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CN106058456B - 紧凑型激励地板正交辐射的高隔离度天线及其mimo通信系统 - Google Patents

紧凑型激励地板正交辐射的高隔离度天线及其mimo通信系统 Download PDF

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CN106058456B
CN106058456B CN201610666575.6A CN201610666575A CN106058456B CN 106058456 B CN106058456 B CN 106058456B CN 201610666575 A CN201610666575 A CN 201610666575A CN 106058456 B CN106058456 B CN 106058456B
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Abstract

本发明提供一种紧凑型激励地板正交辐射的高隔离度天线及其MIMO通信系统，包括：一PCB地板，在一边缘上具有净空区；一环路地辐射天线，设置在所述PCB地板的净空区上，且与所述PCB地板的非净空区连接，两个分支激励PCB地板辐射形成两条谐振回路；及一对称单极子天线，设置在所述PCB地板的净空区的上方，包括馈线、低频对称分支和高频对称分支，所述低频对称分支和高频对称分支通过馈线连接所述PCB地板的非净空区，两个分支激励PCB地板辐射形成两条谐振通路；其中，所述环路地辐射天线和对称单极子天线在每个频段激励PCB地板生成的电流正交。本发明利用电流的正交性，可以在非常有限的空间内实现高隔离度双频覆盖，隔离度可以达25dB以上。

Description

紧凑型激励地板正交辐射的高隔离度天线及其MIMO通信系统
技术领域
本发明涉及移动终端设备天线技术，特别涉及的是一种紧凑型激励地板正交辐射的高隔离度天线及其MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出)通信系统。
背景技术
移动通信终端业务的快速发展带动了无线终端天线产业的繁荣，同时对终端天线也提出了更高的要求，要求天线具有多频带、小体积、高效率等性能。而目前的无线网络传输速率，已无法满足当前高数据传输率的应用要求，越来越多提高数据传输率的技术应用而生，MIMO就是其中一种，MIMO技术是指在无线信道中采用多个天线实现收发，在不增加带宽的情况下，可以成倍地提高通信系统的容量，但多天线系统的技术瓶颈在于天线间的耦合效应会使得多天线间的输出信号具有很大的相关性，严重干扰无线信号的传输。为了降低信号之间的相关性，必须想办法提高MIMO系统中天线之间的隔离度。
解决天线之间耦合效应的最简单的方法为拉大天线之间的距离，但是，当前无线终端系统的空间有限，而且耦合问题随着天线数量的增多更加严重。
发明内容
本发明提供一种紧凑型激励地板正交辐射的高隔离度天线及其MIMO通信系统，利用电流的正交性，可以在非常有限的空间内实现高隔离度双频覆盖，隔离度可以达25dB以上。
为解决上述问题，本发明提供一种紧凑型激励地板正交辐射的高隔离度天线，包括：
一PCB地板，在一边缘上具有净空区；
一环路地辐射天线，设置在所述PCB地板的净空区上，且与所述PCB地板的非净空区连接，所述环路地辐射天线的两个分支激励PCB地板辐射形成两条谐振回路；及
一对称单极子天线，设置在所述PCB地板的净空区的上方，包括馈线、低频对称分支和高频对称分支，所述低频对称分支和高频对称分支通过馈线连接所述PCB地板的非净空区，通过所述低频对称分支和高频对称分支激励PCB地板辐射形成两条谐振通路；
其中，所述环路地辐射天线和对称单极子天线在每个频段激励PCB地板生成的电流正交。
根据本发明的一个实施例，所述对称单极子天线的低频对称分支和高频对称分支位于所述馈线的同侧或异侧，馈线一端连接在低频对称分支的对称线和高频对称分支的对称线上、另一端连接所述PCB地板的非净空区。
