CN106602243A - 基于特征模理论的2mimo手机天线及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于特征模理论的2MIMO手机天线及其设计方法。其所设计的天线，包括地板(1)、第一馈电结构(5)、第二馈电结构(6)、介质基板(9)、第一馈电端口(10)和第二馈电端口(11)，地板印制在介质基板上表面；地板包括矩形金属覆铜板(2)和两个感性负载(3,4)，这两个感性负载分别与矩形金属覆铜板两个长边相连，并利用第二感性负载(4)上的缝隙(7)实现高频匹配；第一馈电结构位于地板长边的中间部分，且与第一馈电端口相连，并利用其上面的谐振电路(8)实现低频匹配；第二馈电结构位于地板短边的边沿部分且与第二馈电端口相连。本发明的天线结构简单，方便加工，性能良好，可用于现代无线通信***。

Description

基于特征模理论的2MIMO手机天线及其设计方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种2MIMO手机天线***的设计方法，可用于GSM通信频段的手机。

背景技术

随着移动通信业务的迅猛发展，其同时带动了无线终端天线产业的繁荣。人们对于无线业务越来越高的需求给本已匮乏的频谱资源带来了更大的压力。所以，全力寻找资源最大利用化的技术成为了研究重点。

MIMO技术即在通信***收发端均放置多根天线的技术。MIMO技术可在不增加发射功率和不占用额外频谱资源的前提下，成倍地提升***的通信效率与可靠性。多天线所面临的关键性问题即天线之间的耦合问题，尤其对于小型终端设备如手机，在如此狭小的空间放置两个甚至更多的天线是极具挑战的。

解决单元间高耦合的常用方法有内置解耦网络、电磁带阻地板结构、寄生单元、地板缝隙、中和线等。例如，申请号为201610013522.4，名称为一种紧凑型多频带MIMO手机天线的专利文件，其公开的MIMO手机天线采用四个镜像放置的立体折叠单极子结构单元以及接地板插指结构的方式实现多频段、低耦合以及低剖面的特性。申请号为201510005862.8，名称为MIMO天线的专利文件，公开了一种MIMO双天线***，其包括第一辐射单元、第二辐射单元及连接部。其中，连接部连接于第一辐射单元与第二辐射单元之间；在连接部上方设置有呈“H”字形的隔离槽。其辐射单元之间隔离度较好，能够提高辐射信号的关联度及MIMO***的效能。

上述天线均采用常规去耦合方式，其存在的问题是，隔离措施主要针对易于实施的高频，对于低频并不能实现很好的隔离效果，而且隔离措施的引入使得天线结构变得复杂。

近年来，特征模理论TCM在手机天线设计方面引起学者的广泛关注。利用TCM不仅可以从理论上清晰看见天线结构的工作模式，而且其不同模式的正交性为MIMO天线的设计带来了新的思路。例如文章“Design of Orthogonal MIMO Handset Antennas Based onCharacteristic Mode Manipulation at Frequency Bands Below 1GHz”，其基于特征模理论，通过加载容性负载结构改变地板工作模式，并对正交的两个模式进行激励，从而设计了一款高隔离度的MIMO手机天线；文章“MIMO Mobile Handset Antenna MergingCharacteristic Modes for Increased Bandwidth”，同样基于特征模理论，其利用围栏结构以及集总元件改变地板工作模式，并通过耦合激励的方法对两个模式进行激励，从而实现2MIMO手机天线***的设计。这些利用特征模理论设计的MIMO天线，工作带宽较窄，不适用于移动通信的需求。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于特征模理论的2MIMO手机天线***的设计方法，以简化天线结构，提高在低频下的隔离效果，并实现较宽的工作带宽。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：

一.基于特征模理论的2MIMO手机天线，包括地板、第一馈电结构、第二馈电结构、介质基板、第一馈电端口和第二馈电端口，地板印制在介质基板上表面，其特征在于：

所述地板，作为天线的辐射单元，其包括矩形金属覆铜板、第一感性负载和第二感性负载，这两个感性负载分别与矩形金属覆铜板两个长边相连，且在第二感性负载上设有0.5mm宽的缝隙，以实现高频匹配；

