专利名称：一种多输入多输出天线系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种MIMO (Multiple Input MultipleOutput，多输入多输出)天线系统。
背景技术：
随着无线通信技术的快速发展，频率资源的严重不足日益成为遏制无线通信事业 发展的瓶颈。无线通信正朝着大容量、高传输率和高可靠性方向发展，这使得针对有限的频 谱资源，如何最大限度的提高频谱利用率，成为当前研究的一个热门课题。随着LTE(Long Term Evolution，长期演进)产业的推进，目前4G所必需的MIMO天线系统对终端天线的设 计与评估又提出了新的挑战一方面用户要求小型化高质量的用户体验，另一方面MIMO天 线系统要求各个天线具有平衡的射频和电磁性能的同时，具有高隔离度和低相关性系数。 多方面的矛盾在LTE终端天线的设计和系统方案阶段已经凸显。总结过去二十多年人们在 无线通信技术方面的研究成果，无论是采用常规发射分集或者接收分集，还是智能天线技 术，都不足以满足现今对大信道容量和高质量通信的需求，提高频谱效率或者增加通信容 量所采用的最重要的技术就是多天线高隔离度技术。MIMO技术是无线移动通信领域的重大突破，是一种多天线技术，即在无线通信系 统的接收端和发射端都配备有多个天线，创造出多个并行空间信道，多个信息流经过多个 信道在同一频带同时传输，可以成倍的增加系统容量，提高频谱的利用效率。MIMO系统的核 心思想是空时信号处理，即在原来时间维的基础上，通过使用多副天线来增加空间维，从而 实现多维信号处理，获得空间复用增益或空间分集增益。MIMO技术作为提高数据传输率的 重要手段得到人们的极大的关注，被认为是未来新一代移动通信系统(4G)的备选关键技 术之一。因此，近几年受到了广泛的研究与关注。然而，迄今为止，MIMO技术在蜂窝移动通信系统中还很少进行商业实现，在3G中 的应用也受到一些因素的限制。一个重要的因素就是天线问题。天线作为MIMO无线通信 系统中的接收和发射装置，其电气性能及阵列配置是影响MIMO系统性能的重要因素。阵列 单元的数目、阵列结构、阵列放置的方式、天线单元的设计等因素直接影响MIMO信道的空 间相关性。MIMO系统要求阵列中各天线单元具有较小的相关性，这样才能保证MIMO信道响 应矩阵接近满秩。但是由于受到接收机或发射机尺寸及结构的限制，往往要在有限的空间 尽可能多的布置天线单元，这就使得天线的小型化和多个天线之间的耦合问题成为迫切需 要解决的问题之一。目前关于减小天线间耦合有多种方法，如增大天线间距；引入 EBG(Electromagnetic Band Gap，磁场带隙)结构；地板刻槽。而增大天线间距在实际应用 中往往受到天线安装体积的限制；引入EBG结构及地板刻槽都需要较大的地板，同样不利 于天线的小型化。
发明内容
本发明要解决的技术问题就是克服上述已有的低耦合的多天线体积大的缺点，提 出一种可用于MIMO系统的新型的紧密排列、低耦合的小型化天线系统。为了解决上述问题，本发明提供一种多输入多输出天线系统，包括第一辐射单元、 第二辐射单元、辐射地板、介质板和寄生元，所述第一辐射单元、第二辐射单元和寄生元印 制在所述介质板的上表面，所述辐射地板印制在所述介质板的下表面；所述第一辐射单元 和第二辐射单元为平面型的单极子天线，所述寄生元位于所述第一辐射单元和第二辐射单 元之间。优选地，上述天线系统还包括匹配网络，所述匹配网络包括第一匹配电路和/或 第二匹配电路，所述第一匹配电路与第一辐射单元连接，所述第二匹配电路与第二辐射单 元连接，所述第一匹配电路和第二匹配电路均由一个或多个集总元件组成。优选地，上述天线系统具体以下特点所述第一匹配电路包括电感L1，所述电感L1的一端与第一辐射单元连接，另一端 为馈电点； 所述第二匹配电路包括依次连接的电容C、电感L2和电感L3,其中，电容的一端连 接第二辐射单元，另一端连接电感L2,电感L3 —端与电感L2连接，且该端为馈电点，另一端 接地。优选地，上述天线系统具体以下特点所述第一辐射单元和第二辐射单元分布在所述介质板上表面的对角线位置，均由 曲折的微带线组成。优选地，上述天线系统具体以下特点所述辐射地板为含切角的矩形，由印制在所述介质板下表面中间位置的铜箔制成。优选地，上述天线系统具体以下特点所述寄生元为矩形，由印制在所述介质板上表面的微带线组成。优选地，上述天线系统具体以下特点所述介质板为介电常数为4. 4的FR-4矩形介质板。本发明与现有技术相比具有如下优点1、天线单元(辐射单元)采用曲折形结构，实现了天线的小型化；2、天线排列方式为对角放置在介质板同侧，保证天线两端口具有较高隔离度的同 时保持良好的辐射性能；3、引入寄生元作为去耦单元，不仅有效地解决了天线单元之间的耦合问题，并且 使得远离所述寄生元的那一辐射单元在所要求的频段具有较宽的带宽，同时在该频段除中 心频率点外的其他频点处耦合同样较小；4、采用含切角结构的辐射地板，实现了在有限空间内采用集总元件完成匹配。理论计算结果表明，上述诸项技术使得该发明可以广泛使用于各类MIMO系统。