根据本发明的一个实施例，所述低频对称分支的对称两侧等长、形状相同；高频对称分支的对称两侧等长、形状相同。
根据本发明的一个实施例，所述低频对称分支包括两个开口相对的U型金属片，且两U型金属片的开口单侧相连，所述高频对称分支包括两个直金属片，且两直金属片的一端相连；
或者，所述低频对称分支包括两个直金属片，且两直金属片的一端相连，所述高频对称分支包括两个开口相对的U型金属片，且两U型金属片的开口单侧相连；
或者，所述低频对称分支和所述高频对称分支均包括两个直金属片，且两直金属片的一端相连；
或者，所述低频对称分支和所述高频对称分支均由包括两个开口相对的U型金属片，且两U型金属片的开口单侧相连。
根据本发明的一个实施例，所述低频对称分支和/或所述高频对称分支由两个L型金属片的竖部自由端连接形成。
根据本发明的一个实施例，所述对称单极子天线位于所述PCB地板的净空区的正上方。
根据本发明的一个实施例，所述PCB地板为单面覆铜介质板，且在所述净空区不覆铜。
根据本发明的一个实施例，所述环路地辐射天线包括：
T型导带分支，包括构成横向部分的第一分支和第二分支、构成竖向部分的第三分支，所述第一分支和第二分支向所述第三分支的两侧延伸，且所述第一分支的末端通过第一集总电容连接到PCB地板的非净空区上；第二分支的末端通过第二集总电容连接到PCB地板的非净空区上；
第四分支，一端连接到第三分支，另一端连接到PCB地板的非净空区上，且与PCB地板非净空区的连接处连接馈源；
所述第四分支、第三分支、第一分支、第一集总电容与PCB地板的非净空区构成第一谐振回路，所述第四分支、第三分支、第二分支、第二集总电容与PCB地板的非净空区构成第二谐振回路。
根据本发明的一个实施例，所述环路地辐射天线还包括有第五分支，所述第五分支的一端连接到第三分支的末端，另一端通过第三集总电容连接到PCB地板的非净空区上；所述第四分支、第五分支、第三集总电容与PCB地板的非净空区构成匹配回路。
根据本发明的一个实施例，环路地辐射天线和对称单极子天线均减少或增加相应的分支，从而各自形成单频谐振或多频谐振。
本发明还提供一种MIMO通信系统，包括前述实施例中任意一项所述的紧凑型激励地板正交辐射的高隔离度天线。
采用上述技术方案后，本发明相比现有技术具有以下有益效果：
利用PCB地板上一小块净空加载环路地辐射天线，驱动PCB地板辐射实现双频覆盖，同时再采用对称单极子天线驱动PCB地板辐射，同样实现双频覆盖，这两种方式激励的地板辐射电流刚好正交，提高了这两个天线的隔离度，在无线终端空间受限的情况下，利用电流的正交性，在非常有限的空间内实现高隔离度双频覆盖，隔离度可以达25dB以上，可有效提高MIMO通信系统的通信容量。
附图说明
图1是本发明实施例的紧凑型激励地板正交辐射的高隔离度天线的结构示意图；
图2是本发明实施例的环路地辐射天线的结构示意图；
图3是本发明实施例的对称单极子天线的结构示意图；
图4是本发明实施例的环路地辐射天线的回波损耗示意图；
图5是本发明实施例的对称单极子天线的回波损耗示意图；
图6是本发明实施例的环路地辐射天线和对称单极子天线的隔离度示意图；
图7是本发明实施例的环路地辐射天线和对称单极子天线的辐射效率曲线；
图8和9分别是本发明实施例的环路地辐射天线2.45GHz和5.5GHz频点地板电流分布图；
图10和11分别是本发明实施例的对称单极子天线2.45GHz和5.5GHz频点地板电流分布图；
图12是本发明另一实施例的对称单极子天线的结构示意图；
图13是本发明又一实施例的对称单极子天线的结构示意图；
图14是本发明再一实施例的对称单极子天线的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
参看图1，本实施例的紧凑型激励地板正交辐射的高隔离度天线，包括：一PCB(Printed Circuit Board，印制电路板)地板1，一环路地辐射天线2及一对称单极子(Monopole)天线3。
PCB地板1在其一边缘上具有净空区，净空区是指非导电材质覆盖区，除该净空区之外最好全是非净空区。净空区的大小足以容纳回路地辐射天线即可。PCB地板1的形状可以为长方形、正方形或多边形等，净空区的形状可以为长方形、正方形或多边形等，具体不做限制。