所述第一馈电结构与第一馈电端口相连，且位于地板长边的中间部分，该第一馈电结构上设有谐振电路，以实现低频匹配。

所述第二馈电结构与第二馈电端口相连，且位于地板短边的边沿部分。

进一步，所述的第一感性负载包括第一细短金属带线、第一细长金属带线和第一金属片，该第一细长金属带线平行于金属覆铜板的长边，且该第一细长金属带线的一条长边与第一细短金属带线相连；第一金属片垂直于矩形金属覆铜板的长边，且该第一金属片与第一细长金属带线的另一条长边相连。

进一步，所述的第二感性负载包括第二细短金属带线、第二细长金属带线和第二金属片，该第二细长金属带线平行于金属覆铜板的长边，且该第二细长金属带线的一条长边与第二细短金属带线相连；第二金属片垂直于矩形金属覆铜板的长边，且该第二金属片与第二细长金属带线的另一条长边相连。

进一步，所述的第一馈电结构为一矩形金属片，且其与第一馈电端口位置可调。

进一步，所述的第二馈电结构为一单极子，其一端为沿介质上表面弯折的金属带线，另一端为沿介质边沿向上弯折并与单极子悬空部分的金属窄带连接。

进一步，所述的谐振电路，包括一个集总电容和两个集总电感，三者采用并联方式放置，且集总电容位于第一集总电感与第二集总电感之间。

二.基于特征模理论的2MIMO手机天线设计方法，包括如下步骤

1)手机地板结构的设计；

1a)计算一块矩形金属覆铜板的阻抗矩阵，通过特征模理论提取金属覆铜板的特征模曲线；

1b)修改矩形金属覆铜板的形状和尺寸，以确保在所需工作频带内具有两个特征值为0的谐振模式，且两个谐振模式要满足所设计的频带要求，即得到所需的地板的形状和尺寸；

2)馈电位置的优化设计；

2a)提取上述两个谐振模式的特征电场，并生成电场分布图，将电场幅值分布图中电场最大点处设为各自馈电点的位置；

3)单天线的优化设计；

3a)在任意一个谐振模式的馈电点位置进行馈电以产生激励电压，当单天线能在所需工作频段内产生谐振，即完成馈电结构的优化设计；

3b)对上述单天线进行端口阻抗匹配，当天线满足所需工作带宽，即完成了匹配结构的优化设计；

4)2MIMO天线***的优化设计；

在上述单天线基础上，对另外一个谐振模式的馈电点位置进行馈电以产生激励电压形成第二个单天线，当两天线同时满足所需工作带宽时，即完成2MIMO天线***的优化设计。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明利用特征模理论提取金属覆铜板的特征模曲线，并修改矩形金属覆铜板的形状和尺寸，在所需频段得到具有两个谐振模式的手机地板结构，在此基础上提取两个谐振模式对应的特征电场，并将电场幅值分布图中电场最大点处设为天线的馈电点位置，与传统MIMO天线设计方法相比，本发明的2MIMO手机天线设计方法具有更高的执行效率，天线的馈电位置和工作频率能够得到灵活的设计。

2.本发明利用特征模理论分别在两个谐振模式的馈电点位置进行馈电以产生激励电压，进而分别激励出第一个单天线和第二个单天线，由于不同谐振模式的正交性，可使本发明的2MIMO手机天线在较低频段实现很好的隔离效果。

