用于用户终端的信号收发装置、用户终端的制作方法

本实用新型涉及移动终端技术领域，尤其涉及一种用于用户终端的信号收发装置、用户终端。

背景技术：

分集接收技术在不增加带宽的情况下可以大大提高信道的容量，突破了传统的单输入单输出(SISO：Single Input Single Output)信道容量的瓶颈，因此分集接收技术被广泛使用在现代4G移动通讯系统中。分集接收技术利用多天线特性来对抗信道衰落，从而有效地克服多径衰落、干扰等影响通信质量的主要因素，提高信号的链路性能；并在不拓宽信号带宽的情况下，能够成倍提高通信系统的容量和频谱利用率。

相控阵天线通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位来改变方向图形状的天线。控制相位可以改变天线方向图最大值的指向，以达到波束扫描的目的。目前相控阵天线主要运用于雷达、基站等大型设备中，特别在5G移动通讯系统中，基站天线系统采用相控阵天线体制，使得波数在垂直和水平两个方向交叉极化，以实现更高的用户密度和增加系统用户容量。但是，目前相控阵天线技术还未在移动终端使用，若将相控阵天线技术运用于手机中作为发射，结合当前的分集接收技术，可以使得众多用户使用手机时在同一地点同一时间同时接收发射信号不受干扰。

由于相控阵天线技术需要集成多个天线，属于多输入多输出天线系统，天线间隔离度是重要指标。对于移动终端这样的小型终端，受尺寸的限制，终端内部部署多个天线，会导致天线间距很近，共地电流和空间耦合使得天线间相互关联加强，天线之间的隔离度较低，大大降低了多输入多输出系统的性能，这使得相控阵天线技术很难在移动通信系统中的大规模应用。

对于多天线耦合的问题，目前常用的去耦方式有：1解耦网络，这种方法会造成原天线阵列失配，需另外增加匹配网络，因此这种方法增加了天线设计难度和加工成本，且只适用于窄带单频段天线，并不适用于手机所需的多频段或者宽带天线；2地板开槽，这种方法延长了地板电流路径来抑制天线间耦合，闭合槽一般为二分之一波长，开口槽一般为四分之一波长，在高度集成的用户终端中并不适用于这种结构；3接地面T型结构，此方法与上述地板开槽方法类似；4利用天线极化提高天线间的隔离度，而用户终端天线并非是单一的极化方式，因此并不适用与用户终端多天线系统；5中和线，两个相同工作频率的天线在适当的位置通过中和线连接，通过中和线向未加激励天线单元加激励天线单元电流，同时天线单元电流通过接地板流向天线单元，若这两部分电流相位相反反而会达到相互抑制的作用，上述方法都无法很好地解决多天线耦合的问题。

因此，如何将相控阵天线技术应用到移动终端是亟待解决的问题。

技术实现要素：

本实用新型提供了用于用户终端的信号收发装置、用户终端的实施例，其中，所述用户终端的信号收发装置集成了多个天线，并且各个天线之间的隔离度大于预设值。

为解决上述问题，本实用新型提出一种用于用户终端的信号收发装置，包括：至少一分集天线阵列，所述分集天线阵列包括：沿第一方向和第二方向排列的多个双工天线，所述第一方向上排列的相邻所述双工天线的间距大于第二方向上排列的相邻所述双工天线的间距，相邻所述双工天线之间的隔离度大于一预设值；以及连接至所述至少一分集天线阵列的至少一无线电装置，所述至少一无线电装置被配置为以一特定馈电幅值和一特定相位激励对应的至少一所述双工天线。

