多天线系统中的地面缩短型平面反转F天线单元技术方案

多天线系统中的地平面缩短型平面反转Ｆ天线单元涉及一种用于无线通信终端上的多天线系统技术领域，其特征在于：所述天线单元含有印刷电路板，其背面是金属层；位于印刷电路板正面且平行于印刷电路板背面金属层的导体地平面，其长度为天线单元工作波长的０．２倍以内；导体辐射平面平行于导体地平面，其长度长于所述导体地平面；导体短路面，垂直于导体地平面，且连接着导体地平面与导体辐射平面；导体馈线柱垂直于导体地平面，且连接射频馈线与导体辐射平面。本发明专利技术可提高多天线辐射效率，延长无线终端待机时间，而且可以保持各天线单元所在无线链路具有的低相关性，提高多输入多输出系统容量。

【技术实现步骤摘要】
多天线系统中的地面缩短型平面反转F天线单元
本专利技术涉及一种用于无线通信终端上的多天线系统

技术介绍
天线是无线通信系统中用于辐射发射信号功率和接收到达信号功率的器件。平面反转F天线(PIFA)是一种典型的内置式天线，它由导体地平面、平行于地平面的导体辐射平面、连接地平面与辐射平面的导体短路柱、连接射频馈线与辐射平面的导体馈线柱组成。PIFA天线的辐射特性主要由天线金属表面的面电流决定，PIFA天线的辐射方向图主要是朝辐射平面的外法向方向，辐射方向图的主要波瓣宽度与地平面的大小有关，地平面导体相对于辐射平面导体越大，主要波瓣越集中在辐射平面的外法向方向。单个的PIFA天线单元具有低物理尺寸，高辐射效率的优点[Kathleen L.Virga，Yahya Rahmat-Samii，“Low-ProfileEnhanced-Bandwidth PIFA Antennas for Wireless Communications Packaging”，IEEETransactions On Microwave Theory and Techniques，Vol.45，No.10，pp.1879，Oct.1997]。但是PIFA天线的辐射效率和它与周围环境的能量耦合有关，当周围金属物体靠近PIFA天线金属面电流强的部分且距离在1倍波长之内，该金属体可能和PIFA天线发生强烈耦合，即天线辐射的一部分能量会转移到该金属体上，从而造成PIFA天线辐射效率下降。现有的PIFA天线，通常是工作在单输入单输出(SISO：Single Input Single Output)方式，即终端用一个天线和基站的一个天线进行收发通信。在全球移动通信系统(GSM：GlobalSystem for Mobile Communications)，码分多址接入(CDMA：Code Division Multiple Access)，无线局域网等无线通信终端中，PIFA天线已经被广泛应用。多输入多输出(MIMO：Multi Input Multi Output)通信方式是一种较新的通信技术，它是无线终端上的多个天线与基站的多个天线同时通信。由于它利用了传播环境中存在的相关性较低的传播路径来通信，MIMO通信系统在城市这样的存在大量反射和散射物体的环境中、结合空时编码技术、可以获得比SISO方式更高的信道容量，从而有效提高系统容量。MIMO技术是下一代移动通信的关键技术之一[Arogyaswami j.Paulraj，Dhananjay a.Gore，Rohit u.Nabar，Helmut blcskei，“An Overview of MIMO Communications-A Key to-->Gigabit Wireless”，IEEE Proceedings，pp.198，2004]，在蜂窝系统、无线局域网等系统中有广泛的应用前景。MIMO通信方式要求移动终端的多天线的天线单元方向图具有新的特性：1)具有宽的辐射方向图，在以天线为原点，过原点的一个平面上，辐射方向图接近全向。2)天线单元在被安装到终端上以后，各单元的辐射方向图具有互补性，共同组成在球面上接近全向的方向图，实现方向图分集。3)部分天线单元的主极化方向互相垂直，实现极化分集。4)在移动通信终端狭小的空间内，多天线单元之间互耦较低，实现高的发射效率。其中第1、第2、第3特性在已经提出的一些MIMO天线方案中是用几个地平面相互垂直的基本PIFA天线来实现，但要满足第4个特性则有赖于安装天线的终端有足够大的尺寸使天线单元的间隔足够远、或者安装的天线单元数量不多于2个。对于天线终端尺寸在0.5倍波长以内的情况，地平面相互垂直的方案不一定能实现高的发射效率、存在互耦强、发射效率低的问题。特别是对于手持移动终端、地平面互相垂直的安排要把天线单元安排在终端的各个边沿上，这造成在地平面导体上被激励的地电流和周围环境、例如人手、有较强的相互作用，由于周围环境的影响，该天线系统存在匹配特性不稳定和辐射效率下降的问题。由于无线终端设备的电池容量通常很有限，匹配特性不稳定和辐射效率的下降会明显增加终端功耗，减少待机时间。另一方面天线单元之间的互耦使发生耦合的天线单元的收发信息相关性增加，这破坏了MIMO通信的重要条件，即不同天线所在的数据链路的收发信息必须具有低相关性，这也是现有使用PIFA天线单元的MIMO天线在小尺寸无线终端上应用存在的一个问题。因此，有必要改进PIFA天线单元的设计，使之有效地应用于MIMO系统，特别是适用于蜂窝和无线局域网的小型终端设备。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种改进的PIFA天线单元，使应用该PIFA天线作为单元的MIMO天线的各单元之间具有较小的互耦，从而提高天线的辐射效率，提高MIMO系统所能取得的通信容量，特别是在天线单元间距在0.25倍到1倍波长以内的小型无线终端上。本专利技术设计的PIFA天线单元安装在印刷电路板上，特别是作为MIMO天线的一个单元。图1给出了MIMO天线的一种布置图。1是印刷电路板，2a、2b、2c、2d分别是MIMO天线单元。-->本专利技术的PIFA天线单元的结构如图2所示，导体地平面2a-1比导体辐射平面2a-2要短，因此称为地面缩短型PIFA天线单元。这是为了减少天线单元之间的耦合。因为PIFA天线单元的表面电流主要分布在地平面上，如图3所示，当天线单元被安排得很接近的时候，靠近的地平面互耦较强，缩短地平面2a-1的尺寸可以增大地平面之间的间距，从而减小天线之间的互耦。而适当增加辐射导体平面2a-2的长度可以保持天线的谐振频率不变和良好匹配。基于互耦的减小和良好的匹配特性，使用地面缩短型PIFA天线单元可以增加天线的辐射效率。本专利技术的特征在于：该平面反转F天线单元含有：印刷电路板，该印刷电路板的背面是金属层；导体地平面，该地平面是所述印刷电路板正面的一层金属，所述地平面的长度和宽度小于或者等于所述平面反转F天线的工作频率对应的自由空间传播波长的0.2倍；导体辐射平面，该辐射平面平行于所述导体地平面，而且该辐射平面的长度和宽度都小于天线工作波长的0.25倍；导体短路面，该短路面垂直于所述地平面且连接所述地平面与辐射平面；导体馈线柱，该馈线柱垂直于地平面且连接射频馈线的内导体与所述辐射平面，射频馈线的外导体和印刷电路板背面的金属层相连；所述导体辐射平面的长度减去导体地平面的长度，再除以导体辐射平面的长度，其值大于0.2。所述导体地平面是一层平行于所述印刷电路背面的金属，而且又贴在所述印刷电路正面的一块金属贴片。所述平面反转F天线还包括一个连接所述导体地平面和印刷电路板背面金属层的一个过孔。所述导体地平面长度是所述平面反转F天线工作频率的0.16倍波长。所述辐射平面长度是所述平面反转F天线工作频率对应波长的0.2倍。本专利技术的PIFA天线单元的特征还包括一个过孔选项，如图2b所示，过孔2a-5连接导体地平面2a-1和印刷电路板背面的金属层3。本专利技术的优点是地面缩短型PIFA天线单元中电流分布强的地平面长度约0.15倍波长，这样天线单元可以被安排的互相靠近、特别是间距在0.25～0.5倍波长之内，并且同时具有-->小的本文档来自技高网...

