CN101872897A - 用于多输入、多输出的手持设备的宽带、高隔离度两端口天线阵列 - Google Patents

用于多输入、多输出的手持设备的宽带、高隔离度两端口天线阵列 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种在天线之间具有高隔离度的多输入多输出天线装置。该天线装置包括基板,所述基板的表面上具有接地层。两个天线彼此相对布置在基板上。在接地平面上在第一和第二天线之间插入图案化缝隙形式的隔离单元。第一信号端口用于施加第一信号以激励第一天线,第二信号端口用于施加第二信号以激励第二天线。隔离单元提供抑制两天线之间电磁传播的隔离。

Description

用于多输入、多输出的手持设备的宽带、高隔离度两端口天线阵列
技术领域
本发明广泛涉及用于手持通信设备的天线,更具体地,涉及多输入多输出天线。
背景技术
有不同类型的无线移动通信设备可用,例如个人数字助理、蜂窝电话以及无线双向电子邮件通信设备。这些设备中的有许多要便于使用者随身携带,通常要足够紧凑以适合放进衬衫或者外套口袋里。
随着无线通信设备的使用显著地持续增长,需要增加系统容量。一种提高容量的技术是使用多输出多输入(MIMO)系统提供不相关的传播路径。MIMO例如通过多个发射和接收天线使用许多各自独立的信号路径。
在发射机和接收机处都使用多天线的MIMO系统使通信系统容量增大并且性能提高而不需要增大传输功率或带宽。然而当设计这样的天线时,移动通信设备机壳的有限的空间带来了若干挑战。天线应紧凑以占用最小的空间,并且天线的位置对于最小化由电磁干扰引起的性能退化是关键的。带宽是在多天线系统中天线设计者需要考虑的另一因素。
此外,由于多个天线被相互靠近地放置,因此在这些天线的元件之间存在强大的互耦,这些互耦使天线的方向图失真并降低了系统性能,通常导致天线单元辐射出不期望的信号。因此,优选地在MIMO天线阵列中的天线之间的最小耦合将提高系统效率、延长电池寿命以及提高接收信号质量。
因此,希望开发一种MIMO天线装置,所述MIMO天线装置尺寸紧凑以适于装入足够小以至于能吸引顾客的设备外壳,并且所述MIMO天线装置具有改进性能。
附图说明
图1是并入了本发明的天线装置的移动无线通信设备的结构示意图;
图2是印刷电路板的平面图,在所述印刷电路板上形成一种形式的两端口天线装置;
图3是图5所示的印刷电路板的一部分的放大图;
图4是印刷电路板的透视图,在所述印刷电路板上形成第二种形式的本发明的两端口天线装置;
图5是图4所示的印刷电路板的平面图;
图6是印刷电路板的平面图,在所述印刷电路板上形成第三种形式的两端口天线装置;
图7是印刷电路板的平面图,在所述印刷电路板上形成第四种形式的两端口天线装置;以及
图8是印刷电路板的透视图,单元从所述印刷电路板伸出在垂直平面中。
具体实施方式
本发明的用于MIMO通信设备的两端口天线阵列在例如覆盖2.25-2.8GHz并且支持多通信标准的宽带宽内提供两个端口之间的显著隔离。图示的天线装置具有两个相同的辐射单元,在图示的实施例中,所述辐射单元包括缝隙(间隙)天线以及贴片天线。然而,应该理解的是,可以使用备选的辐射单元。图示的缝隙天线是通过以下方式形成的:在印刷电路板(PCB)一侧蚀刻的导电层的两个相对的侧边处生成两个直的、末端开放的缝隙,从而形成一对四分之一波长的缝隙天线。缝隙沿着PCB的一个边彼此相对,且关于PCB的中心线对称。PCB的另一侧可以用于安装通信设备的其他部件。该结构中每个缝隙天线用作四分之一波长谐振结构,具有相对宽的带宽。然而,应理解,也可以使用备选的方向、尺寸以及形状。可调整缝隙的尺寸、缝隙的形状及缝隙相对于PCB任何一个边的位置,以使谐振频率、带宽、阻抗匹配、方向性、以及其他天线性能参数最优化。还应理解,除了导电层以外,缝隙还可以穿透电路板的基板。还应理解,也可以使用负载缝隙,在所述负载缝隙的末端或者在所述负载缝隙内具有阻抗材料。此外,应理解,可以使用微机电系统(MEMS)来调谐缝隙,例如通过将跨过缝隙的导电桥打开或闭合来调谐缝隙。
