多天線系統中的地面縮短型平面反轉f天線單元的製作方法
2023-10-19 01:42:17 1
專利名稱：多天線系統中的地面縮短型平面反轉f天線單元的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於無線通信終端上的多天線系統技術領域。
背景技術：
天線是無線通信系統中用於輻射發射信號功率和接收到達信號功率的器件。平面反轉F天線(PIFA)是一種典型的內置式天線，它由導體地平面、平行於地平面的導體輻射平面、連接地平面與輻射平面的導體短路柱、連接射頻饋線與輻射平面的導體饋線柱組成。PIFA天線的輻射特性主要由天線金屬表面的面電流決定，PIFA天線的輻射方向圖主要是朝輻射平面的外法向方向，輻射方向圖的主要波瓣寬度與地平面的大小有關，地平面導體相對於輻射平面導體越大，主要波瓣越集中在輻射平面的外法向方向。單個的PIFA天線單元具有低物理尺寸，高輻射效率的優點[Kathleen L.Virga，Yahya Rahmat-Samii，「Low-ProfileEnhanced-Bandwidth PIFA Antennas for Wireless Communications Packaging」，IEEETransactions On Microwave Theory and Techniques，Vol.45，No.10，pp.1879，Oct.1997]。但是PIFA天線的輻射效率和它與周圍環境的能量耦合有關，當周圍金屬物體靠近PIFA天線金屬面電流強的部分且距離在1倍波長之內，該金屬體可能和PIFA天線發生強烈耦合，即天線輻射的一部分能量會轉移到該金屬體上，從而造成PIFA天線輻射效率下降。
現有的PIFA天線，通常是工作在單輸入單輸出(SISOSingle Input Single Output)方式，即終端用一個天線和基站的一個天線進行收發通信。在全球移動通信系統(GSMGlobalSystem for Mobile Communications)，碼分多址接入(CDMACode Division Multiple Access)，無線區域網等無線通信終端中，PIFA天線已經被廣泛應用。
多輸入多輸出(MIMOMulti Input Multi Output)通信方式是一種較新的通信技術，它是無線終端上的多個天線與基站的多個天線同時通信。由於它利用了傳播環境中存在的相關性較低的傳播路徑來通信，MIMO通信系統在城市這樣的存在大量反射和散射物體的環境中、結合空時編碼技術、可以獲得比SISO方式更高的信道容量，從而有效提高系統容量。MIMO技術是下一代移動通信的關鍵技術之一[Arogyaswami j.Paulraj，Dhananjay a.Gore，Rohit u.Nabar，Helmut blcskei，「An Overview of MIMO Communications-A Key toGigabit Wireless」，IEEE Proceedings，pp.198，2004]，在蜂窩系統、無線區域網等系統中有廣泛的應用前景。
MIMO通信方式要求移動終端的多天線的天線單元方向圖具有新的特性1)具有寬的輻射方向圖，在以天線為原點，過原點的一個平面上，輻射方向圖接近全向。
2)天線單元在被安裝到終端上以後，各單元的輻射方向圖具有互補性，共同組成在球面上接近全向的方向圖，實現方向圖分集。
3)部分天線單元的主極化方向互相垂直，實現極化分集。
4)在移動通信終端狹小的空間內，多天線單元之間互耦較低，實現高的發射效率。
其中第1、第2、第3特性在已經提出的一些MIMO天線方案中是用幾個地平面相互垂直的基本PIFA天線來實現，但要滿足第4個特性則有賴於安裝天線的終端有足夠大的尺寸使天線單元的間隔足夠遠、或者安裝的天線單元數量不多於2個。對於天線終端尺寸在0.5倍波長以內的情況，地平面相互垂直的方案不一定能實現高的發射效率、存在互耦強、發射效率低的問題。特別是對於手持移動終端、地平面互相垂直的安排要把天線單元安排在終端的各個邊沿上，這造成在地平面導體上被激勵的地電流和周圍環境、例如人手、有較強的相互作用，由於周圍環境的影響，該天線系統存在匹配特性不穩定和輻射效率下降的問題。由於無線終端設備的電池容量通常很有限，匹配特性不穩定和輻射效率的下降會明顯增加終端功耗，減少待機時間。
另一方面天線單元之間的互耦使發生耦合的天線單元的收發信息相關性增加，這破壞了MIMO通信的重要條件，即不同天線所在的數據鏈路的收發信息必須具有低相關性，這也是現有使用PIFA天線單元的MIMO天線在小尺寸無線終端上應用存在的一個問題。
