多输入多输出天线系统和辐射吸收方法
【专利摘要】本发明提供了一种多输入多输出天线系统和辐射吸收方法。涉及移动通信【技术领域】；解决了降低SAR值的问题。该系统包括：耦合的MIMO天线与PCB板，该系统还包括一通过PCB板与所述MIMO天线耦合的金属辐射贴片，所述金属辐射片为二维电磁带隙结构，所述PCB板处于所述MIMO天线与所述金属辐射片之间，所述MIMO天线与所述PCB板、所述金属辐射贴片俯视重合；所述二维电磁带隙结构吸收所述MIMO天线发出的频率在所述二维电磁带隙结构带隙外的电磁波。本发明提供的技术方案适用于电子电气设备，实现了易实施的SAR值降低手段。
【专利说明】多输入多输出天线系统和辐射吸收方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及移动终端通信【技术领域】，尤其涉及一种用来降低移动终端多输入多输 出（MM0)天线的SAR值，在保证其正常通信效率的前提下降低对人体的辐射伤害的MM0天 线系统和辐射吸收方法。
【背景技术】
[0002] 目前，很多人都已经知道电磁辐射可以直接对人体的器官、细胞或者神经系统产 生危害，这是电磁场的生物电磁效应，为了表征电磁波与生物体相互作用后电磁波对人体 的作用程度，人们提出了比吸收率的概念-SAR(SpecificAbsorptionRate)，比吸收率 是指单位质量的生物体(包括人体)在单位时间内吸收的电磁辐射能量(瓦)，单位W/Kg。这 些电磁辐射不仅仅局限于大型电机设备，我们日常生活中的冰箱、电脑、PDA等均可作为辐 射源，尤其目前快速发展的移动通信终端，用户对信息传输的质量和速度要求越来越高，能 够有效实现这一目标的MM0技术应运而生，而承载着MM0多天线系统进行大容量信息传 输的移动终端也不可避免的带来了更多的电磁辐射弊端。MIM0系统的移动终端设备要求安 置多根天线，如何在满足相应的带宽、增益、隔离度等电性能指标的同时，不增加多天线系 统对人体的SAR值，这对天线设计提出了新的挑战。
[0003] 目前，通常用来降低天线系统SAR值的方法主要有：（1)在终端的内壳或外壳上 涂覆屏蔽材料，使终端发射电磁信号时，朝向人体的有害电磁波能够被屏蔽掉，以此来降低 SAR值，但这种方法导致屏蔽层在屏蔽有害电磁波的同时也降低了信号的传输效率，而且随 着时间的积累屏蔽层也会渐渐变薄失去屏蔽作用；（2)在天线与人体模型之间加入导体材 料，利用导体材料将射向人体的电磁波反射，使天线方向图由圆形变成心形方向图，进而降 低终端天线SAR值，但该反射板要根据不同的主机天线形状进行针对设计，成本较高；（3) 在靠近人体的一侧加入铁氧体材料等磁性材料能够有效降低天线SAR值，在目前降低SAR 值的方法中，该方法占主导地位，不过电磁波由低磁导率向高磁导率方向传播的特性，导致 有用信号也会被隔离，降低了通信效率；（4)还可以通过降低发射功率来减小SAR值，但发 射功率又与信号传输能量成正比，所以要找到协调点才能达到共赢，随机性比较大。
[0004] 而在移动终端要解决多天线SAR值降低的问题，就面临着面积小，体积薄，同时保 证辐射效率及通信质量等挑战，上文提到的已有的减小SAR值的方法都有利有弊，但缺乏 灵活性，难以适应目前快速发展的通信行业现状，亟待一种新的降低SAR值的方法来改变 现状。
【发明内容】
[0005] 本发明提供了一种MM0天线系统，解决了降低SAR值的问题。
[0006] 一种MM0天线系统，包括耦合的MM0天线与PCB板，该系统还包括一通过PCB板 与所述MM0天线耦合的金属辐射贴片，所述金属辐射片为二维电磁带隙结构，所述PCB板 处于所述MM0天线与所述金属辐射片之间，所述MM0天线与所述PCB板、所述金属辐射贴 片俯视重合；
[0007] 所述二维电磁带隙结构吸收所述MIM0天线发出的频率在所述二维电磁带隙结构 带隙外的电磁波。