在PCB的导电层上在缝隙天线对之间形成图案化的缝隙以提供辐射器之间的隔离,从而最小化从一个天线单元到另一个天线单元的电磁传播。具体通过隔离在接地平面上感生的来自天线的电流来实现这一操作。隔离单元图案可以关于两个天线单元之间的中心线对称,也可以不对称。隔离缝隙可以具有曲折图案,例如蛇形或者L形或者其他形状。在一些实施例中,曲折图案是交替地朝向和远离每个天线而蜿蜒前进的蛇形缝隙。在一些实施例中,隔离单元缝隙的电长度大约是工作频率的四分之一波长。实现天线之间高隔离的其他方式可以通过抑制接地平面上的表面波来实现,例如被有损导电材料层所覆盖的电介质绝缘材料层可以用作接地平面,也可以使用高阻抗的接地平面。
首先参照附图1,移动无线通信设备20(例如蜂窝电话)说明性地包含外壳21,该外壳21可以例如是静态外壳,例如与在许多蜂窝电话中使用的翻盖或滑盖外壳不同。然而,也可以使用那些以及其他外壳构形。在外壳21内装有电池23,用于向内部部件供电。
外壳21包含主印刷电路板(PCB)22,通信设备20的主电路24安装在主印刷电路板(PCB)22上。主电路24典型地包括微处理器、一个或多个存储装置、以及用以提供用户界面以控制通信设备的显示器和键盘。
音频输入装置(例如麦克风25)以及音频输出装置(例如扬声器26)用作与用户的音频接口,并且连接到主电路24。
通过射频电路28来实现通信功能,射频电路28包括无线信号接收机和无线信号发射机,无线信号接收机和无线信号发射机连接到MIMO天线装置30。天线装置30可以被装在外壳21的较低部分中,在下文中将更详细描述该天线装置30。
如本领域技术人员所熟知的,移动无线通信设备20还可以包括一个或者多个辅助输入/输出装置27,例如,WLAN(如,蓝牙,IEEE.802.11)天线和具有WLAN通信功能的电路,和/或用于提供定位功能的卫星定位系统(例如,GPS、Galileo等)接收机和天线。辅助I/O装置27的其他示例包括:第二音频输出换能器(例如,用于扬声器电话操作的扬声器),以及提供数字摄像机功能的摄像机镜头,电子设备连接器(如,USB,双耳式耳机,安全数字(SD)或者存储卡等)。
参照图2和图3,第一天线装置90形成于印刷电路板92之上,该印刷电路板92具有非导电基板91,在非导电基板91的主平面93上涂覆导电层以形成接地平面95。涂有导电层的基板的主平面93具有第一边96和垂直于第一边的两个侧边97和98。通过制造以下末端开口的缝隙来形成第一缝隙天线100:所述末端开口的缝隙完全贯穿导电层94的厚度,从第二边97向内延伸,平行于第一边延96并且与第一边96隔开。第一缝隙天线终止于末端104。类似地,第二缝隙天线106由第二缝隙形成,所述第二缝隙从第三边98向内延伸,平行于第一边96并与第一边96隔开,并且终止于第二末端109。在本实施例中,两个天线100和106的缝隙从接地平面的相对边向内延伸并且纵向地平行于接地平面的共同边,从而彼此平行地排列。这两个缝隙分别形成第一和第二缝隙天线100和106的第一和第二辐射单元,并且彼此隔开第二辐射单元的谐振频率的至少十分之一波长。第一和第二缝隙天线100和106在接地平面95的宽度方向上彼此相对,并且可以具有实质上同样的形状。
