CN102856644B - 一种开关控制的lte mimo手机天线结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种开关控制的LTEMIMO手机天线结构，包括金属地面、主天线、分集天线和控制开关，金属地面包括第一侧边和第二侧边，第一侧边和第二侧边为一组对边，主天线设置在所述金属地面的第一侧边，分集天线设置在金属地面的第二侧边；分集天线内还通过控制开关连接于金属地面。此天线是可以覆盖低频段的高性能LTEMIMO天线，且非常适于放置安装在手机等移动终端上，解决了现有技术中无法在多个宽频段内同时实现良好的隔离与低的相关性的技术问题。

Description

一种开关控制的LTE MIMO手机天线结构

技术领域

本发明涉及一种手机天线，特别涉及一种开关控制的LTE MIMO手机天线结构。

背景技术

作为下一代无线通信技术，LTE（Long Term Evolution，是下一代无线通信标准）可提供更快的数据速率，更优良的多媒体服务。在LTE技术中，MIMO（Multiple Input Multiple Output，指的是在发射端采用多根发射天线，接收端采用多根接收天线）是最关键的技术。在MIMO技术中，需要使用两个或多个工作在相同频率的接收及发射天线。对于工作在相同频率的多个天线，耦合必然存在。而天线之间的耦合会降低天线的性能。尤其对于MIMO天线，天线之间应具有良好的隔离以及低的相关性系数以实现高的分集增益。目前最常用的提高天线隔离度的方法是增大天线之间的距离到工作波长的一半以上。但是在手持设备（如手机）中，空间非常狭小，天线之间的间隙很小，设计出满足要求并具有良好性能的MIMO天线***是非常困难的，特别是在低频段。同时，目前世界范围内有多个无线通信标准以满足不同的应用，而且一个标准也会覆盖多个频段，仅仅LTE 覆盖的频段就从700MHz一直到2690 MHz，因此需要LTE天线***也能够实现多频段工作。为了实现性能优良的LTE天线，多家公司及多个研发团队做了大量的研究工作，所提出的方法及结构包括以下几种：

第一种，采用去耦技术。请参考图1，这种技术在两个天线之间增加了一段去耦合网络，该网络由两根传输线和几个集总参数元件组成。但是该方法有以下几个缺点：一是占用了过多的PCB板空间，而且网络需要穿过整个PCB板，这在实际的设计中是不允许的；二是该方法只能在一个窄频段内实现良好的隔离与低的相关性，无法在多个宽频段内同时实现良好的隔离与低的相关性。

第二种，采用中和线技术实现天线间的高隔离。请参考图2，在两个相距很近的天线之间增加一根传输线，该传输线可以中和天线之间的耦合能量，实现高的隔离。但是，该方法的缺点也很明显：一是只能在很窄的频带内是实现高隔离；二是该方法不适合多频段工作，采用该方法在一个窄频段内可以实现高的隔离，但在其他频段内却使隔离变坏。而且采用中和线技术后，两个天线依然对称，辐射方向还是会很接近，因此其低频段的包络相关性系数问题可能依然无法得到解决。

第三种，采用电磁超材料天线。请参考图3，该技术采用两个电磁超材料技术制作天线，因此天线尺寸较小。但是该技术也很难实现多频段工作，且在设计频段内天线的辐射效率也比较低。

第四种，采用分集天线侧边放置的方法。请参考图4，主天线放置在板子长边的端部，而分集天线放置在板子的侧边。两种天线的辐射方向各不相同，从而实现天线间高的隔离度和低的相关性系数，且辐射效率较好。但是该方法需要占用几乎全部的侧面空间，很多时候手机厂商无法提供这样的空间给分集天线，这限制了该方法的应用范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种开关控制的LTE MIMO手机天线结构，此天线是可以覆盖低频段的高性能LTE MIMO天线，且非常适于放置安装在手机等移动终端上，以解决现有技术中无法在多个宽频段内同时实现良好的隔离与低的相关性的技术问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种开关控制的LTE MIMO手机天线结构，包括金属地面、主天线、分集天线和控制开关，所述金属地面包括第一侧边和第二侧边，所述第一侧边和第二侧边为一组对边，所述主天线设置在所述金属地面的第一侧边，所述分集天线设置在所述金属地面的第二侧边；所述分集天线内还通过所述控制开关连接于金属地面。

较佳地，所述分集天线包括分集天线馈电线、分集天线馈电端口和若干分集天线弯折分支金属线，若干分集天线弯折分支金属线的一端分别与所述金属地面连接；所述分集天线馈电线的一端与所述分集天线馈电端口连接，另一端与一分集天线弯折分支金属线连接；所述控制开关的输入端通过一连接金属线连接至一分集天线弯折分支金属线或分集天线馈电线，所述控制开关的输出端通过若干不同的元件分别连接至所述金属地面，若干分集天线弯折分支金属线形成电容加载。