【技术保护点】
多天线系统中的地平面缩短型平面反转Ｆ天线单元，其特征在于：该平面反转Ｆ天线单元含有：印刷电路板，该印刷电路板的背面是金属层；导体地平面，该地平面是所述印刷电路板正面的一层金属，所述地平面的长度和宽度小于或者等于所述平 面反转Ｆ天线的工作频率对应的自由空间传播波长的０．２倍；导体辐射平面，该辐射平面平行于所述导体地平面，而且该辐射平面的长度和宽度都小于天线工作波长的０．２５倍；导体短路面，该短路面垂直于所述地平面且连接所述地平面与辐射平面； 导体馈线柱，该馈线柱垂直于地平面且连接射频馈线的内导体与所述辐射平面，射频馈线的外导体和印刷电路板背面的金属层相连；所述导体辐射平面的长度减去导体地平面的长度，再除以导体辐射平面的长度，其值大于０．２。

【技术特征摘要】
1.多天线系统中的地平面缩短型平面反转F天线单元，其特征在于：该平面反转F天线单元含有：印刷电路板，该印刷电路板的背面是金属层；导体地平面，该地平面是所述印刷电路板正面的一层金属，所述地平面的长度和宽度小于或者等于所述平面反转F天线的工作频率对应的自由空间传播波长的0.2倍；导体辐射平面，该辐射平面平行于所述导体地平面，而且该辐射平面的长度和宽度都小于天线工作波长的0.25倍；导体短路面，该短路面垂直于所述地平面且连接所述地平面与辐射平面；导体馈线柱，该馈线柱垂直于地平面且连接射频馈线的内导体与所述辐射平面，射频馈线的外导体和印刷电路板背面的金属层相连；所述导体辐射平面的长度减去导体地平面的长度，再除...

【专利技术属性】
技术研发人员：颜罡，杜正伟，龚克，王蔷，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]