接地平面95沿着第一和第二缝隙100和106的三个边延伸。第一导电带102和第二导电带108分别形成在第一边96与末端开口的缝隙100和106之间。可以调整导电带102和108的宽度以最优化天线谐振频率和带宽。
在接地平面95上,在第一缝隙天线100靠近内部末端104的相对侧的触点提供第一信号端118。在接地平面95上,在第二缝隙天线106靠近其内部末端109的相对侧的其他触点提供第二信号端119。
隔离单元110在第一和第二缝隙天线100和106之间贯穿接地平面95,具体地与天线的两个内部末端104及109等距。隔离单元110采取蛇形图案的隔离缝隙形式,随着隔离缝隙从第一边96向内前进,该隔离缝隙在两个缝隙天线100及106之间以蛇形方式来回地蜿蜒前进。具体地,隔离缝隙110具有垂直于基板的第一边96向内延伸的第一段111,并且隔离缝隙110具有一内部末端,第二段112从该内部末端开始平行于第一边并朝向第一缝隙天线100延伸。第二段112在与第一缝隙天线100相距特定距离处终止,第三段113从第二段112的末端开始远离第一边96与第二段112成直角。第三段113终止于一点,第四段114从该点开始平行于第一边96并朝向第二缝隙天线106延伸,且终止于远端。第五段115从第四段114的远端开始垂直于第一边96并远离第一边96与第四段114成直角延伸。第五段115终止于一点,第六段116从该点开始与第一边96平行并朝向基板的第二边97延伸。隔离单元110的六个段111至116提供了在两个缝隙天线100和106之间来回地蜿蜒的曲折缝隙。隔离缝隙110的电长度接近工作频率下的四分之一波长。隔离单元110提供了在两个缝隙天线100和106之间的电分离。可以改变蛇形隔离缝隙110的每一段的宽度和长度以及段数,以最优化天线装置90的两个辐射单元间之间的隔离(例如,使互耦最小化)以及工作带宽。缝隙天线100和106以及隔离单元110完全贯穿导电层而延伸,从而使印刷电路板基板的第一主表面93的一部分外露。
参照图4和5,印刷电路板22具有由电绝缘材料制成的平面基板31,该电绝缘材料例如是通常用于印刷电路板的电介质材料。基板31具有彼此平行且相对的第一和第二主表面32和33。第一主表面32具有第一边36以及垂直于第一边的第二和第三边37和38。导电材料(例如,铜)层34粘附于第一主表面32,以形成天线装置的接地平面35。
如图所示的第二天线装置30具有一对四分之一波长的缝隙天线40和42,缝隙天线40和42由以下缝隙形成:所述缝隙完全贯穿导电材料层34的厚度,靠近边36,使绝缘基板31的第一主表面32外露。具体地,第一天线40包括延直线方向从第二边37向内并平行于第一边36而延伸的缝隙。第一天线40具有远离第二边37的末端46。导电层34的一部分在第一天线缝隙40与基板31的第一边36之间并且形成带44,带44与导电层34的其余部分相连。线状的第二缝隙从第三边38向内沿着第一边36延伸且终止于末端50,从而形成第二天线42。导电层34的一部分在第二天线缝隙42与基板31的第一边36之间并且形成带48,带48与导电层34的其余部分相连。第一和第二缝隙天线40和42的缝隙分别形成第一和第二辐射单元,并且相距第二辐射单元的谐振频率的至少十分之一波长。第一和第二缝隙天线40和42在接地平面35的宽度方向上彼此相对。
