一种多输入多输出天线及移动终端的制作方法

一种多输入多输出天线及移动终端的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种多输入多输出天线及移动终端，包括：天线基板、多个天线单元、电磁带隙结构和地板，所述天线单元间隔的贴在所述天线基板的表面上，所述天线基板与地板重叠设置，在所述天线基板的两个天线单元之间的位置上设置所述电磁带隙结构，所述电磁带隙结构连接到所述地板。综上所述，本发明通过设置电磁带隙结构，能够提高MIMO天线的隔离度，以此来实现增加天线单元各自的辐射效率，以及提高通信数据传输速率。
【专利说明】一种多输入多输出天线及移动终端
【技术领域】
[0001]本发明涉及移动终端通信技术，尤其涉及一种多输入多输出(MIMO)天线及移动终端。
【背景技术】
[0002]随着移动无线通信技术的飞速发展，对大容量的信息传输要求越来越高。如何应对移动用户数量不断增长的问题，在不增加额外的频带带宽的情况下，在匮乏的频谱资源条件下，对数据进行高可靠性、高速率、高覆盖率的传输已经成为当今无线通信领域一个重要而紧迫的研究课题。正是在这种背景下，MIMO应运而生，MIMO能够数十倍甚至百倍地提高无线通信系统的容量和频谱利用率，能有效的对抗多径衰落，成为当今新一代移动通信传输系统关键的技术之一。但与此同时，MIMO系统的移动终端安置多根天线时必须尽量减小天线的尺寸，而且还要满足相应的带宽、增益和隔离度等电性能指标，这样才能更好更准确的保证传输效率及辐射效率，这对天线设计提出了较高要求。
[0003]目前，通常用来提高天线系统隔离度的方法主要有:(1)将天线单元设计成不同形状并严格设计天线摆放位置，比如将天线单元垂直放置，这样有利于增加其极化特性及辐射特性从而实现每个天线的正常工作，但是这样具有局限性，天线必须设计成不同结构；
(2)用微带线连接天线单元或者馈电端口，当天线单元被激励时，电流在微带线部分聚集，与地板耦合，等效成具有频带截止特性的电感电容一滤波器系统，从而达到增加隔离度的目的，此种方法适用于微带贴片天线模型；(3)采用多层辐射贴片分布在多层不同介质板上，在不同平面进行能量辐射，大大减少了相互耦合，这样需要的整体厚度比较大；(4)在地板开阵列矩形缝隙，使电流聚集，减少能量的流动，达到减小耦合增大隔离度的效果，此种方法加工精度要求很高。
[0004]解决移动终端的多天线隔离度问题，面临着面积小，体积薄，同时辐射效率高等挑战，上文提到的已有的增大隔离度的方法各有利有弊，但缺乏灵活性，难以适应目前快速发展的通信行业现状，亟待一种新的提高隔离度的方式。

【发明内容】

[0005]本发明要解决的技术问题是提供一种多输入多输出天线及移动终端，能够提高MIMO天线的隔离度，进而提高传输效率和辐射效率。
[0006]为解决上述技术问题，本发明的一种多输入多输出天线，包括:天线基板、多个天线单元、电磁带隙结构和地板，所述天线单元间隔的贴在所述天线基板的表面上，所述天线基板与地板重叠设置，在所述天线基板的两个天线单元之间的位置上设置所述电磁带隙结构，所述电磁带隙结构连接到所述地板。
[0007]进一步地,所述电磁带隙结构包括多个电磁带隙单元,所述电磁带隙单元包括圆柱筒和辐射环，所述辐射环与圆柱筒同心地套在所述圆柱筒的一端部，在所述天线基板上开设有通孔，所述圆柱筒穿入所述通孔与所述地板连接，所述辐射环贴在所述天线基板的表面上。
[0008]进一步地，所述电磁带隙单元相对所述天线单元的正方向呈T型的排列在所述天线基板上。
[0009]进一步地，所述圆柱筒的半径小于等于0.5mm ;所述辐射环的半径大于0.5mm小于1mm η
[0010]进一步地，所述电磁带隙单元之间的横向间距小于等于0.75mm ;所述电磁带隙单元之间的纵向间距大于1个波长。
[0011]进一步地，一种移动终端，包括:壳体和天线，所述天线设置在壳体中，所述天线包括天线基板、多个天线单元、电磁带隙结构和地板，所述天线单元间隔的贴在所述天线基板的表面上，所述天线基板与地板重叠设置，在所述天线基板的两个天线单元之间的位置上设置所述电磁带隙结构，所述电磁带隙结构连接到所述地板。