3.本发明的2MIMO手机天线以地板作为主要辐射单元，天线结构简单，易于加工。

4.本发明的2MIMO手机天线利用0.5mm的缝隙和集总电路进行端口匹配，展宽天线的工作频带，提高了工作性能。

附图说明

图1是本发明的设计方法流程图。

图2是本发明设计方法中矩形金属覆铜板的特征模曲线。

图3是本发明设计方法中手机天线的地板结构图。

图4是本发明设计方法中手机地板的特征模曲线。

图5是本发明设计方法中手机地板两个谐振模式的电场分布图。

图6本发明设计方法中单天线的馈电结构。

图7是本发明设计方法中单天线未进行端口阻抗匹配时的输入阻抗图。

图8是本发明设计方法中单天线未进行端口阻抗匹配时的回波损耗图。

图9是本发明设计方法中单天线端口阻抗匹配结构的放大图。

图10是本发明设计方法中单天线输入阻抗图。

图11是本发明设计方法中单天线的回波损耗图。

图12是本发明设计方法中第二馈电结构的放大图。

图13是本发明2MIMO手机天线的整体结构图。

图14是本发明2MIMO手机天线的S参数图。

图15是本发明2MIMO手机天线的方向图。

图16是本发明2MIMO手机天线的包络相关系数(ECC)。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步地详细描述。

参照图1，本发明的流程如下：

步骤1，设计手机地板结构。

1a)通过特征模理论确定一块120*60mm矩形金属覆铜板的模式分布，并提取金属覆铜板的特征模曲线，如图2所示，图2中五条曲线分别代表金属覆铜板的五个模式，即一阶模、二阶模、三阶模、四阶模及五阶模，从图2可以看出，只有一阶模在工作频段内产生了谐振，即存在特征值为0的点，故称其为谐振模式，而其它模式是很难用来表现天线辐射特性的。

所述特征模理论指哈林登于1971年在文献‘Theory of Characteristic Modesfor Conducting Bodies’中介绍；

1b)修改矩形金属覆铜板的形状和尺寸，以确保在所需工作频带内具有两个特征值为0的谐振模式，且两个谐振模式要满足所设计的频带要求，即得到所需地板的形状和尺寸，如图3所示。图3所示的地板包括矩形金属覆铜板2和两个感性负载3、4，这两个感性负载分别与矩形金属覆铜板的两个长边相连，其中：

第一感性负载3包括第一细短金属带线31、第一细长金属带线32和第一金属片33，第一细短金属带线31位于矩形金属覆铜板2长边的中部；第一细长金属带线32平行于金属覆铜板2的长边，且该第一细长金属带线32的一条长边与第一细短金属带线31相连；第一金属片33垂直于矩形金属覆铜板2的长边，且该第一金属片33与第一细长金属带线32的另一条长边相连。

第二感性负载4包括第二细短金属带线41、第二细长金属带线42和第二金属片43，第二细短金属带线41偏离矩形金属覆铜板2长边中部5.25mm；第二细长金属带线42平行于金属覆铜板2的长边，且该第二细长金属带线42的一条长边与第二细短金属带线41相连；第二金属片43垂直于矩形金属覆铜板2的长边，且该第二金属片43与第二细长金属带线42的另一条长边相连。

第一细短金属带线31和第二细短金属带线41的具体尺寸为4.5*0.5mm，且第一细短金属带线31和第二细短金属带线41的长度及其相对于矩形金属覆铜板2长边的位置均可调；第一细长金属带线32和第二细长金属带线42的具体尺寸为120*1.5mm，且第一细长金属带线32和第二细长金属带线42的宽度均可调；第一金属片33和第二金属片43的高度均为5mm，长度分别为120mm和99mm。

提取所设计地板的特征模曲线，如图4所示，图4中三条曲线分别为本发明地板产生的三个谐振模式，即第一谐振模式、第二谐振模式和第三谐振模式，可以看出第三谐振模式带宽较窄，并不是我们所需要的，而第一谐振模式和第二谐振模式满足所需工作带宽要求，可应用于天线设计，且其中第一谐振模式的谐振点在850MHz左右而第二谐振模式的谐振点在1GHz左右。

步骤2，设计馈电位置。

2a)提取上述两个谐振模式的特征电场，并生成电场分布图，将电场幅值分布图中电场最大点处设为各自馈电点的位置；两个谐振模式所生成的电场分布图如图5所示，其中5(a)为第一个谐振模式在其谐振点的电场分布图，5(b)为第二个谐振模式在其谐振点的电场分布图，将两个电场分布图中电场最大点作为各自馈电点位置。

