耦合的MM0天線與PCB板，該系統還包括一通過PCB板 與所述MM0天線耦合的金屬輻射貼片，所述金屬輻射片為二維電磁帶隙結構，所述PCB板 處於所述MM0天線與所述金屬輻射片之間，所述MM0天線與所述PCB板、所述金屬輻射貼 片俯視重合；
[0007] 所述二維電磁帶隙結構吸收所述MIM0天線發出的頻率在所述二維電磁帶隙結構 帶隙外的電磁波。
[0008] 優選的，所述金屬輻射貼片包含多個子貼片，該多個子貼片處於同一平面中，子貼 片間無連接。
[0009] 優選的，所述子貼片為花環型結構，所述花環型結構包括四個花型結構，四個花型 結構的中心分別處於一個正方型的四個頂點，花型結構間無連接；
[0010] 所述花型結構包括一正方型，該正方型結構的四角是圓形花瓣結構，所述花瓣結 構的圓心為所述正方型花蕊結構的頂點，所述正方型花蕊結構和圓形花瓣結構構成高阻電 路的電容；
[0011] 所述正方型花蕊結構的四邊中點延伸出四個矩形結構，該矩形結構構成高阻電路 的電感；
[0012] 所述正方型花蕊結構和圓形花瓣結構構成高阻電路的電容與所述矩形結構構成 高阻電路的電感並聯。
[0013] 優選的，所述MM0天線為彎折結構。
[0014] 優選的，所述金屬輻射貼片的覆蓋範圍與所述MM0天線的彎折結構重合。
[0015] 優選的，所述PCB板外層還包括一層接地板，所述接地板上與所述MM0天線彎折 結構對應的部位鏤空，所述金屬輻射貼片置於所述接地板的鏤空部。
[0016] 優選的，所述花瓣結構的直徑的兩倍不大於所述正方型花蕊結構的邊長。
[0017] 本發明還提供了一種應用上述MM0天線系統的輻射吸收方法，包括：
[0018] 所述二維電磁帶隙結構在能帶結構中形成帶隙；
[0019] 當電磁波通過所述能帶結構時，若所述電磁波的頻率在帶隙外，則所述能帶結構 過濾所述電磁波。
[0020] 優選的，該方法還包括：
[0021] 當所述電磁婆的頻率在所述帶隙內時，所述能帶結構對所述電磁波進行全發射。
[0022] 優選的，該方法還包括：
[0023] 通過調整所述正方型花蕊結構的邊長調整電容值；
[0024] 通過調整所述正方型花蕊結構的四邊中點延伸出四個矩形結構延伸出的長度調 整電感。
[0025] 本發明提供了一種MM0天線系統和輻射吸收方法，該MM0天線系統包括耦合的 多輸入多輸出（MM0)天線與PCB板，其特徵在於，該系統還包括一通過PCB板與所述MM0 天線耦合的金屬輻射貼片，所述金屬輻射片為二維電磁帶隙結構，所述PCB板處於所述 MM0天線與所述金屬輻射片之間，所述MM0天線與所述PCB板、所述金屬輻射貼片俯視重 合，所述二維電磁帶隙結構吸收所述MIM0天線發出的頻率在所述二維電磁帶隙結構帶隙 外的電磁波，在MM0天線諧振頻率附近，金屬輻射貼片提供的並聯的LC等效電路的阻抗無 窮大，形成表面波的頻率帶隙，從而阻止能量向人體的傳播，解決了降低SAR值的問題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026] 圖1是本發明舉例涉及到的LTE終端MM0天線示意圖；
[0027] 圖2是本發明提到加入電磁帶隙結構後整體反面示意圖；
[0028] 圖3是本發明中電磁帶隙單元結構示意圖；
[0029] 圖4是本發明未加入電磁帶隙結構時MM0的天線性能參數示意圖；
[0030] 圖5是本發明加入電磁帶隙結構時MIM0的天線性能參數示意圖。
【具體實施方式】
[0031]目前，通常用來降低天線系統SAR值的方法主要有：（1)在終端的內殼或外殼上 塗覆屏蔽材料，使終端發射電磁信號時，朝向人體的有害電磁波能夠被屏蔽掉，以此來降低 SAR值，但這種方法導致屏蔽層在屏蔽有害電磁波的同時也降低了信號的傳輸效率，而且隨 著時間的積累屏蔽層也會漸漸變薄失去屏蔽作用；（2)在天線與人體模型之間加入導體材 料，利用導體材料將射向人體的電磁波反射，使天線方向圖由圓形變成心形方向圖，進而降 低終端天線SAR值，但該反射板要根據不同的主機天線形狀進行針對設計，成本較高；（3) 在靠近人體的一側加入鐵氧體材料等磁性材料能夠有效降低天線SAR值，在目前降低SAR 值的方法中，該方法佔主導地位，不過電磁波由低磁導率向高磁導率方向傳播的特性，導致 有用信號也會被隔離，降低了通信效率；（4)還可以通過降低發射功率來減小SAR值，但發 射功率又與信號傳輸能量成正比，所以要找到協調點才能達到共贏，隨機性比較大。