形成天线40和42的每个缝隙的长度都接近于工作频率的四分之一波长。然而,应理解,在一些实施例中,各个天线可以具有互不相同的尺寸。两个导电带44和48的宽度影响到阻抗带宽以及天线的谐振频率。可以选择两个导电带44和48的宽度,使得在天线40和42中的任一个上激励四分之一波长谐振模式。在一些实施例中,第一和第二天线缝隙40和42位于同一直线上。第一和第二缝隙40和42的两个内部末端46和50彼此远离,并且分别从第一主表面32的第二和第三边37和38向内。
第一和第二天线40和42通过在导电层34中切割的位于辐射单元40和42之间的图案化缝隙而彼此隔离。在图4和5中所示的天线实施例中,图案形成隔离单元,所述隔离单元包括在接地平面35中与第一和第二缝隙40和42等距离的缝隙。隔离缝隙52具有T形结构,所述T形结构包括宽的第一部分54,宽的第一部分54从接地平面35的第一边36向内延伸至超过第一和第二天线40和42的终点。隔离缝隙52的第二部分56从终点伸出,垂直于第一部分54并在第一部分的两侧向外,从而形成T形图案。缝隙52的第二部分56平行于第一及第二缝隙40和42延伸。具体参照图5,可选地,缝隙的第二部分56的宽度可以步进,从而改变在第二部分与第一和第二缝隙40及42之间的导电层34部分的宽度。如前所述,缝隙40和42以及缝隙52贯穿导电层的厚度而延伸,从而使基板31的第一主表面32的一部分外露。
接地平面35上在第一缝隙40的与第一末端46隔开的相对侧的激励触点提供了第一信号端口58。类似的,第二信号端口59具有接地平面上第二缝隙42的与第二末端50隔开的相对侧的激励触点。当在一个端口的触点之间施加激励信号时,在接地平面内围绕相应缝隙流动的电流在缝隙内产生辐射场,从而缝隙用作天线装置的辐射单元。
第一和第二信号端口58和59连接到射频电路28,射频电路28从而使用第一和第二辐射单元40及42来发射和接收信号。此操作可以有不同的模式,在这些模式中两个辐射单元40和42中只有一个被用来发射或接收信号。备选地,可以同时施加两个单独的激励信号,一个信号对应缝隙天线中的每一个。在其他时候,缝隙天线40或42的每一个可以同时接收不同的信号。
隔离缝隙52提供缝隙天线40和42之间的隔离,所述隔离使辐射单元之间的电磁传播最小化。通过隔离来自辐射单元的在接地平面35的的导电层34上感生的电流来实现这一操作。缝隙52的两个部分的尺寸被选择为使缝隙天线40和42之间的互耦最小化。
图6示出了提供隔离的不同的缝隙图案。第三天线装置60也具有印刷电路板62,在印刷电路板62的主表面上形成导电材料形成的层64。与图4和5所示的第二天线装置相比,第三天线装置60具有一对末端开口的缝隙66和68,这对末端开口的缝隙66和68平行于第一边69从基板两侧向内延伸。第一和第二缝隙66和68中每一个缝隙的三侧都有接地平面65的一部分。第三天线装置60具有第一和第二信号端口84和86,第一和第二信号端口84和86具有分别用于向第一和第二天线66和68施加第一和第二信号的激励触点。
隔离缝隙图案73包括第一和第二L形隔离缝隙74和76,每个隔离缝隙74和76形成曲折图案。第一隔离缝隙74具有第一段78,该第一段78从基板上涂覆有导电接地平面65的第一主表面的第一边69向内延伸。第一段78向内延伸超过第一缝隙66终止于一末端,第二段79从该末端朝向第一缝隙伸出并平行于第一缝隙。第二隔离缝隙76具有类似的贯穿导电层从第一边65向内延伸的第一段80。第一段80延伸超过第二缝隙68并终止于一末端,第四段从该末端朝向第二缝隙68伸出并平行于第二缝隙68。