环路地辐射天线2设置在PCB地板1的净空区上，且与PCB地板1的非净空区连接，在两个频段，通过两个不同分支激励PCB地板1辐射形成两条谐振回路。也即，环路地辐射天线2和PCB地板1共同形成谐振回路，并两个不同频点信号驱动下，实现双频谐振。
对称单极子天线3设置在PCB地板1的净空区的上方，包括馈线、低频对称分支和高频对称分支。低频对称分支和高频对称分支通过馈线连接PCB地板1的非净空区，在两个频段，通过低频对称分支和高频对称分支两个分支激励PCB地板1辐射形成两条谐振通路。也即，对称单极子天线3在和环路地辐射天线2的相同频段的信号驱动下，激励相同的PCB地板1形成谐振通路，在两个频点下实现另一双频谐振。
其中，环路地辐射天线和对称单极子天线在每个频段激励PCB地板生成的电流正交，环路地辐射天线2、对称单极子天线3和PCB地板1构成一高隔离度双频天线。换言之，环路地辐射天线2和对称单极子天线3各自激励PCB地板1形成双频谐振，且两个天线在各频谐振时的电流刚好相互正交，因而两个天线双频谐振的隔离度较高。
环路地辐射天线2和对称单极子天线3的具体结构可以根据需要进行设计或调整。保证环路地辐射天线2设置在PCB地板1的净空区表面上，激励地板1形成双频谐振，而对称单极子天线3设置在PCB地板1的净空区的上方，同时激励地板1形成双频谐振，且两天线的谐振电流正交即可。环路地辐射天线2和对称单极子天线3之间无直接接触。
在一个具体的实施例中，参看图2，环路地辐射天线可以包括：T型导带分支，包括构成横向部分的第一分支23和第二分支24、构成竖向部分的第三分支25，第一分支23和第二分支24向第三分支25的两侧延伸，且第一分支23的末端通过第一集总电容51连接到PCB地板1的非净空区上；第二分支24的末端通过第二集总电容52连接到PCB地板1的非净空区上；第四分支21，一端连接到第三分支25，另一端连接到PCB地板1的非净空区上，且与PCB地板1非净空区的连接处连接馈源4。其中，第四分支21、第三分支25、第一分支23、第一集总电容51与PCB地板1的非净空区构成第一谐振回路，第四分支21、第三分支25、第二分支24、第二集总电容52与PCB地板1的非净空区构成第二谐振回路。
第一分支23和第二分支24沿PCB地板1净空区的外侧边设置，且第一分支24和第二分支24的沿线都是净空区。第四分支21连接到第三分支25的左侧或右侧的PCB地板1的非净空区上。
进一步的，环路地辐射天线还包括有第五分支22。第五分支22的一端连接到第三分支25的末端，另一端通过第三集总电容53连接到PCB地板1的非净空区上；第四分支21、第五分支22、第三集总电容53与PCB地板1的非净空区构成匹配回路。
第五分支22与第四分支21的连接结构优选呈U型结构。第五分支22可沿第三分支25的延长线设置。
调节第一集总电容51以及第四分支21、第一分支23、第三分支25可以调谐频率，使其谐振于第一谐振频段。调节第二集总电容52以及第四分支21、第二分支24、第三分支25可以调谐频率，使其谐振于第二谐振频段。第四分支21、第五分支22、第三集总电容53构成匹配回路，调节第三集总电容53以及第四分支21、第五分支22，可以调节第一谐振频段和第二谐振频段的谐振深度。
对称单极子天线3的低频对称分支和高频对称分支可以位于馈线的同侧或异侧，馈线一端连接在低频对称分支的对称线和高频对称分支的对称线上、另一端连接PCB地板的非净空区。
所述低频对称分支包括两个开口相对的U型金属片，且两U型金属片的开口单侧相连，所述高频对称分支包括两个直金属片，且两直金属片的一端相连；
在一个实施例中，参看图1和图3，对称单极子天线3设于净空区上方，具体位于环路地辐射天线2的正上方，低频对称分支31和高频对称分支32设置在馈线33的同侧。低频对称分支31两个开口相对的U型金属片，且两U型金属片的开口单侧相连；高频对称分支32包括两个直金属片，且两直金属片的一端相连。低频对称分支31和高频对称分支32的对称线平行于环路地辐射天线的第三分支25。两U型金属片的开口单侧相连是指，两个U型金属片位置相对设置之后，两个开口的同一侧连接起来，另一侧不连。