可选的，所述至少一无线电装置还被配置为计算所述至少一所述分集天线阵列在扫描方向上具有最大传输功率时的各双工天线对应的特定馈电幅值和特定相位。

可选的，所述第一方向和所述第二方向相互垂直，且所述双工天线在所述第一方向上的辐射增益大于在所述第二方向上的辐射增益。

可选的，所述双工天线设置于一接地面板边缘。

可选的，所述预设值为12dB。

可选的，所述分集天线阵列在均匀3D信道模型和LTE-A信道模型的包络相关系数小于0.3。

可选的，所述多个双工天线在所述第一方向和所述第二方向上分别呈对称分布。

为解决上述问题，本实用新型还提供一种用户终端，包括：至少一分集天线阵列，所述分集天线阵列包括：沿第一方向和第二方向排列的多个双工天线，所述第一方向上排列的相邻所述双工天线的间距大于所述第二方向上排列的相邻所述双工天线的间距，且相邻所述双工天线之间的隔离度大于一预设值；连接至所述至少一分集天线阵列的至少一无线电装置；以及连接至所述至少一无线电装置的至少一处理器，其中所述至少一所述处理器和所述至少一无线电装置被配置为执行语音和/或数据通信，以及所述至少一无线电装置还被配置为以一特定馈电幅值和一特定相位激励对应的至少一所述双工天线。

可选的，所述至少一无线电装置还被配置为计算所述至少一分集天线阵列在扫描方向上具有最大传输功率时各个双工天线对应的特定馈电幅值和特定相位。

可选的，所述第一方向和所述第二方向相互垂直，且所述双工天线在所述第一方向上的辐射增益大于在所述第二方向上的辐射增益。

可选的，所述双工天线设置于一接地面板边缘。

可选的，所述预设值为12dB。

可选的，所述至少一分集天线阵列在均匀3D信道模型和LTE-A信道模型的包络相关系数小于0.3。

可选的，所述多个双工天线在所述第一方向和所述第二方向上呈对称分布。

本实用新型的信号收发装置包括分集天线阵列，包括多个双工天线，还包括无线电装置，配置为以特定馈电幅值和特定相位激励对应的一或多个双工天线，从而优化信号收发装置的发射与接收效率，提高发射和接收方向的可控性。

本实用新型的用户终端，具有更高的信号发射与接收效率，提高发射和接收方向的可控性，具备多个双工天线，可以提高待机时间。

附图说明

图1为本实用新型一具体实施方式的无线通信系统的示意图；

图2为本实用新型一具体实施方式的用于用户终端的信号收发装置的结构示意图；

图3为本实用新型一具体实施方式的分集天线阵列的结构示意图；

图4为本实用新型一具体实施方式采用的双工天线的结构示意图；

图5为本实用新型一具体实施方式的采用的双工天线的两种配置方式的示意图；

图6为本实用新型一具体实施方式的采用的双工天线的两种配置方式在XOY面仿真方向图；

图7为本实用新型一具体实施方式的分集天线阵列的天线配置方式示意图；

图8为本实用新型一具体实施方式的分集天线阵列内的各个双工天线之间的隔离度曲线图；

图9为本实用新型一具体实施方式的用户终端的结构示意图；

图10为本实用新型一具体实施方式的信号传输方法的流程示意图；

图11为本实用新型一具体实施方式的多对一的微波网络的示意图；

图12a～图12d为本实用新型一具体实施方式的分集天线阵列在所需方向的方向图偏置效果示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型提供的用于用户终端的信号收发装置、用户终端和信号传输方法的具体实施方式做详细说明。

应理解，本实用新型可在多种应用中被使用。虽然本实用新型在此方面中不受限制，但本文公开的结构和技术可在例如无线电系统的许多设备中使用。仅作为示例，旨在包括在本实用新型的范畴内的用户终端包括手机、移动电话、平板电脑及诸如此类。

相控阵天线通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位来改变方向图形状的天线。控制相位可以改变天线方向图最大值的指向，以达到波束扫描的目的。通过波束扫描，实现发射和接收方向精确控制，从而可以减小其他发射和接收信号的干扰，增加频谱资源的利用率。如何将多个天线集成于用户终端种，实现相控阵技术应用，对天线阵列的设计成为重要的部分。在不牺牲信道容量的情况下，将相对大量的天线安装进相对较小的区域是一种设计上的挑战。此外，期望将天线保持在与处理逻辑器件紧密相邻处，以便于通往天线阵列的电缆分布和来自天线阵列的电缆分布。因为最终产品的面积较小，由此，一般来说，期望阵列单元之间具有高隔离性，这种高隔离性能够降低空间相关并能够增加信道容量。在设计更高阶的天线阵列时，还要考虑若干其它参数，诸如：泄漏、返回损耗、辐射图、效率、方向性和机械设计等等。