[0012]进一步地,所述电磁带隙结构包括多个电磁带隙单元,所述电磁带隙单元包括圆柱筒和辐射环，所述辐射环与圆柱筒同心地套在所述圆柱筒的一端部，在所述天线基板上开设有通孔，所述圆柱筒穿入所述通孔与所述地板连接，所述辐射环贴在所述天线基板的表面上。
[0013]进一步地，所述电磁带隙单元相对所述天线单元的正方向呈T型地排列在所述天线基板上。
[0014]进一步地，所述圆柱筒的半径小于等于0.5mm ;所述辐射环的半径大于0.5_小于1mm η
[0015]进一步地，所述电磁带隙单元之间的横向间距小于等于0.75mm ;所述电磁带隙单元之间的纵向间距大于1个波长。
[0016]综上所述，本发明通过设置电磁带隙结构，能够提高ΜΜ0天线的隔离度，以此来实现增加天线单元各自的辐射效率，以及提高通信数据传输速率，还具有以下有益效果:
[0017](1)电磁带隙结构类似于一个PCB板，制作工艺包括覆铜与过孔，与PCB板制作工艺相同，在加工时，可并入天线或者PCB板的加工中去，加工成本与复杂度均在可接受范围内，并且有效减少了天线设计的复杂度。
[0018](2)电磁带隙结构可以看作高阻电路，可以减小表面波损耗，提高了天线的增益，有效的增加了辐射效率。
[0019](3)天线基板的厚度在可接受范围内，与以往天线单元分层放置在不同介质板上相比也具有一定的实际意义，电磁带隙结构呈“T”型排列，占面积小，结构简单，适用性强，更容易被采用。
【专利附图】

【附图说明】
[0020]图1为现有的多输入多输出天线的结构图；
[0021]图2为本实施方式的多输入多输出天线的结构图；
[0022]图3为本实施方式的多输入多输出天线中的电磁带隙单元的结构图；
[0023]图4为本实施方式的多输入多输出天线的剖面图；
[0024]图5是未加入电磁带隙结构时ΜΜ0天线的sll/s22示意图；
[0025]图6是本实施方式加入电磁带隙结构后ΜΜ0天线的sll/s22示意图；[0026]图7是未加入电磁带隙结构时MMO天线的sl2/s21示意图；
[0027]图8是本实施方式加入电磁带隙结构后MMO天线的sl2/s21示意图。
【具体实施方式】
[0028]本实施方式旨在提供一种能够增加隔离度的多输入多输出天线，通过采用电磁带隙结构增加天线的隔离度。电磁带隙结构是从光子带隙结构发展而来的一种周期性结构。电磁带隙结构能够在一定程度上控制电磁波的传播，具体表现为在某些频段上阻止电磁波的传播，具有一定的禁带特性。本质上说，电磁带隙结构是由不同介质、金属或其混合体单元按周期排列构成的带阻滤波器。由于此特性的存在，电磁带隙结构便可以应用于微带天线中，设置在天线单元之间作为高阻电路来抑制基底的表面波，抑制高次谐波，降低本天线单元吸收到的其他天线单元辐射的能量，增大隔离度。
[0029]本实施方式利用了电磁带隙结构的特性，将其应用在增加隔离度的设计中，并设计组成电磁带隙结构的电磁带隙单元为同心圆形状，按“T”型分布，通过仿真，由数据分析可以看出电磁带隙结构的加入对隔离度的提高起到了明显的效果。
[0030]由于电磁带隙结构的作用即滤波器，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。
[0031]本实施方式的电磁带隙结构是一种串口孔结构，是金属片与天线基板的混合体，类似一个未焊接元器件的PCB板。
[0032]本实施方式的多输入多输出天线包括:天线基板、多个天线单元、地板和电磁带隙结构，天线单元间隔的贴在天线基板的表面上，天线基板与地板重叠，电磁带隙结构设置在天线基板的两个天线单元之间的位置上，电磁带隙结构连接到地板。电磁带隙结构包括多个电磁带隙单元，电磁带隙单元周期性的排列在两个天线单元之间。
[0033]电磁带隙单元包括圆柱筒和辐射环，辐射环与圆柱筒同心，辐射环套在圆柱筒的一端部，在天线基板上开设有通孔，圆柱筒穿入通孔与地板连接，辐射环贴在天线基板的表面上。圆柱筒的半径为r，辐射环的半径为R，其中，r < R，R大于r的部分为辐射环的壁宽度，电磁带隙单元的横向间距为a，纵向间距为b。
[0034]下面结合附图对本实施方式的提高天线隔离度的MIMO天线进行说明。