在另一个实施例中，参看图12，对称单极子天线3b设于净空区上方，具体位于环路地辐射天线2的正上方，低频对称分支31b和高频对称分支32b设置在馈线33b的异侧。低频对称分支31b两个开口相对的U型金属片，且两U型金属片的开口单侧相连；高频对称分支32b包括两个直金属片，且两直金属片的一端相连。低频对称分支31b和高频对称分支32b的对称线平行于环路地辐射天线2的第三分支25。
在又一个实施例中，参看图13，对称单极子天线3c设于净空区上方，具体位于回路地辐射天线2的正上方，低频对称分支31c和高频对称分支32c设置在馈线33c的异侧。低频对称分支31c可包括两个直金属片，且两直金属片的一端相连，高频对称分支32c由两个开口相对的U型金属片，且两U型金属片的开口单侧相连。低频对称分支31c和高频对称分支32c的对称线平行于环路地辐射天线2的第三分支25。
在再一个实施例中，参看图14，对称单极子天线3a设于净空区上方，具体位于环路地辐射天线2的正上方，低频对称分支31a和高频对称分支32a设置在馈线33a的同侧。低频对称分支31a和高频对称分支32a均包括两个直金属片，且两直金属片的一端相连。低频对称分支31a和高频对称分支32a的对称线平行于环路地辐射天线2的第三分支25。
当然，还可以有更多的形状结构。低频对称分支和高频对称分支还可均两个开口相对的U型金属片，且两U型金属片的开口单侧相连。或者，前述实施例的低频对称分支和/或高频对称分支替换为由两个L型金属片的竖部自由端连接形成。
低频对称分支和高频对称分支在对称点的部位连接起来且连接到馈线上。低频对称分支和高频对称分支的对称两侧的形状大小均不作为限制，可以在前述实施例的基础上变化，例如可以将U型替换为V型等，只要保证低频对称分支的对称两侧等长、形状相同；高频对称分支的对称两侧等长、形状相同。
较佳的，对称单极子天线位于PCB地板的净空区的正上方。
优选的，PCB地板可以为单面覆铜介质板，且在净空区不覆铜。当然，PCB底板还可以为单面覆其他导电层的介质板，净空区不覆该其他导电层。
本发明实施例不限于双频天线，还可以形成单频或多天线。环路地辐射天线和对称单极子天线均减少或增加相应的分支，从而各自形成单频谐振或多频谐振。减少或增加相应的分支数量、结构及位置可以根据实际需要设计调整，具体不做限制。
根据本发明实施例设计一高隔离度双频天线。参看图4，环路地辐射天线回波损耗，以-4.5dB的回波损耗为参考点，低频带宽覆盖2300MHz到2500MHz，高频覆盖5120MHz到5860MHz。参看图5，对称单极子天线回波损耗，以-5dB的回波损耗为参考点，低频带宽覆盖2320MHz到2500MHz，高频覆盖5000MHz到5960MHz。参看图6，两个天线之间的隔离度，在低频2320MHz到2500MHz范围内，隔离度可达25dB以上，在高频5000MHz到5960MHz范围内，隔离度可达28dB以上。参看图7，两个天线的辐射效率，均具有较佳的辐射效率。图8-9为环路地辐射天线2.45GHz和5.5GHz频点地板上电流分布，图10-11为对称单极子天线2.45GHz和5.5GHz频点地板上电流分布，从图中可以看到，对于对称单极子天线而言，分支31和32上的电流是反向的，所以这两个分支是不会辐射电磁波的，他们的作用为激励地板辐射，同时我们看到在2.45GHz频点，环路地辐射天线和对称单极子天线激励的地板上的电流刚好是正交的，所以隔离度较好，同样在5.5GHz频点地板上电流也刚好正交，隔离度也会较好。
本发明还提供一种MIMO通信系统，包括前述实施例中任意一项所述的紧凑型激励地板正交辐射的高隔离度天线。
本发明实施例利用PCB地板上一小块净空加载环路地辐射天线，驱动PCB地板辐射实现双频覆盖，同时再采用对称单极子天线驱动PCB地板辐射，同样实现双频覆盖，这两种方式激励的地板辐射电流刚好正交，提高了这两个天线的隔离度，在无线终端空间受限的情况下，利用电流的正交性，在非常有限的空间内实现高隔离度双频覆盖，隔离度可以达25dB以上，可有效提高MIMO通信系统的通信容量。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (11)

1.一种紧凑型激励地板正交辐射的高隔离度天线，其特征在于，包括：