图1示出了包括用户终端、基站在内的无线通信系统100。为了简单起见，在图1中仅示出了一用户终端110。基站通常指的是与用户终端进行通信的固定站，还可以称作节点、接入点或其他术语。图1中示出了多个基站，包括基站120a、120b、120c以及120d。用户终端110可以是固定的，也可以是移动的，其还可以称作移动站、无线设备、手持终端、移动终端以及其他术语中的一种或几种。

用户终端110具有蜂窝通信能力，可以是移动电话、手持设备、媒体播放器、计算机、平板电脑或者其他任何类型的无线设备。用户终端110可以与基站进行通信，在这种情况下，用户终端110可以选择与基站120a、120b、120c以及120d中的任一基站进行通信，用户终端110具备自选基站能力，可以根据基站误码率挑选误码率低的基站和信道进行通信。用户终端110还可以采用对等的方式与另一用户终端进行通信。

上述无线通信系统100为多输入多输出(MIMO)系统，该系统可以是时分双工(TDD)系统，也可以是频分双工(FDD)系统。对于时分双工(TDD)系统而言，下行链路和上行链路共享相同的频带。对于频分双工(FDD)系统而言，下行链路和上行链路使用不同的频带。下行链路是从基站到用户终端的通信链路，上行链路是从用户终端到基站的通信链路。多输入多输出(MIMO)系统还使用单载波或多载波来进行数据传输。

图2示出了用于用户终端110的信号收发装置200的结构示意图。信号收发装置200包括分集天线阵列210以及无线电装置220。

分集天线阵列210包括多个沿第一方向和第二方向排列的多个双工天线，以构成相控阵天线阵列，天线数量越多，信号增益越强。多个双工天线可以分别具有相同的极化方向，也可以分别具有不同的极化方向。相邻双工天线之间需要具有一定的隔离度，才能降低双工天线之间的相互关联，避免信号收发装置200的信号强度降低。由于信号收发装置200用于用户终端110，通常尺寸限制较大，双工天线的尺寸和摆放位置均受到较大的限制。在本实用新型的具体实施方式中，相邻双工天线之间的隔离度大于一预设值，以该预设值为目标，设计各个双工天线的摆放位置。

分集天线阵列210可以使用2×2、2×3、3×3、3×4以及4×4等多种阵列排布方式中的一种或多种方式分布，具体根据用户终端的大小而定。在本实用新型的一具体实施方式中，第一方向和第二方向相互垂直，且双工天线在第一方向上的辐射增益大于在第二方向上的辐射增益，因此，当第二方向上排列的双工天线之间的隔离度大于预设值时，第一方向上排列的相邻双工天线的间距大于第二方向上排列的相邻双工天线的间距，才能使得第二方向上排列的相邻双工天线之间的隔离度也大于预设值。预设值为12dB或更高。

请参考图3，为一2×2排列的分集天线阵列210的结构示意图，包括双工天线210a、210b、210c以及210d，双工天线210a、210b、210c以及210d均设置于接地面板2101边缘，以使得相邻双工天线之间具备较大的间距。在其他具体实施方式中，也可以在充分保证隔离度的前提下，在接地面板2102中间设置双工天线。该具体实施方式中，双工天线210a、210b、210c以及210d均具有相同的结构以及放置角度。在本实用新型的其他具体方式中，分集天线阵列210内的多个双工天线也可以分别具有不同的放置角度和结构。双工天线沿第一方向和第二方向分布，第一方向为X方向，第二方向为Y方向。