图1为本发明实施例的MIMO天线系统的俯视图；图2为本发明实施例的MIMO天线系统的仰视图3为本发明实施例的MIMO天线系统的第一辐射单元和第一匹配电路的结构示 意图；图4为本发明实施例的MIMO天线系统的第二辐射单元和第二匹配电路的结构示 意图；图5为本发明实施例的MIMO天线系统的寄生元结构图；图6为本发明实施例的MIMO天线系统的辐射地板的结构图；图7为本发明实施例的MIMO天线系统的第一辐射单元的工作频率-电压驻波比 曲线图；图8为本发明实施例的MIMO天线系统的第二辐射单元的工作频率-电压驻波比 曲线图；图9为本发明实施例的MIMO天线系统的两个辐射单元间的隔离度曲线图；图10为本发明实施例的MIMO天线系统的远场增益方向图，其中(a)为χ-y面远 场方向图，(b)为x-z面远场方向图，(c)为y_z面远场方向图。
具体实施例方式多天线系统中，单个天线激励时产生辐射，由于天线单元之间间距小，相邻天线单 元之间相互作用而产生散射，因此天线间的隔离度低。本发明一改传统的增加多天线系统 中隔离度的方法，采用在相邻天线间放置一寄生元作为反射单元来降低两者间的耦合。单极子天线结构广泛应用于各种通讯天线设计中，本发明采用曲折结构的单极子 天线来实现MIMO天线的小型化。天线的负载阻抗影响着天线端口的驻波，因此在多天线系 统中增加去耦单元后，需要对天线进行阻抗匹配。本发明采用集总元件对天线进行匹配，相 比传统的微带线匹配，更有利于多天线系统的小型化，同时，地板的形状也影响着天线单元 的匹配。因此，本发明通过集总元件和地板共同作用来实现天线的匹配。根据上述原理本发明采用单极子作为多天线系统的辐射单元，引入寄生元结构提 高相邻天线单元间的隔离度，阻抗匹配采用集总元件来实现。如图1和图2所示，本发明实施例的MIMO天线系统，包括第一辐射单元1、第二辐 射单元2、辐射地板9、介质板4和寄生元3，所述第一辐射单元1、第二辐射单元2和寄生元 3印制在所述介质板4的上表面，所述辐射地板9印制在所述介质板的下表面；所述第一辐 射单元1和第二辐射单元2为平面型的单极子天线，所述寄生元3位于所述第一辐射单元 1和第二辐射单元2之间。其中，优选地，第一辐射单元1和第二辐射2单元分布在所述介质板4上表面的对 角线位置，均由曲折的微带线组成。可选地，本发明中的天线系统匹配网络，所述匹配网络包括第一匹配电路和第二 匹配电路，或者，也可以只包括其中一个匹配电路。所述第一匹配电路与第一辐射单元连 接，所述第二匹配电路与第二辐射单元连接，所述第一匹配电路和第二匹配电路均由一个 或多个集总元件组成，以实现负载匹配。如图1中，第一匹配电路包括集总元件5，第二匹配 电路包括集总元件6、7、8。如图3所示，第一辐射单元1由印制在介质板上表面的曲折微带线组成，采用集总 元件6 (即电感L1)进行阻抗匹配。电感L1的一端与第一辐射单元1连接，另一端为馈电点。如图4所示，第二辐射单元2由印制在介质板上表面的曲折微带线组成，采用集总 元件6 (即电容C)、7 (电感L2)及8 (电感L3)进行阻抗匹配。其中，电容的一端连接第二辐 射单元，另一端连接电感L2,电感L3 —端与电感L2连接，且该端为馈电点，另一端接地。如图5所示，寄生元3为矩形，由印制在所述介质板4上表面的微带线组成。如图6所示，所述辐射地板9为含切角的矩形，由印制在所述介质板4下表面中间 位置的铜箔制成。介质板4为矩形，通常为介电常数为4.4的FR-4介质板，其尺寸可以为 60mm X 20mm X0. 8mm。本发明中，两个辐射单元采用空间分集方式来减小相关性，单元之间的相对位置 保证了本发明天线系统的性能。由上述描述可看出，本发明具有以下几个特点第一，在本发明中，多天线系统由两个天线组成，且总尺寸为60mmX20mmX0.8mm， 符合ΜΙΜΟ系统对天线小型化的要求。第二，在本发明中，两个天线之间的相关性较小，符合MIMO的使用要求。