[0035]如图1所示，目前MMO的应用热点已经扩展到了包括WiMAX和LTE在内的无线通讯领域，本文以MIMO天线用于LTE的移动终端(商用工作频率在2.6GHz)为例进行说明。现有的MIMO天线包括天线基板1、天线单元2和地板3，本例中的MMO天线的天线单元2设计成弯折结构，具有有效减小天线之间的耦合，缩小天线尺寸等优点，图中倒“T”部分为地板3 (此处为透视)。
[0036]如图2所示为加入电磁带隙结构的MIMO天线的整体俯视图，包括:天线基板1、多个天线单元2、地板3和电磁带隙结构4，天线单元2间隔的贴在天线基板I的表面上，天线基板I与地板3重叠设置，在天线基板I的两个天线单元2之间的位置上设置电磁带隙结构4,电磁带隙结构4连接到地板3。
[0037]天线基板I采用的材料多种多样，比如，环氧树脂板、环氧玻璃板和硅制绝缘板等，此例中选择Rogers R03010(罗杰斯高频板)，介电常数为10.2。
[0038]电磁带隙结构4包括多个电磁带隙单元，电磁带隙单元周期性的排列在两个天线单元2之间。
[0039]请参考图2和图3，本实施方式的电磁带隙单元包括圆柱筒41和辐射环42，辐射环42与圆柱筒41同心，辐射环42套在圆柱筒41的一端部，在天线基板1上开设有通孔，圆柱筒41穿入通孔与地板3连接，辐射环42贴在天线基板1的表面上。已有的电磁带隙结构多采用矩形阵列，由于矩形阵列中矩形单元长度(一般为5mm-10mm)对天线性能影响明显，显然，长度的调节对地板面积要求较高。而同心圆结构则不存在此类问题，只要保证内外径的差值，即便地板尺寸再小，也能找到适合的半径值，且同心圆横纵间距的调节也很灵活，很好的解决了移动终端小型化的高要求。
[0040]圆柱筒41的高度可依据天线基板1的厚度确定，遵循总体厚度不超出实用性原贝U，此例中设计为2mm，辐射环42为金属导体，圆柱筒41也选择金属介质，如铝、铜等，本实施方式中选择介质铜。
[0041]移动终端愈来愈趋于小型化，轻薄化，故地板尺寸有限，可根据地板尺寸来选择电磁带隙单元的个数、及辐射环42和圆柱筒41的半径。
[0042]由实验总结可知，经典电磁带隙结构列数为3，在有限空间横向间距为6mm(即4a+6R = 6)时,每一排所占的X方向长度要小于2mm,(即a+2R < 2),考虑到r为两圆间距四分之一的经验原则，(即r < l/4(2R+a))可得出r < 0.5mm。
[0043]由4a+6R = 6和a+2R < 2可得出R < 1mm，但由于R是辐射环42的半径，故0.5< R < 1，在此区间调试R的值，可以有效改善天线参数，如sll及隔离度等，本实施方式中选取R = 0.7mm。R大于r的部分为辐射环42的壁宽。
[0044]由上式即可得到，a^ 0.75mm,取 a = 0.45mm。
[0045]b的取值为大于1个`波长。通过建模仿真EBG结构的电磁传输特性可知，当η > 5时具有很好的隔离特性，由于辐射能量主要集中在天线单元的弯折部分，故当弯折部分结束时没有必要再加入过多行，以免产生冗余，当η增大时，与η = 6时的带隙改善不明显，本实施方式选择η = 6,由已知r、R及挖空地板长度17mm,可以得到b = 1.6mm。为了保持EBG的周期性，下半部分的b也选取1.6mm。
[0046]综上所述，本实施方式中选择R = 0.7mm, r = 0.5mm ;由于阵列结构的纵向间距对隔离度影响较大，故设计时可适当调节间距横纵比，本实施方式中横向间距a = 0.45mm,纵向间距b = 1.6mm。
[0047]如图4所示，加入电磁带隙结构的ΜΙΜΟ天线的侧视图，圆柱筒41的高度即为电磁带隙结构4的厚度，此厚度依托于天线基板1的厚度，只要保证整体厚度不超出一定范围，电磁带隙结构4的厚度即可调，顺利的解决了移动终端的轻薄化要求。
[0048]如图5及图6所示，为电磁带隙结构4加入前后对ΜΜ0天线回波损耗参数的影响示意图，电磁带隙结构4的加入，并未影响天线的谐振频率，而且sll参数均在-15dB以下，保证了设计要求。
[0049]如图7及图8所示，为电磁带隙结构4加入前后对天线隔离度参数的影响示意图，电磁带隙结构4的加入，使隔离度从12dB增大到26dB提高了 14dB。