[0008] 优选的，所述金属辐射贴片包含多个子贴片，该多个子贴片处于同一平面中，子贴 片间无连接。
[0009] 优选的，所述子贴片为花环型结构，所述花环型结构包括四个花型结构，四个花型 结构的中心分别处于一个正方型的四个顶点，花型结构间无连接；
[0010] 所述花型结构包括一正方型，该正方型结构的四角是圆形花瓣结构，所述花瓣结 构的圆心为所述正方型花蕊结构的顶点，所述正方型花蕊结构和圆形花瓣结构构成高阻电 路的电容；
[0011] 所述正方型花蕊结构的四边中点延伸出四个矩形结构，该矩形结构构成高阻电路 的电感；
[0012] 所述正方型花蕊结构和圆形花瓣结构构成高阻电路的电容与所述矩形结构构成 高阻电路的电感并联。
[0013] 优选的，所述MM0天线为弯折结构。
[0014] 优选的，所述金属辐射贴片的覆盖范围与所述MM0天线的弯折结构重合。
[0015] 优选的，所述PCB板外层还包括一层接地板，所述接地板上与所述MM0天线弯折 结构对应的部位镂空，所述金属辐射贴片置于所述接地板的镂空部。
[0016] 优选的，所述花瓣结构的直径的两倍不大于所述正方型花蕊结构的边长。
[0017] 本发明还提供了一种应用上述MM0天线系统的辐射吸收方法，包括：
[0018] 所述二维电磁带隙结构在能带结构中形成带隙；
[0019] 当电磁波通过所述能带结构时，若所述电磁波的频率在带隙外，则所述能带结构 过滤所述电磁波。
[0020] 优选的，该方法还包括：
[0021] 当所述电磁婆的频率在所述带隙内时，所述能带结构对所述电磁波进行全发射。
[0022] 优选的，该方法还包括：
[0023] 通过调整所述正方型花蕊结构的边长调整电容值；
[0024] 通过调整所述正方型花蕊结构的四边中点延伸出四个矩形结构延伸出的长度调 整电感。
[0025] 本发明提供了一种MM0天线系统和辐射吸收方法，该MM0天线系统包括耦合的 多输入多输出（MM0)天线与PCB板，其特征在于，该系统还包括一通过PCB板与所述MM0 天线耦合的金属辐射贴片，所述金属辐射片为二维电磁带隙结构，所述PCB板处于所述 MM0天线与所述金属辐射片之间，所述MM0天线与所述PCB板、所述金属辐射贴片俯视重 合，所述二维电磁带隙结构吸收所述MIM0天线发出的频率在所述二维电磁带隙结构带隙 外的电磁波，在MM0天线谐振频率附近，金属辐射贴片提供的并联的LC等效电路的阻抗无 穷大，形成表面波的频率带隙，从而阻止能量向人体的传播，解决了降低SAR值的问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0026] 图1是本发明举例涉及到的LTE终端MM0天线示意图；
[0027] 图2是本发明提到加入电磁带隙结构后整体反面示意图；
[0028] 图3是本发明中电磁带隙单元结构示意图；
[0029] 图4是本发明未加入电磁带隙结构时MM0的天线性能参数示意图；
[0030] 图5是本发明加入电磁带隙结构时MIM0的天线性能参数示意图。
【具体实施方式】
[0031]目前，通常用来降低天线系统SAR值的方法主要有：（1)在终端的内壳或外壳上 涂覆屏蔽材料，使终端发射电磁信号时，朝向人体的有害电磁波能够被屏蔽掉，以此来降低 SAR值，但这种方法导致屏蔽层在屏蔽有害电磁波的同时也降低了信号的传输效率，而且随 着时间的积累屏蔽层也会渐渐变薄失去屏蔽作用；（2)在天线与人体模型之间加入导体材 料，利用导体材料将射向人体的电磁波反射，使天线方向图由圆形变成心形方向图，进而降 低终端天线SAR值，但该反射板要根据不同的主机天线形状进行针对设计，成本较高；（3) 在靠近人体的一侧加入铁氧体材料等磁性材料能够有效降低天线SAR值，在目前降低SAR 值的方法中，该方法占主导地位，不过电磁波由低磁导率向高磁导率方向传播的特性，导致 有用信号也会被隔离，降低了通信效率；（4)还可以通过降低发射功率来减小SAR值，但发 射功率又与信号传输能量成正比，所以要找到协调点才能达到共赢，随机性比较大。