因此，有必要改進PIFA天線單元的設計，使之有效地應用於MIMO系統，特別是適用於蜂窩和無線區域網的小型終端設備。
發明內容
本發明的目的是提供一種改進的PIFA天線單元，使應用該PIFA天線作為單元的MIMO天線的各單元之間具有較小的互耦，從而提高天線的輻射效率，提高MIMO系統所能取得的通信容量，特別是在天線單元間距在0.25倍到1倍波長以內的小型無線終端上。
本發明設計的PIFA天線單元安裝在印刷電路板上，特別是作為MIMO天線的一個單元。圖1給出了MIMO天線的一種布置圖。1是印刷電路板，2a、2b、2c、2d分別是MIMO天線單元。
本發明的PIFA天線單元的結構如圖2所示，導體地平面2a-1比導體輻射平面2a-2要短，因此稱為地面縮短型PIFA天線單元。這是為了減少天線單元之間的耦合。因為PIFA天線單元的表面電流主要分布在地平面上，如圖3所示，當天線單元被安排得很接近的時候，靠近的地平面互耦較強，縮短地平面2a-1的尺寸可以增大地平面之間的間距，從而減小天線之間的互耦。而適當增加輻射導體平面2a-2的長度可以保持天線的諧振頻率不變和良好匹配。基於互耦的減小和良好的匹配特性，使用地面縮短型PIFA天線單元可以增加天線的輻射效率。
本發明的特徵在於該平面反轉F天線單元含有印刷電路板，該印刷電路板的背面是金屬層；導體地平面，該地平面是所述印刷電路板正面的一層金屬，所述地平面的長度和寬度小於或者等於所述平面反轉F天線的工作頻率對應的自由空間傳播波長的0.2倍；導體輻射平面，該輻射平面平行於所述導體地平面，而且該輻射平面的長度和寬度都小於天線工作波長的0.25倍；導體短路面，該短路面垂直於所述地平面且連接所述地平面與輻射平面；導體饋線柱，該饋線柱垂直於地平面且連接射頻饋線的內導體與所述輻射平面，射頻饋線的外導體和印刷電路板背面的金屬層相連；所述導體輻射平面的長度減去導體地平面的長度，再除以導體輻射平面的長度，其值大於0.2。
所述導體地平面是一層平行於所述印刷電路背面的金屬，而且又貼在所述印刷電路正面的一塊金屬貼片。
所述平面反轉F天線還包括一個連接所述導體地平面和印刷電路板背面金屬層的一個過孔。
所述導體地平面長度是所述平面反轉F天線工作頻率的0.16倍波長。所述輻射平面長度是所述平面反轉F天線工作頻率對應波長的0.2倍。
本發明的PIFA天線單元的特徵還包括一個過孔選項，如圖2b所示，過孔2a-5連接導體地平面2a-1和印刷電路板背面的金屬層3。
本發明的優點是地面縮短型PIFA天線單元中電流分布強的地平面長度約0.15倍波長，這樣天線單元可以被安排的互相靠近、特別是間距在0.25～0.5倍波長之內，並且同時具有小的互耦和高的發射效率。MIMO天線的第i個天線單元的發射效率ηi可以由公式1計算得到i=1-|Sii|2-ij(1-|Sii|2)|Cji|2=1-|Sii|2-ij|Sji|2---(1)]]>其中Sii是第i個天線單元的反射係數，Sji是第i個天線單元到第j個天線單元的傳輸係數的S參數。Cji是第i個天線單元到第j個天線單元的耦合係數。耦合係數越小，天線輻射效率越高。本發明實例的輻射效率如圖6所示。
本發明的優點是當使用地面縮短型PIFA天線單元的MIMO天線的各單元間距在0.5倍波長之內，由於天線單元之間互耦仍然小，各天線單元所在數據鏈路的獨立性好，結合時空編碼技術、MIMO系統獲得更大的信道容量，這一點在文獻[Arogyaswami j.Paulraj，Dhananjay a.Gore，Rohit u.Nabar，Helmut blcskei，「An Overview of MIMOCommunications-A Key to Gigabit Wireless」，IEEE Proceedings，pp.198，2004]中已經說明。
由此可見使用地面縮短型PIFA天線單元可以提高天線輻射效率，進而降低無線終端功耗，延長無線終端的待機時間。
使用地面縮短型PIFA天線單元可以減小PIFA天線單元和旁邊其他天線單元之間的耦合，降低各天線單元所在無線鏈路收發信息的低相關性，進而提高MIMO系統容量。
圖1，MIMO天線的一種布置圖。
圖2，本發明的PIFA天線單元的結構圖a，無過孔時，b，有過孔時。
圖3，本發明所述天線單元金屬上的表面電流分布圖。
圖4，利用本發明所述的PIFA天線單元的MIMO天線布置圖。
圖5，本發明所述的PIFA天線單元的尺寸實際圖，單位毫米。
圖6，圖4所述MIMO天線單元中各天線單元的輻射效率圖。