较佳地，若干分集天线弯折分支金属线均与所述金属地面形成缝隙，所述若干分集天线弯折分支金属线向对应方向弯折。

较佳地，所述若干分集天线弯折分支金属线包括第一分集天线弯折分支金属线和第二分集天线弯折分支金属线，所述第一分集天线弯折分支金属线和第二分集天线弯折分支金属线的一端均与所述金属地面连接；所述分集天线馈电线的一端与所述分集天线馈电端口连接，另一端与所述第一分集天线弯折分支金属线连接；所述第一分集天线弯折分支金属线通过所述连接金属线与所述控制开关连接。

较佳地，所述控制开关为射频开关，所述射频开关的输入端通过所述连接金属线与第一分级天线弯折分支金属线连接，所述射频开关的输出端通过若干不同的元件连接至所述金属地面，若干不同的元件并联。

较佳地，所述第一分集天线弯折分支金属线还包括若干分支。

较佳地，所述主天线包括一环形金属线和主天线馈电端口，所述环形金属线的一端与所述主天线馈电端口连接，另一端与所述金属地面连接。

较佳地，所述环形金属线的长度为最低工作频率的波长的一半。

较佳地，所述主天线为以下其中一种：单极子天线、环天线、IFA天线、PIFA天线，槽天线。

与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：

本发明一种开关控制的LTE MIMO手机天线结构，实现可以在多个频段工作的高性能LTE MIMO天线，特别是能够很好地工作在700MHz-960MHz这样的低频段内，可以获得高的隔离度和低的相关性系数，且非常适于放置安装在手机等移动终端上。 

第一，本发明的天线结构可以在多个频段内实现主天线与分集天线的高隔离与低相关性。

第二，本发明的天线结构中的分集天线放置在电路板的端部，不需要占用过多的侧边区域，方便了手机等移动终端设备中非天线器件的设计安装。

第三，本发明的天线结构的工作频段可以包含LTE700这样的低频段。

附图说明

图1为现有技术中采用去耦技术的结构示意图；

图2为现有技术中采用中和线技术实现天线间的高隔离的结构示意图；

图3为现有技术中采用电磁超材料天线的结构示意图；

图4为现有技术中采用分集天线侧边放置的方法的结构示意图；

图5为本发明一种开关控制的LTE MIMO手机天线结构的示意图；

图6为本发明的主天线的结构示意图；

图7为本发明的分集天线的一种结构示意图；

图8为本发明的分集天线的另一种结构示意图；

图9是本发明的射频开关的设计原理图；

图10是本发明的主天线和分集天线在分集天线工作在状态1时的反射系数图；

图11是本发明的主天线和分集天线在分集天线工作在状态1时的相关系数图；

图12是本发明的主天线和分集天线在分集天线工作在状态2时的反射系数图；

图13是本发明的主天线和分集天线在分集天线工作在状态2时的相关系数图。

具体实施方式

本发明提供一种开关控制的LTE MIMO手机天线结构，包括金属地面、主天线、分集天线和控制开关，金属地面包括第一侧边和第二侧边，第一侧边和第二侧边为一组对边，主天线设置在金属地面的第一侧边，分集天线设置在金属地面的第二侧边；分集天线内还通过控制开关连接于金属地面。

分集天线包括分集天线馈电线、分集天线馈电端口和若干分集天线弯折分支金属线，若干分集天线弯折分支金属线的一端分别与金属地面连接；分集天线馈电线的一端与分集天线馈电端口连接，另一端与一分集天线弯折分支金属线连接；控制开关的输入端通过一连接金属线连接至一分集天线弯折分支金属线或分集天线馈电线，控制开关的输出端分别通过若干不同的元件连接至金属地面，若干分集天线弯折分支金属线形成电容加载。在本发明中，控制开关可以与一分集天线弯折分支金属线连接来对天线的工作状态进行切换，也可以与分集天线馈电线连接以切换天线的工作状态，本发明不加以限制；分集天线可以设计为低频工作，也可以通过增加更多的分集天线弯折分支金属线来增加频段数目以实现高频工作，本发明对此不作限制；同时，本发明也可以通过增加控制开关的控制路数（每个元件即为控制开关的一个控制路）来增加频段数目。本发明对此不作限制。以下结合附图，举具体实施例加以详细说明。

请参考图5，一种开关控制的LTE MIMO手机天线结构，包括金属地面1、主天线11、分集天线12和控制开关，金属地面1包括第一侧边10和第二侧边20，第一侧边10和第二侧边20为一组对边。在本实施例中，第一侧边10与第二侧边20平行。主天线11设置在金属地面1的第一侧边10，分集天线12设置在金属地面1的第二侧边20，且分集天线12内还通过控制开关连接于金属地面1。在本实施例中，此金属地面1是一长方型结构，第一侧边10与第二侧边20是一组对边，此对对边可以是两侧的对边，也可以是两端的顶部对边，本实施例对此不加以限制。优选的，第一侧边10与第二侧边20为两端的顶部对边，即分集天线12是设置在顶部的，将分集天线12设置在顶部，此种设置方式比设置在两侧的边上技术难度大。