[0032] 而在移动终端要解决多天线SAR值降低的问题，就面临着面积小，体积薄，同时保 证辐射效率及通信质量等挑战，上文提到的已有的减小SAR值的方法都有利有弊，但缺乏 灵活性，难以适应目前快速发展的通信行业现状，亟待一种新的降低SAR值的方法来改变 现状。
[0033] 为了解决上述问题，本发明的实施例提供了一种MM0天线系统。下文中将结合附 图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例 及实施例中的特征可以相互任意组合。
[0034] 下面结合附图对本发明提供的一种降低终端MM0天线SAR值的MM0天线系统进 行说明。
[0035] 本发明实施例的技术方案提供了一种能够降低终端天线SAR值的新型结构，在原 有天线的基础上加入一种电磁带隙结构（EBG，ElectromagneticBandGap)。EBG是从光 子带隙结构发展而来的一种周期性结构，本质上为不同介质、金属辐射贴片等混合体单元 按周期进行的阵列布置，具有一定的禁带特性，能够在一定程度上控制电磁波的传播。EBG 具有禁带特性的原理是：当电磁波在周期性的电介质中传播时，通过调制，能够形成能带结 构，而此时带隙会出现在能带结构之间。一定频率的电磁波如果其频率在带隙内的话，带隙 内部没有任何态，这样所有方向的电磁波都能够发生全发射。由于此特性的存在，EBG结构 便可以应用于微带天线中，设计在天线单元与人体之间作为高阻电路来抑制基底的表面波 以及高次谐波，降低天线单元向人体辐射的电磁能量，从而降低人体吸收的SAR值。
[0036] 电磁带隙结构用于微波设计中可提高天线辐射效率和降低天线高度，降低微波电 路中的谐波来提高天线的方向性，对天线的背向辐射有一定的抵制。目前电磁带隙结构在 天线中的应用主要关注于其对天线方向图、副瓣电平、散射界面、隔离度等天线参数的影 响，目前电磁带隙结构应用在天线设计中一般以矩形缝隙阵列或者矩形带隙阵列为主，本 发明实施例利用EBG的带阻特性，将其应用在降低隔离度的设计中，将其设计为"花环"型 结构，运用SEMCAD专业生物电磁学仿真软件进行模拟计算，由数据分析可以看出电磁带隙 结构的加入对SAR值的降低起到了明显的作用。
[0037] 本发明实施例提供的MIM0天线系统结构如下：
[0038]由于电磁带隙的作用即滤波器，故相对各种不同的移动终端工作频段，只要采用 同频带隙结构，即可利用其滤波的性质，尽可能大的排除其他频段的杂波影响。早期的EBG 结构一般设计为三维结构，但由于加工的难度，目前更倾向于二维EBG的研究，本发明实 施例使用二维电磁带隙结构，具体为二维"花环形"结构，作为金属辐射片安放在PCB板与 MIM0天线相对应的位置，花环型结构由多个花型结构构成。花型结构以边长为b的正方形 结构作为"花蕊"，四角是半径为r0的圆形"花瓣""花瓣"结构的圆心为正方型结构的顶点， 等效为高阻电路的电容C，正方形的四边中点伸出四个长为sl，宽为s的矩形结构，等效为 高阻电路的电感L，二维电磁带隙结构便是由两个相连的"花环型"结构构成的。在MIM0天 线谐振频率附近，花环型结构构成的并联的LC等效电路的阻抗无穷大，形成表面波的频率 带隙，从而阻止能量向人体的传播。
[0039] 如图1所示，由于第一个商用MM0系统出现在WLAN中，但现在其应用热点已经扩 展到了包括WiMAX和LTE在内的无线通讯领域，所以本发明实施例中以MM0天线用于LTE 移动终端(商用工作频率在2. 6GHz)为例进行说明。需要说明的是，本发明实施例所提供的 技术方案适用于一切应用MIM0天线的场合，本发明实施例仅以LTE移动终端为例，实际应 用范围并不限于此。本发明实施例中的MM0天线设计成弯折结构，具有效减小天线之间的 耦合，缩小天线尺寸等优点，在天线左上和右上两个角掏空接地板同样能够减小耦合，这样 地板就成了倒〃T〃形结构，接地板的不完整性已成为天线设计的主流。介质板采用FR-4,介 电常数为4. 4,厚度0? 51mm，尺寸为46mm*34mm。