步骤3，设计单天线。

3a)在任意一个谐振模式的馈电点位置进行馈电以产生激励电压，当单天线能在所需工作频段内产生谐振，即完成馈电结构的优化设计：

首先，在第一谐振模式的馈电点位置通过任意馈电结构对其进行电压激励，即可产生一个单天线；

然后，不断优化设计此馈电结构的形状和尺寸，当所产生单天线的输入阻抗在所需频段能产生谐振，即得到所需馈电结构。本实例所设计的第一馈电结构如图6所示，第一馈电结构5为一矩形金属片，其位于地板1长边的中间部分；该第一馈电结构一端与第一馈电端口10相连，另一端与感性负载3相连；且该第一馈电结构5与第一馈电端口10位置可调。

上述馈电结构5所激励出的单天线的输入阻抗如图7所示，从图7可以看出，单天线在850MHz附近存在谐振点，即此馈电结构将第一谐振模式有效的激励了出来；图8为单天线的回波损耗图，从图8可以看出，由于端口匹配结构的缺失，天线工作频带只覆盖780～810MHz；

3b)对上述单天线进行端口阻抗匹配，当天线满足所需工作带宽，即完成了匹配结构的优化设计。

首先，对上述单天线低频进行端口阻抗匹配，从图7可以看出，上述单天线在低频不存在谐振点，为了实现阻抗匹配，在低频引入一谐振电路，优化和设计此谐振电路，当其在低频产生了谐振点，即完成了低频匹配结构的设计；

然后，对上述单天线高频进行端口阻抗匹配，从图7可以看出，上述单天线在高频感性较强，为了实现阻抗匹配，在高频引入容性结构，优化设计此容性结构的位置和尺寸，当单天线回波损耗图中的频带满足需求，即完成了高频匹配结构的设计。

本实例所设计端口匹配结构如图9所示，其包括0.5mm宽的缝隙7和谐振电路8，其中0.5mm宽缝隙位于第二感性负载4上，用于实现高频匹配，该缝隙7距第二金属片43的距离为1mm；而谐振电路8位于第一馈电结构5上，用于实现低频匹配，且该谐振电路8包括一个13pF的集总电容81和两个6.8nH的集总电感82、83，三者采用并联方式放置，其中集总电容81位于第一集总电感82与第二集总电感83之间。

引入上述端口匹配结构后，所设计单天线的输入阻抗如图10所示，将图10与图7对比，可以看出，匹配结构的引入使得单天线在低频产生了新的谐振且高频的匹配也得到了改善。

引入上述端口匹配结构后，所设计单天线的回波损耗如图11所示，可以看出此时单天线频带覆盖750～960MHz，满足设计需求。

步骤4，设计2MIMO天线***。

在上述单天线基础上，对另外一个谐振模式的馈电点位置进行馈电以产生激励电压形成第二个单天线，当两天线同时满足所需工作带宽时，即完成2MIMO天线***的优化设计。

首先，在上述单天线基础上，在第二谐振模式的馈电点位置通过任意馈电结构对其进行电压激励，即可激励出另外一个单天线，此时即产生了2MIMO天线***；

然后，对2MIMO天线***的S参数进行仿真计算，不断优化设计此馈电结构的形状和尺寸，当2MIMO天线的S参数图中两个天线的带宽均满足设计要求时，即完成了此馈电结构的优化设计。

本实例所设计第二馈电结构如图12所示，第二馈电结构6为一单极子，其一端为沿介质9上表面弯折的金属带线61，其宽度为0.5mm，另一端沿介质9边沿向上弯折并与单极子悬空部分的金属窄带62连接，且该第二馈电结构6在靠近弯折金属带线61处向下延伸，与第二馈电端口11相连，至此，地板的两个谐振模式都得到了有效激励，实现了2MIMO手机天线***。