请参考图6，主天线11包括一环形金属线和主天线馈电端口114，环形金属线的一端与主天线馈电端口114连接，另一端与金属地面1连接。在本实施例中，此环形金属线包括第一垂直金属线111、平铺环形金属线112和第二垂直金属线113，第一垂直金属线111和第二垂直金属线113分别与金属地面1垂直，平铺环形金属线112与金属地面1平行，且此平铺环形金属线112为不封闭的环状，本实施例对此平铺环形金属线112的形状不作限制，在本实施例中，此平铺环形金属线112为方形。第一垂直金属线111的一端与主天线馈电端口114连接，另一端与平铺环形金属线112的左端连接；第二垂直金属线113的一端连接金属地面1于113a处，另一端与平铺环形金属线112的右端连接。此环形金属线的长度为最低工作频率的波长的一半。

在本实施例中，主天线11采用环天线，与分集天线12实现一个LTE MIMO天线结构组合，但本发明并不局限于此，主天线11还可以采用单极子天线、环天线、IFA天线、PIFA天线，槽天线等，本发明不加以限制。

分集天线12包括分集天线馈电线、分集天线馈电端口和若干分集天线弯折分支金属线，若干分集天线弯折分支金属线的一端分别与金属地面1连接；分集天线馈电线的一端与分集天线馈电端口连接，另一端与一分集天线弯折分支金属线连接；控制开关的输入端通过一连接金属线连接至一分集天线弯折分支金属线或分集天线馈电线，控制开关的输出端通过若干不同的元件分别连接至金属地面1，若干分集天线弯折分支金属线形成电容加载。本发明对控制开关的类型不作具体限制，在本实施例中，此控制开关为射频开关。在本发明中，射频开关的输入端通过一连接金属线连接至其中之一的分集天线弯折分支金属线，对天线的工作状态进行切换，或者是通过一连接金属线连接至分集天线馈电线以切换天线的工作状态，本发明对此不作限制。射频开关的输出端通过若干不同的元件分别连接至金属地面1，即此若干不同的元件是并联的，在某一个时间段内，只有一个元件是与输入端连通的，其他的元件与输入端是断开的，此时，分集天线12通过输入端所连接的元件与金属地面1相连。在本发明中，通过切换不同的输入端与输出端连通，可以控制分集天线12的工作状态。在本发明中，对元件的个数不作限制，本发明可通过增加射频开关的控制路数（每个元件即为控制开关的一个控制路）来增加频段数目。在本实施例中，若干分集天线弯折分支金属线均与金属地面1形成缝隙，若干分集天线弯折分支金属线向对应方向弯折。

请参考图7，在本实施例中，若干分集天线弯折分支金属线包括第一分集天线弯折分支金属线121和第二分集天线弯折分支金属线122，第一分集天线弯折分支金属线121和第二分集天线弯折分支金属线122的一端均与金属地面1连接；分集天线馈电线123的一端与分集天线馈电端口124连接，另一端与第一分集天线弯折分支金属线121连接；第一分集天线弯折分支金属线121通过连接金属线125与射频开关13连接。在本实施例中，第一分集天线弯折分支金属线121为L型，且垂直与金属地面1连接，首先第一分集天线弯折分支金属线121垂直于金属地面1的121a处向上延伸，然后再向右延伸；第二分集天线弯折分支金属线122也是垂直与金属地面1连接的，首先第二分集天线弯折分支金属线122垂直于金属地面1的122a处向上延伸，然后再向后延伸，最后再向左延伸。第二分集天线弯折分支金属线122对第一分集天线弯折分支金属线121形成电容加载，其作用之一上可以减少第一分集天线弯折分支金属线121的长度，作用之二上可以改变工作频率处分集天线12的电流方向及辐射方向，并减少与主天线11的耦合，改善分集天线12与主天线11的隔离度及相关性系数。

在实施例中，此分集天线12仅仅设计为低频工作。但实际上还可以通过在第一分集天线弯折分支金属线121上增加一些分支金属线来实现高频工作。如，请参考图8，在第一分集天线弯折分支金属线121上在增加一分支金属线121b，此分支金属线121b为L型，并向第二分集天线弯折分支金属线122延伸的。通过增加此分支金属线121b可以产生一个高频工作频段。

请参考图7和图9，在本实施例中，射频开关13的输入端通过一连接金属线125连接至金属地面1的121c处，输出端通过若干不同的元件分别连接至金属地面1，若干不同的元件是并联的，在某一个时间段内，只有一个元件是与输入端连通的，其他的元件与输入端是断开的，此时，分集天线12通过输入端所连接的元件与金属地面1相连。