图7描述了形成于印刷电路板122上的第四天线装置120,在印刷电路板122的主表面上涂覆诸如铜之类的导电材料层124以形成接地平面125。电路板的主表面具有第一边126以及垂直于第一边的第二和第三边127及128。第一辐射单元134由L形的末端开口第一缝隙130来限定,第一缝隙130具有短的第一段131,该短的第一端131从第二边127开始垂直于第二边127向内延伸终止于内部末端。较长的第二缝隙段132从该内部末端开始朝向第一边126延伸,平行于第二边127并且与第二边127隔开。第一缝隙130与第一边126隔开,从而限定辐射单元。第二辐射单元140由L形的第二缝隙136来限定,第二缝隙136具有短的第一段137,该短的第一段137从第三边128开始垂直于第三边128向内延伸。较长的第二缝隙段138从第一缝隙段137的内部末端朝向第一边126延伸,与第三边128隔开并且平行于第三边128。第二缝隙136与第一边126隔开,并提供第二辐射单元。
接地平面125在第一和第二缝隙130和136的每一个周围延伸。第一信号端口142在与基板的第一边96隔开的末端附近在第一缝隙130的两侧具有触点。类似地,第二信号端口144相对于第二缝隙136来定位。
第一和第二天线134和140通过T形隔离缝隙145而彼此隔离,T形隔离缝隙145具有第一段146,所述第一段146贯穿接地平面125向内延伸,垂直于第一边126并且终止于内部末端。第二段148垂直于第一段146延伸并以第一段146的远端为中心。因此,T形隔离缝隙145的顶部与第一边126在内部隔开。在最小化从一个辐射单元到另一辐射单元的电磁传播方面,隔离缝隙145起到与先前隔离缝隙相同的作用。
所有先前所描述的缝隙天线都与印刷电路板上的接地平面共面并且由贯穿接地平面的缝隙来形成,例如通过传统的光刻工艺或者通过机械加工而形成。图8示出了根据本发明构思的天线装置的备选实施例。第五天线装置150形成于具有基板154的印刷电路板152上,基板154的主表面具有第一边158以及与第一边邻接的第二和第三边155和157。向基板的主表面涂覆导电材料层156以形成接地平面159。
第五天线装置150包括在基板的第一边158处隔开的第一和第二倒F型天线(IFA)160及164。短导电第一支撑161在基板的第一边158处机械连接和电连接至第一导电层156并从基板伸出,并形成第一倒F型天线160的接地管脚。直的第一臂162从第一支撑161的上面部分开始延伸,平行于第一边158并与第一边158隔开。第一信号管脚163与接地管脚161隔开,在一末端连接至第一臂162,在另一末端具有信号触点。接地管脚161,信号管脚163以及第一臂162形成第一倒F型天线160。
短的导电第二支撑165在基板的第一边158机械连接和电连接至导电层156并从基板伸出,并形成第二倒F型天线164的接地管脚。直的第二臂166从第二支撑165的上面部分开始延伸,平行于第一边158并与第一边158隔开,终止于与基板的第三边157相邻处。第二信号管脚167与接地管脚165隔开,在一末端连接到臂166,在另一端具有信号触点。接地管脚165,信号管脚167以及第二臂166形成第二倒F型天线164。第一和第二倒F型天线160和164在接地平面159的宽度方向上彼此相对。
应当理解的是,两个天线不需要是相同的类型。例如,一个天线可以是缝隙型,而另一个天线可以是倒F型天线。
第五天线装置150包括一对L型隔离缝隙168和169,这对L型隔离缝隙168和168在形成接地平面的导电层156中,并且与附图6所示第三实施例中描述的隔离缝隙74及76相比相类似。具体参照图8,每个隔离缝隙168和169都具有从第一边158向内延伸的长段,并具有分别从第一段的内部末端向最靠近的边155或157伸出的第二短段。