请参考图4，为本实用新型一具体实施方式采用的双工天线的结构示意图。双工天线包括第一子天线211和第二子天线212，以及馈电端B、接地端A，第一子天线211和第二子天线212通过一金属片213连接至馈电端B和接地端A。该双工天线覆盖频段为LTE band38/29/40。

请参考图5，为上述双工天线的两种配置方式，分别为配置1和配置2。配置1和配置2分别采用相同结构的双工天线，且两个双工天线的子天线相互垂直。这两种配置方式在2.4GHz天线单元的XOY面仿真方向图如图6所示，可以看出，在y轴方向，配置1的增益比配置2的增益强，配置2在x轴方向上辐射要比配置1更强，通过比较不同配置方式下天线的性能指标，可以找到在需要方向上增益最强的配置方式。

请参考图7，为本实用新型一具体实施方式的分集天线阵列210的天线配置方式，四个相同的双工天线如图7方式设置，由于配置2在y轴方向的增益较弱，那么y轴方向上相邻的双工天线211和双工天线213之间的距离小于x轴方向上相邻双工天线212和双工天线214之间的距离。在本实用新型的一具体实施方式中，y轴方向上的相邻两个双工天线211和双工天线213之间的间距为低频的四分之一波长。

如图8所示，为图7中分集天线阵列210的四个双工天线之间的隔离度随频率变化的曲线图。双工天线211和双工天线213之间的隔离度曲线为S13，双工天线211和双工天线212之间的隔离度曲线为S12，双工天线211和双工天线214之间的隔离度曲线为S14，由图8所示，任意相邻的两个双工天线之间的隔离度均大于预设值12dB。

信号的包络相关系数(ECC)是与多天线所处环境的多径效应的丰富程度以及天线间的相关性等有关的复杂函数，信号的包络相关系数越低，分集天线阵列的整体性能越高。在本实用新型的具体实施方式中，分集天线阵列210在均匀3D信道模型和LTE-A信道模型的包络相关系数小于0.3。

为了使得多输入多输出天线系统获得最大化的信道容量，用户终端作为接收端，多输入多输出的分集天线阵列210的每个双工天线的接收功率应该尽量趋于相等。为此要求双工天线的平均有效增益(MEG)满足|MEGi-MEGj|≦3dB。本实用新型的具体实施方式中，分集天线阵列210内的多个双工天线在第一方向和第二方向上分别呈对称分布，满足上述标准。

请参考图2，信号收发装置200还包括至少一无线电装置220。至少一无线电装置220连接至分集天线阵列210，并且至少一无线电装置220被配置为以一特定馈电幅值和一特定相位激励对应至少一双工天线。信号收发装置200可以具备多个分集天线阵列210以及无线电装置220。

在一具体实施方式中，信号收发装置200可以包括单个共享的无线电装置220，单个共享的无线电装置220可以耦合到单个分集天线阵列210内的至少一双工天线，单个共享的无线电装置220还可以耦合到多个分集天线阵列210，以实现无线通信。在另一具体实施方式中，信号收发装置200还可以包括多个无线电装置220，例如同时包括用于使用LTE或GSM通信协议的两个或多个无线电装置220。

无线电装置220接收分集天线阵列210接收到的无线电波信号，并将其转化为电信号；并且，根据待发送的信号内容，通过电信号由分集天线阵列210转化为无线电波信号发出。特定的馈电幅值和相位使得分集天线阵列210在特定扫描方向上具有最大的传输功率，从而优化发射和接收功率，增加分集天线阵列210内的双工天线的使用率。

至少一无线电装置220还被配置为计算其中至少一分集天线阵列210在扫描方向上具有最大传输功率时的各个双工天线对应的特定馈电幅值和特定相位，并以该对应的特定馈电幅值和特定相位激励对应的双工天线。无线电装置220可以包括至少一处理单元，以实现信号转换，激励双工天线等功能。