[0032] 而在移動終端要解決多天線SAR值降低的問題，就面臨著面積小，體積薄，同時保 證輻射效率及通信質量等挑戰，上文提到的已有的減小SAR值的方法都有利有弊，但缺乏 靈活性，難以適應目前快速發展的通信行業現狀，亟待一種新的降低SAR值的方法來改變 現狀。
[0033] 為了解決上述問題，本發明的實施例提供了一種MM0天線系統。下文中將結合附 圖對本發明的實施例進行詳細說明。需要說明的是，在不衝突的情況下，本申請中的實施例 及實施例中的特徵可以相互任意組合。
[0034] 下面結合附圖對本發明提供的一種降低終端MM0天線SAR值的MM0天線系統進 行說明。
[0035] 本發明實施例的技術方案提供了一種能夠降低終端天線SAR值的新型結構，在原 有天線的基礎上加入一種電磁帶隙結構（EBG，ElectromagneticBandGap)。EBG是從光 子帶隙結構發展而來的一種周期性結構，本質上為不同介質、金屬輻射貼片等混合體單元 按周期進行的陣列布置，具有一定的禁帶特性，能夠在一定程度上控制電磁波的傳播。EBG 具有禁帶特性的原理是：當電磁波在周期性的電介質中傳播時，通過調製，能夠形成能帶結 構，而此時帶隙會出現在能帶結構之間。一定頻率的電磁波如果其頻率在帶隙內的話，帶隙 內部沒有任何態，這樣所有方向的電磁波都能夠發生全發射。由於此特性的存在，EBG結構 便可以應用於微帶天線中，設計在天線單元與人體之間作為高阻電路來抑制基底的表面波 以及高次諧波，降低天線單元向人體輻射的電磁能量，從而降低人體吸收的SAR值。
[0036] 電磁帶隙結構用於微波設計中可提高天線輻射效率和降低天線高度，降低微波電 路中的諧波來提高天線的方向性，對天線的背向輻射有一定的抵制。目前電磁帶隙結構在 天線中的應用主要關注於其對天線方向圖、副瓣電平、散射界面、隔離度等天線參數的影 響，目前電磁帶隙結構應用在天線設計中一般以矩形縫隙陣列或者矩形帶隙陣列為主，本 發明實施例利用EBG的帶阻特性，將其應用在降低隔離度的設計中，將其設計為"花環"型 結構，運用SEMCAD專業生物電磁學仿真軟體進行模擬計算，由數據分析可以看出電磁帶隙 結構的加入對SAR值的降低起到了明顯的作用。
[0037] 本發明實施例提供的MIM0天線系統結構如下：
[0038]由於電磁帶隙的作用即濾波器，故相對各種不同的移動終端工作頻段，只要採用 同頻帶隙結構，即可利用其濾波的性質，儘可能大的排除其他頻段的雜波影響。早期的EBG 結構一般設計為三維結構，但由於加工的難度，目前更傾向於二維EBG的研究，本發明實 施例使用二維電磁帶隙結構，具體為二維"花環形"結構，作為金屬輻射片安放在PCB板與 MIM0天線相對應的位置，花環型結構由多個花型結構構成。花型結構以邊長為b的正方形 結構作為"花蕊"，四角是半徑為r0的圓形"花瓣""花瓣"結構的圓心為正方型結構的頂點， 等效為高阻電路的電容C，正方形的四邊中點伸出四個長為sl，寬為s的矩形結構，等效為 高阻電路的電感L，二維電磁帶隙結構便是由兩個相連的"花環型"結構構成的。在MIM0天 線諧振頻率附近，花環型結構構成的並聯的LC等效電路的阻抗無窮大，形成表面波的頻率 帶隙，從而阻止能量向人體的傳播。