在前的描述主要针对所述天线的特定实施例上。虽然已经关注到了一些不同的备选方案,但可预期的是本领域技术人员很可能实现目前根据这些实施例的公开显而易见的其它备选方案。因此,本申请所覆盖的范围应当由以下的权利要求来确定,而不限于以上公开。

Claims (16)

1.一种用于无线通信设备的天线装置,包括:
接地平面;
第一辐射单元,布置在所述接地平面上;
第二辐射单元,布置在所述接地平面上,以第二辐射单元的谐振频率的至少十分之一波长与所述第一辐射单元隔开;以及
至少一个隔离单元,在接地平面上介于所述第一辐射单元与第二辐射单元之间,其中所述隔离单元包括曲折缝隙。
2.如权利要求1所述的天线装置,其中第一和第二辐射单元具有实质上相同的形状且在接地平面的宽度方向上彼此相对。
3.如权利要求1所述的天线装置,其中第一和第二辐射单元中的至少一个包括导电材料的倒F型天线。
4.如权利要求1所述的天线装置,其中所述接地平面包括基板以及布置在所述基板的表面上的导电材料层。
5.如权利要求4所述的天线装置,其中第一辐射单元和第二辐射单元各自都包括在导电材料层内的拉长开口的形式的缝隙,每个缝隙从接地平面的相对边向内、且纵向平行于接地平面的公共边延伸。
6.如权利要求5所述的天线装置,其中至少一个隔离单元包括在接地平面的公共边上、布置在与第一和第二辐射单元等距离处的缝隙。
7.如权利要求4所述的天线装置,其中第一和第二辐射单元中的至少一个包括从接地平面的边延伸的L型缝隙。
8.如权利要求4所述的天线装置,其中至少一个隔离单元包括在导电材料层内的缝隙,所述缝隙具有在导电材料层的边处起始的曲折图案。
9.如权利要求4所述的天线装置,其中至少一个隔离单元包括贯穿所述导电材料层的厚度的缝隙,其中所述缝隙包括从导电材料层的边向内垂直延伸并具有内部末端的第一段,第二段从所述内部末端开始平行于所述边并朝向第一辐射单元延伸终止于第一远端,第三段从所述远端伸出并远离所述边直到在第二远端处终止,第四段从所述第二远端开始平行于所述边并朝向第二辐射单元延伸。
10.如权利要求4所述的天线装置,包括第一和第二隔离单元,每个隔离单元包括贯穿导电材料层形成的L型缝隙,所述L型缝隙具有从导电材料层的边向内延伸的纵向第一段和与所述第一段邻接且垂直于所述第一段延伸的较短的第二段,所述第二段朝向第一和第二辐射单元中相应的一个辐射单元延伸。
11.如权利要求1所述的天线装置,其中所述至少一个隔离单元布置在与第一和第二辐射单元等距离处。
12.一种用于无线通信设备的天线装置,包括:
接地平面,由非导电材料的基板上的导电材料层形成,其中所述导电材料层具有厚度;
第一缝隙天线,由导电材料层内的第一辐射缝隙形成;
第二缝隙天线,由导电材料层内的第二辐射缝隙形成,并且以第二缝隙天线的谐振频率的至少十分之一波长与所述第一缝隙天线隔开;
第一隔离缝隙,形成于导电材料层内并且位于第一缝隙天线和第二缝隙天线之间,其中所述第一隔离缝隙包括具有在导电材料层的边处起始的曲折图案的缝隙;
耦合到第一缝隙天线的第一信号端口;以及
耦合到第二缝隙天线的第二信号端口,其中所述第一辐射缝隙、第二辐射缝隙以及第一隔离缝隙都贯穿导电材料层的厚度。
13.如权利要求12所述的天线装置,其中第一辐射缝隙是直线型的;第二辐射缝隙是直线型的并且与第一辐射缝隙平行排列。
14.如权利要求12所述的天线装置,其中第一辐射缝隙和第二辐射缝隙包括L形状。
15.如权利要求12所述的天线装置,其中第一隔离缝隙包括L形状。
16.如权利要求12所述的天线装置,还包括:第二隔离缝隙,贯穿导电材料层的厚度而形成,位于第一辐射缝隙天线和第一隔离缝隙之间。
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