圖7，圖4所述MIMO天線單元中各天線單元的輻射方向圖，phi水平角0度位置，theta俯仰角90度位置。
具體實施例方式
本發明的PIFA天線單元由導體地平面2a-1、平行於地平面的導體輻射平面2a-2、垂直於地平面且連接地平面與輻射平面的導體短路面2a-3、垂直於地平面且連接射頻饋線與輻射平面的導體饋線柱2a-4組成。PIFA天線單元的導體地平面2a-1的長、寬都小於0.2倍波長、導體輻射平面2a-2的長、寬都小於0.25倍波長，並且平行於印刷電路板背面的金屬層3，如圖2(a)所示。
本發明的PIFA天線單元包括一個過孔，如圖2(b)所示，過孔2a-5連接導體地平面2a-1和印刷電路板背面的金屬層3。
本發明設計的PIFA天線單元安裝在印刷電路板上。圖4給出了MIMO天線的一種安排實例。印刷電路板的背面是金屬層3，4個地面縮短型PIFA天線單元的地平面互相平行，安裝在印刷電路板的正面上，由印刷電路板的正面上的一層金屬來充當，或者平行於印刷電路板的正面。
地面縮短型PIFA天線單元2a和2b、2d互相垂直，2c和2b、2d互相垂直，2a和2c關於各自相同點連線的中點180度旋轉對稱，2b、和2d關於各自相同點連線的中點180度旋轉對稱。
天線單元2a的導體饋線柱2a-4和射頻饋線內導體相連，射頻饋線外導體連接印刷電路板背面的金屬層3，其他單元用其對應饋線柱連接射頻饋線。
天線單元的地平面2a-1和金屬層3可以用過孔2a-5連接，其他單元可以用其對應過孔連接，用於改善匹配。
各天線單元連接的射頻饋線連接到MIMO系統的各個射頻鏈路的收發埠。
該MIMO系統使用時空編碼技術。
使用了上述地面縮短型PIFA天線單元的一種MIMO天線實例如圖4所示，其中一個地面縮短型PIFA天線單元的尺寸實例如圖5所示。本實例工作在2250-2300MHz，其各天線單元的輻射效率如圖6所示，在天線單元間距小於0.5倍波長的情況下，用測量S參數按照公式(1)計算的天線單元輻射效率在75％以上，平均效率大於80％。MIMO各天線單元的仿真方向圖如圖7所示，具有較寬的波瓣，在一個平面內接近全向。各天線單元的朝向不同，各單元的極化方向也不同，因此上述的MIMO天線具有極化分集性能。
權利要求
1.多天線系統中的地平面縮短型平面反轉F天線單元，其特徵在於該平面反轉F天線單元含有印刷電路板，該印刷電路板的背面是金屬層；導體地平面，該地平面是所述印刷電路板正面的一層金屬，所述地平面的長度和寬度小於或者等於所述平面反轉F天線的工作頻率對應的自由空間傳播波長的0.2倍；導體輻射平面，該輻射平面平行於所述導體地平面，而且該輻射平面的長度和寬度都小於天線工作波長的0.25倍；導體短路面，該短路面垂直於所述地平面且連接所述地平面與輻射平面；導體饋線柱，該饋線柱垂直於地平面且連接射頻饋線的內導體與所述輻射平面，射頻饋線的外導體和印刷電路板背面的金屬層相連；所述導體輻射平面的長度減去導體地平面的長度，再除以導體輻射平面的長度，其值大於0.2。
2.根據權利要求1所述的多天線系統中的地平面縮短型平面反轉F天線單元，其特徵在於所述導體地平面是一層平行於所述印刷電路背面的金屬片，而且又貼在所述印刷電路正面的一塊金屬貼片。
3.根據權利要求1所述的多天線系統中的地平面縮短型平面反轉F天線單元，其特徵在於所述平面反轉F天線還包括一個連接所述導體地平面和印刷電路板背面金屬層的一個過孔。
4.根據權利要求1或2中任何一項所述的多天線系統中的地平面縮短型平面反轉F天線單元，其特徵在於所述導體地平面長度是所述平面反轉F天線工作頻率對應波長的0.16倍；所述輻射平面長度是所述平面反轉F天線工作頻率對應波長的0.2倍。
全文摘要
多天線系統中的地平面縮短型平面反轉F天線單元涉及一種用於無線通信終端上的多天線系統技術領域，其特徵在於所述天線單元含有印刷電路板，其背面是金屬層；位於印刷電路板正面且平行於印刷電路板背面金屬層的導體地平面，其長度為天線單元工作波長的0.2倍以內；導體輻射平面平行於導體地平面，其長度長於所述導體地平面；導體短路面，垂直於導體地平面，且連接著導體地平面與導體輻射平面；導體饋線柱垂直於導體地平面，且連接射頻饋線與導體輻射平面。本發明可提高多天線輻射效率，延長無線終端待機時間，而且可以保持各天線單元所在無線鏈路具有的低相關性，提高多輸入多輸出系統容量。
文檔編號H01Q1/38GK1702912SQ20051008030
公開日2005年11月30日 申請日期2005年7月1日 優先權日2005年7月1日
發明者顏罡, 杜正偉, 龔克, 王薔 申請人:清華大學