无线电装置220接收到信号功率为分集天线阵列210内的各个双工天线接收到的信号功率之和，与接收天线的数量成正比。由于分集天线阵列210内具有多个双工天线，因此可以增加用户终端的待机时间。并且，无线电装置220通过一特定馈电幅值和特定相位激励双工天线，可以实现发射和接收方向的精确控制，减少其他发射和接收信号的干扰，增加频谱资源的利用率，并且增加双工天线的使用率，发射和接收功率都得到优化。

本实用新型的具体实施方式还提供一种用户终端，请参考图9，用户终端300包括：至少一分集天线阵列310；连接至至少一分集天线阵列310的至少一无线电装置320；连接至至少一无线电装置320的至少一处理器330。用户终端300具有蜂窝通信能力，可以是移动电话、手持设备、媒体播放器、计算机、平板电脑或者其他任何类型的无线设备，可以是固定的，也可以是移动的，其还可以称作移动站、无线设备、手持终端、移动终端或一些其他术语。

分集天线阵列310包括：沿第一方向和第二方向排列的多个双工天线，多个双工天线可以分别具有相同的极化方向，也可以分别具有不同的极化方向。相邻双工天线之间需要具有一定的隔离度，才能降低双工天线之间的相互关联，避免用户终端300的信号降低。由于用户终端300通常尺寸限制较大，双工天线的尺寸和摆放位置均受到较大的限制。在本实用新型的具体实施方式中，相邻双工天线之间的隔离度大于一预设值，以该预设值为目标，设计各个双工天线的摆放位置。

双工天线可以设置于接地面板边缘，第一方向上排列的相邻双工天线的间距大于第二方向上排列的相邻双工天线的间距，且相邻双工天线之间的隔离度大于预设值。分集天线阵列310可以使用2×2、2×3、3×3、3×4以及4×4等阵列方式中的一种或几种方式排布，根据用户终端的大小而定。在本实用新型的一具体实施方式中，第一方向和第二方向相互垂直，且所述双工天线在第一方向上的辐射增益大于在第二方向上的辐射增益，因此，当第二方向上排列的双工天线之间的隔离度大于预设值时，第一方向上排列的相邻双工天线的间距大于第二方向上排列的相邻双工天线的间距，才能使得第二方向上排列的相邻双工天线之间的隔离度也大于预设值。预设值为12dB或更高。

信号的包络相关系数(ECC)是与多天线所处环境的多径效应的丰富程度以及天线间的相关性等有关的复杂函数，信号的包络相关系数越低，分集天线阵列的整体性能越高。在本实用新型的具体实施方式中，分集天线阵列310在均匀3D信道模型和LTE-A信道模型的包络相关系数小于0.3。

为了使得多输入多输出天线系统获得最大化的信道容量，用户终端300作为接收端，多输入多输出的分集天线阵列310的每个双工天线的接收功率应该尽量趋于相等。为此要求双工天线的平均有效增益(MEG)满足|MEGi-MEGj|≦3dB。分集天线阵列310内的多个双工天线在第一方向和第二方向上分别呈对称分布，满足上述标准。

用户终端300的至少一无线电装置320还被配置为计算至少一分集天线阵列310在扫描方向上具有最大传输功率时各个双工天线对应的特定馈电幅值和特定相位。用户终端300可以具备多个分集天线阵列310以及无线电装置320。在一具体实施方式中，用户终端300可以包括单个共享的无线电装置320，单个共享的无线电装置320可以耦合到单个分集天线阵列310内的一或多个双工天线，单个共享的无线电装置320还可以耦合到多个分集天线阵列310，以实现无线通信。在另一具体实施方式中，用户终端300还可以包括多个无线电装置320，例如同时包括用于使用LTE或GSM通信协议的两个或多个无线电装置220。