[0040] 如图2所示，为加入二维电磁带隙结构的整体反面俯视图。该二维电磁带隙结构 以金属辐射贴片的形式出现，并未产生附加的厚度增加，将其放置在挖空的接地板处隔着 PCB板与MM0天线耦合，等效于LC高阻电路起禁带的作用，由于尺寸限制，这里主要放置 了 8个花形结构，每个MM0天线单元分得4个构成一个花环型结构，且紧凑相连，符合二维 电磁带隙结构的经典连接形式。根据已有的终端结构，与MM0单个天线单元弯折部分对 应的接地板被掏空，尺寸为21. 5mm(长）*17mm(宽)，最终选取的各个参数值如下：
【权利要求】
1. 一种多输入多输出天线系统，包括禪合的多输入多输出（MIMO)天线与PCB板，其特 征在于，该系统还包括一通过PCB板与所述MIM0天线禪合的金属福射贴片，所述金属福射 片为二维电磁带隙结构，所述PCB板处于所述MIM0天线与所述金属福射片之间，所述MIM0 天线与所述PCB板、所述金属福射贴片俯视重合； 所述二维电磁带隙结构吸收所述MIM0天线发出的频率在所述二维电磁带隙结构带隙 外的电磁波。
2. 根据权利要求1所述的多输入多输出天线系统，其特征在于，所述金属福射贴片包 含多个子贴片，该多个子贴片处于同一平面中，子贴片间无连接。
3. 根据权利要求2所述的多输入多输出天线系统，其特征在于，所述子贴片为花环型 结构，所述花环型结构包括四个花型结构，四个花型结构的中也分别处于一个正方型的四 个顶点，花型结构间无连接； 所述花型结构包括一正方型，该正方型结构的四角是圆形花瓣结构，所述花瓣结构的 圆也为所述正方型花蕊结构的顶点，所述正方型花蕊结构和圆形花瓣结构构成高阻电路的 电容； 所述正方型花蕊结构的四边中点延伸出四个矩形结构，该矩形结构构成高阻电路的电 感； 所述正方型花蕊结构和圆形花瓣结构构成高阻电路的电容与所述矩形结构构成高阻 电路的电感并联。
4. 根据权利要求3所述的多输入多输出天线系统，其特征在于，所述MIM0天线为弯折 结构。
5. 根据权利要求4所述的多输入多输出天线系统，其特征在于，所述金属福射贴片的 覆盖范围与所述MIM0天线的弯折结构重合。
6. 根据权利要求4所述的多输入多输出天线系统，其特征在于，所述PCB板外层还包括 一层接地板，所述接地板上与所述MIM0天线弯折结构对应的部位缕空，所述金属福射贴片 置于所述接地板的缕空部。
7. 根据权利要求3所述的多输入多输出天线系统，其特征在于，所述花瓣结构的直径 的两倍不大于所述正方型花蕊结构的边长。
8. -种应用权利要求1至7所述的多输入多输出天线系统的福射吸收方法，其特征在 于，包括： 所述二维电磁带隙结构在能带结构中形成带隙； 当电磁波通过所述能带结构时，若所述电磁波的频率在带隙外，则所述能带结构过滤 所述电磁波。
9. 根据权利要求8所述的福射吸收方法，其特征在于，该方法还包括： 当所述电磁婆的频率在所述带隙内时，所述能带结构对所述电磁波进行全发射。
10. 根据权利要求8所述的福射吸收方法，其特征在于，该方法还包括： 通过调整所述正方型花蕊结构的边长调整电容值； 通过调整所述正方型花蕊结构的四边中点延伸出四个矩形结构延伸出的长度调整电 感。
【文档编号】H01Q1/50GK104347939SQ201310337485
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2013年8月5日 优先权日:2013年8月5日
【发明者】禹忠 申请人:中兴通讯股份有限公司