[0050]综上所述，当其他条件完全相同时，在同一款ΜΜ0天线中，未加电磁带隙结构与加入了电磁带隙结构两种情况下sll、s22参数性能不会有显著变化，如本例中前后两种情况下sll、s22依然保持在2.6GHz，且振幅在-15dB以下；但是隔离度值却增加了 14dB，这使辐射效率从60.5%提高到87.5%。考虑到实际测试时条件的限制，隔离度的增加值会有所降低，但其趋势不会变，故可为以后工程实践提供一定参考。
[0051]本实施方式还提供了一种移动终端，包括:壳体和天线，天线设置在壳体中，天线包括天线基板、多个天线单元、电磁带隙结构和地板，天线单元间隔的贴在天线基板的表面上，天线基板与地板重叠设置，在天线基板的两个天线单元之间的位置上设置电磁带隙结构，电磁带隙结构连接到地板。
[0052]电磁带隙结构包括多个电磁带隙单元，电磁带隙单元包括圆柱筒和辐射环，辐射环与圆柱筒同心地套在圆柱筒的一端部，在天线基板上开设有通孔，圆柱筒穿入通孔与地板连接，辐射环贴在天线基板的表面上。
[0053]电磁带隙单元相对天线单元的正方向呈T型地排列在天线基板上。
[0054]圆柱筒的半径小于等于0.5mm ;福射环的半径大于0.5mm小于1mm。
[0055]电磁带隙单元之间的横向间距小于等于0.75mm ；电磁带隙单元之间的纵向间距大于1个波长。
[0056]以上所述，仅为本发明专利的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖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，其特征在于，包括:天线基板、多个天线单元、电磁带隙结构和地板，所述天线单元间隔的贴在所述天线基板的表面上，所述天线基板与地板重叠设置，在所述天线基板的两个天线单元之间的位置上设置所述电磁带隙结构，所述电磁带隙结构连接到所述地板。
2.如权利要求1所述的多输入多输出天线，其特征在于，所述电磁带隙结构包括多个电磁带隙单元，所述电磁带隙单元包括圆柱筒和辐射环，所述辐射环与圆柱筒同心地套在所述圆柱筒的一端部，在所述天线基板上开设有通孔，所述圆柱筒穿入所述通孔与所述地板连接，所述辐射环贴在所述天线基板的表面上。
3.如权利要求2所述的多输入多输出天线，其特征在于，所述电磁带隙单元相对所述天线单元的正方向呈T型的排列在所述天线基板上。
4.如权利要求2所述的多输入多输出天线，其特征在于，所述圆柱筒的半径小于等于0.5mm ;所述福射环的半径大于0.5mm小于1mm。
5.如权利要求3所述的多输入多输出天线，其特征在于，所述电磁带隙单元之间的横向间距小于等于0.75mm ;所述电磁带隙单元之间的纵向间距大于1个波长。
6.一种移动终端，其特征在于，包括:壳体和天线，所述天线设置在壳体中，所述天线包括天线基板、多个天线单元、电磁带隙结构和地板，所述天线单元间隔的贴在所述天线基板的表面上，所述天线基板与地板重叠设置，在所述天线基板的两个天线单元之间的位置上设置所述电磁带隙结构，所述电磁带隙结构连接到所述地板。
7.如权利要求6所述的移动终端，其特征在于，所述电磁带隙结构包括多个电磁带隙单元，所述电磁带隙单元包括圆柱筒和辐射环，所述辐射环与圆柱筒同心地套在所述圆柱筒的一端部，在所述天线基板上开设有通孔，所述圆柱筒穿入所述通孔与所述地板连接，所述辐射环贴在所述天线基板的表面上。
8.如权利要求7所述的移动终端，其特征在于，所述电磁带隙单元相对所述天线单元的正方向呈T型地排列在所述天线基板上。
9.如权利要求7所述的移动终端，其特征在于，所述圆柱筒的半径小于等于0.5mm ;所述福射环的半径大于0.5mm小于1mm。
10.如权利要求8所述的移动终端，其特征在于，所述电磁带隙单元之间的横向间距小于等于0.75mm ;所述电磁带隙单元之间的纵向间距大于1个波长。
【文档编号】H01Q1/22GK103682625SQ201210346478
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年9月18日 优先权日:2012年9月18日
【发明者】禹忠, 支周, 郭阳, 陈霖 申请人:中兴通讯股份有限公司