利用上述设计方法所设计的2MIMO手机天线的整体结构图如图13所示。

参照图13，本发明设计的天线包括地板1、第一馈电结构5、第二馈电结构6、介质基板9、第一馈电端口10和第二馈电端口11，地板印制在介质基板上表面；其中地板1作为天线的辐射单元，它包括矩形金属覆铜板2和两个感性负载，即第一感性负载3和第二感性负载4，这两个感性负载分别与矩形金属覆铜板2两个长边相连，其中：

所述第一感性负载3，包括第一细短金属带线31、第一细长金属带线32和第一金属片33；该第一细短金属带线31位于矩形金属覆铜板2长边的中部，第一细长金属带线32平行于金属覆铜板2的长边，且该第一细长金属带线32的一条长边与第一细短金属带线31相连；第一金属片33垂直于矩形金属覆铜板2的长边，且该第一金属片33与第一细长金属带线32的另一条长边相连。

所述第二感性负载4，包括第二细短金属带线41、第二细长金属带线42和第二金属片43；其中第二细短金属带线41偏离矩形金属覆铜板2长边中部5.25mm，第二细长金属带线42平行于金属覆铜板2的长边，第二金属片43垂直于矩形金属覆铜板2的长边；该第二细长金属带线42的一条长边与第二细短金属带线41相连，另一条长边与第二金属片43相连；在第二细长金属带线42上设有0.5mm宽的缝隙7，该缝隙7距第二金属片43的距离为1mm，以实现高频匹配；

上述第一细短金属带线31和第二细短金属带线41的尺寸为4.5*0.5mm；第一细长金属带线32和第二细长金属带线42的尺寸为120*1.5mm；第一金属片33和第二金属片43的高度均为5mm，长度分别为120mm和99mm。

所述第一馈电结构5为一个矩形金属片，位于地板1长边的中间部分，且其与第一馈电端口10相连；第一馈电结构5上设有谐振电路8，用于实现低频匹配，该谐振电路包括一个13pF集总电容81和两个6.8nH集总电感，即第一集总电感82和第二集总电感83，三者采用并联方式放置，且集总电容81位于第一集总电感82与第二集总电感83之间；

所述第二馈电结构6为一单极子，其一端为沿介质9上表面弯折的金属带线61，其中弯折金属带线61的宽度为0.5mm，总长度为66mm；该弯折金属带线61向介质9另一端延伸60mm，并在介质另一端的边沿向上弯折4mm与单极子悬空部分的金属窄带62连接，其中金属窄带62的宽度为1mm，长度为30mm；且弯折金属带线61向下延伸1.5mm，与第二馈电端口11相连。

本发明的2MIMO手机天线效果可通过以下仿真进一步说明：

仿真1，利用商业仿真软件HFSS对本发明2MIMO手机天线的S参数进行仿真计算，结果如图14所示。

从图14可以看出，本发明2MIMO手机天线中的两个天线可以同时覆盖750-960MHz频段，天线隔离度均在-8dB以下，其中最好隔离度高达-18dB，具有良好的隔离效果。

仿真2，利用商业仿真软件HFSS对本发明2MIMO手机天线的方向图进行仿真计算，结果如图15所示，其中15(a)为第一个单天线在750MHz、850MHz和950MHz频点所对应方向图；图15(b)为第二个单天线在750MHz、850MHz和950MHz频点所对应方向图。

从图15可以看出，本发明2MIMO手机天线中的两个天线在不同频点的方向图基本保持正交性，符合特征模理论中不同模式正交的关系。

仿真3，利用商业仿真软件HFSS对本发明2MIMO手机天线的包络相关系数ECC进行仿真计算，结果如图16所示。

从图16可以看出，在整个工作频段内ECC均小于0.13，进一步说明该天线***具有很好的隔离效果。

以上描述仅是本发明的一个具体事例，不构成对本发明的任何限制，显然对本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于特征模理论的2MIMO手机天线的设计方法，包括以下步骤：