一PCB地板，在一边缘上具有净空区；
一环路地辐射天线，设置在所述PCB地板的净空区上，且与所述PCB地板的非净空区连接，所述环路地辐射天线的两个分支激励PCB地板辐射形成两条谐振回路；及
一对称单极子天线，设置在所述PCB地板的净空区的上方，包括馈线、低频对称分支和高频对称分支，所述低频对称分支和高频对称分支通过馈线连接所述PCB地板的非净空区，通过所述低频对称分支和高频对称分支两个分支激励PCB地板辐射形成两条谐振通路；
其中，所述环路地辐射天线和对称单极子天线在每个频段激励PCB地板生成的电流正交。
2.如权利要求1所述的紧凑型激励地板正交辐射的高隔离度天线，其特征在于，所述对称单极子天线的低频对称分支和高频对称分支位于所述馈线的同侧或异侧，馈线一端连接在低频对称分支的对称线和高频对称分支的对称线上、另一端连接所述PCB地板的非净空区。
3.如权利要求1所述的紧凑型激励地板正交辐射的高隔离度天线，其特征在于，所述低频对称分支的对称两侧等长、形状相同；高频对称分支的对称两侧等长、形状相同。
4.如权利要求3所述的紧凑型激励地板正交辐射的高隔离度天线，其特征在于，所述低频对称分支包括两个开口相对的U型金属片，且两U型金属片的开口单侧相连，所述高频对称分支包括两个直金属片，且两直金属片的一端相连；
或者，所述低频对称分支包括两个直金属片，且两直金属片的一端相连，所述高频对称分支包括两个开口相对的U型金属片，且两U型金属片的开口单侧相连；
或者，所述低频对称分支和所述高频对称分支均包括两个直金属片，且两直金属片的一端相连；
或者，所述低频对称分支和所述高频对称分支均包括两个开口相对的U型金属片，且两U型金属片的开口单侧相连。
5.如权利要求3所述的紧凑型激励地板正交辐射的高隔离度天线，其特征在于，所述低频对称分支和所述高频对称分支均由两个L型金属片的竖部自由端连接形成；
或者，
所述低频对称分支由两个L型金属片的竖部自由端连接形成；所述高频对称分支包括两个直金属片，且两直金属片的一端相连，或，所述高频对称分支包括两个开口相对的U型金属片，且两U型金属片的开口单侧相连；
或者，
所述高频对称分支由两个L型金属片的竖部自由端连接形成；所述低频对称分支包括两个直金属片，且两直金属片的一端相连，或，所述低频对称分支包括两个开口相对的U型金属片，且两U型金属片的开口单侧相连。
6.如权利要求1所述的紧凑型激励地板正交辐射的高隔离度天线，其特征在于，所述对称单极子天线位于所述PCB地板的净空区的正上方。
7.如权利要求1所述的紧凑型激励地板正交辐射的高隔离度天线，其特征在于，所述PCB地板为单面覆铜介质板，且在所述净空区不覆铜。
8.如权利要求1所述的紧凑型激励地板正交辐射的高隔离度天线，其特征在于，所述环路地辐射天线包括：
T型导带分支，包括构成横向部分的第一分支和第二分支、构成竖向部分的第三分支，所述第一分支和第二分支向所述第三分支的两侧延伸，且所述第一分支的末端通过第一集总电容连接到PCB地板的非净空区上；第二分支的末端通过第二集总电容连接到PCB地板的非净空区上；
第四分支，一端连接到第三分支，另一端连接到PCB地板的非净空区上，且与PCB地板非净空区的连接处连接馈源；
所述第四分支、第三分支、第一分支、第一集总电容与PCB地板的非净空区构成第一谐振回路，所述第四分支、第三分支、第二分支、第二集总电容与PCB地板的非净空区构成第二谐振回路。
9.如权利要求8所述的紧凑型激励地板正交辐射的高隔离度天线，其特征在于，所述环路地辐射天线还包括有第五分支，所述第五分支的一端连接到第三分支的末端，另一端通过第三集总电容连接到PCB地板的非净空区上；所述第四分支、第五分支、第三集总电容与PCB地板的非净空区构成匹配回路。
10.如权利要求1所述的紧凑型激励地板正交辐射的高隔离度天线，其特征在于，环路地辐射天线和对称单极子天线均减少或增加相应的分支，从而各自形成单频谐振或多频谐振。
11.一种MIMO通信系统，其特征在于，包括权利要求1-9中任意一项所述的紧凑型激励地板正交辐射的高隔离度天线。
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