无线电装置320接收分集天线阵列310接收到的无线电波信号，并将其转化为电信号；并且，根据待发送的信号内容，通过电信号由分集天线阵列310转化为无线电波信号发出。特定的馈电幅值和相位使得分集天线阵列310在特定扫描方向上具有最大的传输功率，从而优化发射和接收功率，增加分集天线阵列310内的双工天线的使用率。至少一无线电装置320还被配置为计算其中至少一分集天线阵列310在扫描方向上具有最大传输功率时的各个双工天线对应的特定馈电幅值和特定相位，并以该对应的特定馈电幅值和特定相位激励对应的双工天线。无线电装置320可以包括一或多个处理单元，以实现信号转换，激励双工天线等功能。

用户终端300的至少一处理器330和至少一无线电装置320被配置为执行语音和/或数据通信，例如处理器300被配置为将待发送的信号内容转为指令信号，控制无线电装置320对分集天线阵列310的激励信号，还被配置为对无线电装置320从分集天线阵列310接收到的信号进行解析。所述处理器330可以为微控制芯片，中央处理器，单片机，FPGA芯片等。

本实用新型的具体实施方式还提供一种信号传输方法。

请参考图10，信号传输方法包括：

步骤S101：提供至少一分集天线阵列，分集天线阵列包括：沿第一方向和第二方向排列的多个双工天线，第一方向上排列的相邻双工天线的间距大于第二方向上排列的相邻双工天线的间距，且相邻双工天线之间的隔离度大于预设值。

在本实用新型的一具体实施方向中，第一方向和第二方向相互垂直，且双工天线在第一方向上的辐射增益大于在第二方向上的辐射增益。双工天线可以设置于接地面板边缘，隔离度的预设值可以为12dB。并且，分集天线阵列在均匀3D信道模型和LTE-A信道模型的包络相关系数小于0.3。在本实用新型的一具体实施方式中，多个双工天线在第一方向和第二方向上分别呈对称分布。

步骤S102：将至少一分集天线阵列与扫描方向上的接收天线作为一多对一的微波网络，计算得到扫描方向上至少一分集天线阵列在最大传输功率时各个双工天线对应的特定馈电幅值和特定相位。

请参考图11，为多对一的微波网络的示意图，采用的分集天线阵列包括双工天线1、……、双工天线N，共N个双工天线，以及天线N+1为接收天线，接收天线可以是基站等通信节点。分集天线阵列内的N个双工天线作为发射天线，与接收天线构成1对N的微波网络。双工天线N发出的微波信号a_N，接收到的微波信号b_N。

获得上述多对一的微波网络的传输散射矩阵，其中[b_t]为多个双工天线的反射信号矩阵，[b_r]为接收天线的反射信号矩阵，[a_t]为多个双工天线的发射信号矩阵，[a_r]为接收天线的反射信号矩阵。

然后，将至少一分集天线阵列与接收天线之间的功率传输效率定义为接收天线负载所接收的功率与至少一分集天线阵列输入功率的比值，用公式表示为：

在至少一分集天线阵列与接收天线均为完全匹配的情况下，其中，

根据上述公式，可以计算得到当功率传输效率Tarray最大时，至少一分集天线阵列内各个双工天线的最佳馈电幅值和相位。

因此，只需将所要扫描的方向上放置接收天线，就可以计算得出该方向最大传输效率时，分集天线阵列内的各个双工天线的最佳馈电幅值和相位。

步骤S103：以特定馈电幅值和特定相位激励对应的一或多个双工天线，以使得分集天线阵列在信号传输时获得最大的传输效率。

请参考图12a～12d，在本实用新型的一具体实施方式中，以图7中所示分集天线阵列的不同位置放置接收天线，并以分集天线阵列在信号传输时获得最大的传输效率的特定馈电幅值和特定相位激励对应的双工天线，获得的分集天线阵列在所需方向的方向图偏置效果图，实际测量值与仿真值一致，达到了预期效果。以多对一网络模型计算获得的特定馈电幅值和特定相位激励对应的双工天线可以使得实际工作中的分集天线阵列获得最大的传输效率。

基于上述信号传输方法的信号收发装置、用于终端可以优化发射和接收功率，并且实现信号发射和接收方向精确控制，减小其他发射和接收信号的干扰，增加频谱资源利用率。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。