(1)手机地板结构的设计；

(1a)计算一块矩形金属覆铜板的阻抗矩阵，通过特征模理论提取金属覆铜板的特征模曲线；

(1b)修改矩形金属覆铜板的形状和尺寸，以确保在所需工作频带内具有两个特征值为0的谐振模式，且两个谐振模式要满足所设计的频带要求，即得到所需的地板的形状和尺寸；

(2)馈电位置的优化设计；

(2a)提取上述两个谐振模式的特征电场，并生成电场分布图，将电场幅值分布图中电场最大点处设为各自馈电点的位置；

(3)单天线的优化设计；

(3a)在任意一个谐振模式的馈电点位置进行馈电以产生激励电压，当单天线能在所需工作频段内产生谐振，即完成馈电结构的优化设计；

(3b)对上述单天线进行端口阻抗匹配，当天线满足所需工作带宽，即完成了匹配结构的优化设计；

(4)2MIMO天线***的优化设计；

在上述单天线基础上，对另外一个谐振模式的馈电点位置进行馈电以产生激励电压形成第二个单天线，当两天线同时满足所需工作带宽时，即完成了2MIMO天线***的优化设计。

2.一种基于特征模理论的2MIMO手机天线，包括地板(1)、第一馈电结构(5)、第二馈电结构(6)、介质基板(9)、第一馈电端口(10)和第二馈电端口(11)，地板印制在介质基板上表面，其特征在于：

所述地板(1)，作为天线的辐射单元，其包括矩形金属覆铜板(2)和两个感性负载(3，4)，这两个感性负载分别与矩形金属覆铜板(2)两个长边相连，且在第二感性负载(4)上设有0.5mm宽的缝隙(7)，以实现高频匹配；

所述第一馈电结构(5)与第一馈电端口(10)相连，且位于地板(1)长边的中间部分，该第一馈电结构(5)上设有谐振电路(8)，以实现低频匹配；

所述第二馈电结构(6)与第二馈电端口(11)相连，且位于地板(1)短边的边沿部分。

3.根据权利要求2所述的天线，其特征在于第一感性负载(3)包括第一细短金属带线(31)、第一细长金属带线(32)和第一金属片(33)，该第一细长金属带线(32)平行于金属覆铜板(2)的长边，且该第一细长金属带线(32)的一条长边与第一细短金属带线(31)相连；第一金属片(33)垂直于矩形金属覆铜板(2)的长边，且该第一金属片(33)与第一细长金属带线(32)的另一条长边相连。

4.根据权利要求2所述的天线，其特征在于第二感性负载(4)包括第二细短金属带线(41)、第二细长金属带线(42)和第二金属片(43)，该第二细长金属带线(42)平行于金属覆铜板(2)的长边，且该第二细长金属带线(42)的一条长边与第二细短金属带线(41)相连；第二金属片(43)垂直于矩形金属覆铜板(2)的长边，且该第二金属片(43)与第二细长金属带线(42)的另一条长边相连。

5.根据权利要求2所述的天线，其特征在于第一馈电结构(5)为一矩形金属片，且其与第一馈电端口(10)位置可调。

6.根据权利要求2所述的天线，其特征在于第二馈电结构(6)为一单极子，其一端为沿介质(9)上表面弯折的金属带线(61)，另一端沿介质(9)边沿向上弯折并与单极子悬空部分的金属窄带(62)连接。

7.根据权利要求2所述的天线，其特征在于谐振电路(8)，包括一个集总电容(81)和两个集总电感(82，83)，三者采用并联方式放置，且集总电容(81)位于第一集总电感(82)与第二集总电感(83)之间。

8.根据权利要求2所述的天线，其特征在于第一细短金属带线(31)和第二细短金属带线(41)的长度及其相对于矩形金属覆铜板(2)长边的位置均可调。

9.根据权利要求2所述的天线，其特征在于第一细长金属带线(32)和第二细长金属带线(42)长度与矩形金属覆铜板(2)长度相等，宽度均可调。