本发明所提出的支持LTE MIMO技术的手机天线结构可以采用多种技术实现，如PCB加工，柔性版技术，金属黏贴，3D LDS加工等技术，但本发明所提出的天线结构不仅可以采用上述技术实现，也可以采用其他可能的加工技术实现，本发明不加以限制。

请参考图10，其为射频开关13的输出端通过元件1与输入端联通，此时分集天线12工作在状态1。其中曲线1S11代表主天线11在整个频带内的回波损耗，曲线1S22代表分集天线12在状态1时的回波损耗，曲线1S21代表主天线11和分集天线12之间的耦合情况。主天线11与分集天线12在0.79-0.82GHz的频段内一起实现MIMO工作。曲线S21在设计频段内都小于-12dB，说明主天线11和分集天线12之间具有相当良好的隔离度。

请参考图11，其为分集天线12工作在状态1时主天线11与分集天线12的相关性系数。可以看到在设计频段0.79-0.82GHz内，相关性系数小于0.4，表明主天线11和分集天线12可以实现很好的MIMO工作。

请参考图12，其为射频开关13的输出端通过元件2与输入端联通，此时分集天线12工作在状态2。其中曲线2S11代表主天线11在整个频带内的回波损耗，曲线2S22代表分集天线12在状态2时的回波损耗，曲线2S21代表主天线11和分集天线12之间的耦合情况。主天线11与分集天线12在0.925-0.96GHz的频段内一起实现MIMO工作。曲线S21在设计频段内都小于-12dB，说明主天线11和分集天线12之间具有相当良好的隔离度。

请参考图13，其为分集天线12工作在状态2时主天线11与分集天线12的相关性系数。可以看到在设计频段0.925-0.96GHz内，相关性系数小于0.4，表明主天线11和分集天线12可以实现很好的MIMO工作。

以上公开的仅为本申请的一个具体实施例，但本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。

Claims (7)

1.一种开关控制的LTE MIMO手机天线结构，其特征在于，包括金属地面、主天线、分集天线和控制开关，所述金属地面包括第一侧边和第二侧边，所述第一侧边和第二侧边为一组对边，所述主天线设置在所述金属地面的第一侧边，所述分集天线设置在所述金属地面的第二侧边；所述分集天线内还通过所述控制开关连接于金属地面；

所述分集天线包括分集天线馈电线、分集天线馈电端口和若干分集天线弯折分支金属线，若干分集天线弯折分支金属线的一端分别与所述金属地面连接；所述分集天线馈电线的一端与所述分集天线馈电端口连接，另一端与一分集天线弯折分支金属线连接；所述控制开关的输入端通过一连接金属线连接至一分集天线弯折分支金属线或分集天线馈电线，所述控制开关的输出端通过若干不同的元件分别连接至所述金属地面，若干分集天线弯折分支金属线形成电容加载；

所述若干分集天线弯折分支金属线包括第一分集天线弯折分支金属线和第二分集天线弯折分支金属线，所述第一分集天线弯折分支金属线和第二分集天线弯折分支金属线的一端均与所述金属地面连接；所述分集天线馈电线的一端与所述分集天线馈电端口连接，另一端与所述第一分集天线弯折分支金属线连接；所述第一分集天线弯折分支金属线通过所述连接金属线与所述控制开关连接；第二分集天线弯折分支金属线对第一分集天线弯折分支金属线形成电容加载。

2.如权利要求1所述的开关控制的LTE MIMO手机天线结构，其特征在于，若干分集天线弯折分支金属线均与所述金属地面形成缝隙，所述若干分集天线弯折分支金属线向对应方向弯折。

3.如权利要求1所述的开关控制的LTE MIMO手机天线结构，其特征在于，所述控制开关为射频开关，所述射频开关的输入端通过所述连接金属线与第一分级天线弯折分支金属线连接，所述射频开关的输出端通过若干不同的元件连接至所述金属地面，若干不同的元件并联。

4.如权利要求1所述的开关控制的LTE MIMO手机天线结构，其特征在于，所述第一分集天线弯折分支金属线还包括若干分支。

5.如权利要求1所述的开关控制的LTE MIMO手机天线结构，其特征在于，所述主天线包括一环形金属线和主天线馈电端口，所述环形金属线的一端与所述主天线馈电端口连接，另一端与所述金属地面连接。

6.如权利要求5所述的开关控制的LTE MIMO手机天线结构，其特征在于，所述环形金属线的长度为最低工作频率的波长的一半。

7.如权利要求1所述的开关控制的LTE MIMO手机天线结构，其特征在于，所述主天线为以下其中一种：单极子天线、环天线、IFA天线、PIFA天线，槽天线。