第三，在本发明中，两个平面型单极子天线印制在介质板上，制作成本低。根据上述结构，本发明设计给出一个用于MIMO系统的由两个天线组成的多天线 系统的具体应用示例如下辐射单元1为平面型单极子天线，印制在厚度为0. 8mm、相对介电常数为4. 4、尺寸 为LsXWs = 60_Χ20_的矩形介质板上的微带线，其尺寸为LXW= 19謹X 7謹，d= 1. 5謹， H = 9. 5謹，采用一电感L1 = 3. 3nH进行阻抗匹配。辐射单元2为平面型单极子天线，尺寸与辐射单元一相同，为印制在厚度为 0. 8mm、相对介电常数为4. 4、尺寸为LsXWs = 60mmX20mm的矩形介质板上的微带线，采用 电容C = IpF,电感L2 = 4. 3nH，L3 = 1. 6nH进行阻抗匹配。寄生元金属片3，是印制在厚度为0. 8mm、相对介电常数为4. 4、尺寸为LsXWs = 60mm X 20mm的矩形介质板上的微带线，其尺寸为LpXWp = 38mm X Imm辐射地板9是印制在厚度为0.8mm、相对介电常数为4. 4、尺寸为LsXWs = 60mmX20mm的矩形介质板上的铜箔，总尺寸为LgXWg = 20mmX20mm，其中矩形切角尺寸为 LcXffc = 4mmX6mm。本发明实施例中的匹配网络采用集总元件，具体采用何种元件以及元件阻值的选 择，根据实际阻抗情况确定。本发明实施例中的两个单极子天线可以用其他形状的单极子天线来替换。本发明实施例中的两个天线均是工作在2. 4GHz频段，改变单极子天线的尺寸可 以改变工作频率。本发明的优点可通过以下仿真以及测试进一步说明1、仿真测试内容利用仿真软件对上述实施例天线的电压驻波比、隔离度以及远场辐射方向图进行 仿真计算，进而制作实物进行测量。2、仿真测试结果
图7为第一辐射单元的工作频率_电压驻波比，图8为第二辐射单元的工作频 率_电压驻波比。从图7和图8可以看出，在工作频带2. 3GHz-2. 5GHz范围内反射损失较 小，特别是较好地覆盖了 2. 4GHz的工作频带。图9为两个辐射单元间的隔离度。从图9可以看出，本发明天线系统中辐射单元 间的耦合在工作频段得到有效抑制。图10为多天线的远场增益方向图，其中(a)为x_y面远场方向图，(b)为x-z面 远场方向图，(c)为y-z面远场方向图。由图10可以看出，本发明的天线系统具有很好的 全向性。本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令 相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘 等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现，相应 地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的 形式实现。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技 术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种多输入多输出天线系统，其特征在于，包括第一辐射单元、第二辐射单元、辐射 地板、介质板和寄生元，所述第一辐射单元、第二辐射单元和寄生元印制在所述介质板的上 表面，所述辐射地板印制在所述介质板的下表面；所述第一辐射单元和第二辐射单元为平 面型的单极子天线，所述寄生元位于所述第一辐射单元和第二辐射单元之间。
2.如权利要求1所述的天线系统，其特征在于，还包括匹配网络，所述匹配网络包括第 一匹配电路和/或第二匹配电路，所述第一匹配电路与第一辐射单元连接，所述第二匹配 电路与第二辐射单元连接，所述第一匹配电路和第二匹配电路均由一个或多个集总元件组 成。
3.如权利要求2所述的天线系统，其特征在于，所述第一匹配电路包括电感L1,所述电感L1的一端与第一辐射单元连接，另一端为馈 电点；所述第二匹配电路包括依次连接的电容C、电感L2和电感L3，其中，电容的一端连接第 二辐射单元，另一端连接电感L2，电感L3—端与电感L2连接，且该端为馈电点，另一端接地。
4.如权利要求1 3中任意一项所述的天线系统，其特征在于，所述第一辐射单元和第二辐射单元分布在所述介质板上表面的对角线位置，均由曲折 的微带线组成。
5.如权利要求1 3中任意一项所述的天线系统，其特征在于，所述辐射地板为含切角的矩形，由印制在所述介质板下表面中间位置的铜箔制成。
6.如权利要求1 3中任意一项所述的天线系统，其特征在于，所述寄生元为矩形，由印制在所述介质板上表面的微带线组成。
7.如权利要求1 3中任意一项所述的天线系统，其特征在于，所述介质板为介电常数为4. 4的FR-4矩形介质板。
全文摘要
本发明公开一种多输入多输出天线系统，包括第一辐射单元、第二辐射单元、辐射地板、介质板和寄生元，所述第一辐射单元、第二辐射单元和寄生元印制在所述介质板的上表面，所述辐射地板印制在所述介质板的下表面；所述第一辐射单元和第二辐射单元为平面型的单极子天线，所述寄生元位于所述第一辐射单元和第二辐射单元之间。本发明可实现天线的小型化，且保证天线两端口具有较高隔离度的同时保持良好的辐射性能。
文档编号H01Q1/48GK102104193SQ20101056943
公开日2011年6月22日 申请日期2010年12月1日 优先权日2010年12月1日
发明者张璐, 江晖, 艾浩 申请人:中兴通讯股份有限公司