[0039] 如圖1所示，由於第一個商用MM0系統出現在WLAN中，但現在其應用熱點已經擴 展到了包括WiMAX和LTE在內的無線通訊領域，所以本發明實施例中以MM0天線用於LTE 移動終端(商用工作頻率在2. 6GHz)為例進行說明。需要說明的是，本發明實施例所提供的 技術方案適用於一切應用MIM0天線的場合，本發明實施例僅以LTE移動終端為例，實際應 用範圍並不限於此。本發明實施例中的MM0天線設計成彎折結構，具有效減小天線之間的 耦合，縮小天線尺寸等優點，在天線左上和右上兩個角掏空接地板同樣能夠減小耦合，這樣 地板就成了倒〃T〃形結構，接地板的不完整性已成為天線設計的主流。介質板採用FR-4,介 電常數為4. 4,厚度0? 51mm，尺寸為46mm*34mm。
[0040] 如圖2所示，為加入二維電磁帶隙結構的整體反面俯視圖。該二維電磁帶隙結構 以金屬輻射貼片的形式出現，並未產生附加的厚度增加，將其放置在挖空的接地板處隔著 PCB板與MM0天線耦合，等效於LC高阻電路起禁帶的作用，由於尺寸限制，這裡主要放置 了 8個花形結構，每個MM0天線單元分得4個構成一個花環型結構，且緊湊相連，符合二維 電磁帶隙結構的經典連接形式。根據已有的終端結構，與MM0單個天線單元彎折部分對 應的接地板被掏空，尺寸為21. 5mm(長）*17mm(寬)，最終選取的各個參數值如下：
【權利要求】
1. 一種多輸入多輸出天線系統，包括禪合的多輸入多輸出（MIMO)天線與PCB板，其特 徵在於，該系統還包括一通過PCB板與所述MIM0天線禪合的金屬福射貼片，所述金屬福射 片為二維電磁帶隙結構，所述PCB板處於所述MIM0天線與所述金屬福射片之間，所述MIM0 天線與所述PCB板、所述金屬福射貼片俯視重合； 所述二維電磁帶隙結構吸收所述MIM0天線發出的頻率在所述二維電磁帶隙結構帶隙 外的電磁波。
2. 根據權利要求1所述的多輸入多輸出天線系統，其特徵在於，所述金屬福射貼片包 含多個子貼片，該多個子貼片處於同一平面中，子貼片間無連接。
3. 根據權利要求2所述的多輸入多輸出天線系統，其特徵在於，所述子貼片為花環型 結構，所述花環型結構包括四個花型結構，四個花型結構的中也分別處於一個正方型的四 個頂點，花型結構間無連接； 所述花型結構包括一正方型，該正方型結構的四角是圓形花瓣結構，所述花瓣結構的 圓也為所述正方型花蕊結構的頂點，所述正方型花蕊結構和圓形花瓣結構構成高阻電路的 電容； 所述正方型花蕊結構的四邊中點延伸出四個矩形結構，該矩形結構構成高阻電路的電 感； 所述正方型花蕊結構和圓形花瓣結構構成高阻電路的電容與所述矩形結構構成高阻 電路的電感並聯。
4. 根據權利要求3所述的多輸入多輸出天線系統，其特徵在於，所述MIM0天線為彎折 結構。
5. 根據權利要求4所述的多輸入多輸出天線系統，其特徵在於，所述金屬福射貼片的 覆蓋範圍與所述MIM0天線的彎折結構重合。
6. 根據權利要求4所述的多輸入多輸出天線系統，其特徵在於，所述PCB板外層還包括 一層接地板，所述接地板上與所述MIM0天線彎折結構對應的部位縷空，所述金屬福射貼片 置於所述接地板的縷空部。
7. 根據權利要求3所述的多輸入多輸出天線系統，其特徵在於，所述花瓣結構的直徑 的兩倍不大於所述正方型花蕊結構的邊長。
8. -種應用權利要求1至7所述的多輸入多輸出天線系統的福射吸收方法，其特徵在 於，包括： 所述二維電磁帶隙結構在能帶結構中形成帶隙； 當電磁波通過所述能帶結構時，若所述電磁波的頻率在帶隙外，則所述能帶結構過濾 所述電磁波。
9. 根據權利要求8所述的福射吸收方法，其特徵在於，該方法還包括： 當所述電磁婆的頻率在所述帶隙內時，所述能帶結構對所述電磁波進行全發射。
10. 根據權利要求8所述的福射吸收方法，其特徵在於，該方法還包括： 通過調整所述正方型花蕊結構的邊長調整電容值； 通過調整所述正方型花蕊結構的四邊中點延伸出四個矩形結構延伸出的長度調整電 感。
【文檔編號】H01Q1/50GK104347939SQ201310337485
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2013年8月5日 優先權日:2013年8月5日
【發明者】禹忠 申請人:中興通訊股份有限公司