專利名稱：用于無線局域網(wǎng)移動終端的雙極化內(nèi)置槽天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于無線局域網(wǎng)移動終端的雙極化內(nèi)置槽天線設(shè)計，特別用于多
輸入多輸出系統(tǒng)的終端中，屬于無線通信技術(shù)的天線設(shè)計領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
自上世紀90年代以來，無線通信技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，無線通信的業(yè)務(wù)種類隨 之增長迅速。20多年前的第一代移動通信系統(tǒng)為模擬制式，數(shù)據(jù)傳輸速率低，僅僅支持無 線語音業(yè)務(wù)，不支持無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；當?shù)诙苿油ㄐ偶夹g(shù)成為主導(dǎo)后，數(shù)據(jù)傳輸速率有所 提高，在支持語音業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上，增加了低速的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，GSM移動通信網(wǎng)的傳輸速度可達 到9. 6K/s。目前，第三代移動通信業(yè)務(wù)在世界各地迅速發(fā)展，其重要特征為高速數(shù)據(jù)傳輸速 率，可以支持多媒體等高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，能夠處理圖像、音樂、視頻流等多種媒體形式，提供包 括網(wǎng)頁瀏覽、電話會議、電子商務(wù)等多種信息服務(wù)。于此同時，無線局域網(wǎng)(WLAN)業(yè)務(wù)也逐 步發(fā)展，其數(shù)據(jù)傳輸速率應(yīng)該至少在1Mbps以上。為了提供以WLAN為代表的高速無線通信 新服務(wù)，需要進一步提高無線數(shù)據(jù)傳輸速率，目前在室內(nèi)、室外和行車的環(huán)境中能夠分別支 持至少2M/s、384K/s以及144K/s的傳輸速度，當然新的業(yè)務(wù)需要更高的數(shù)據(jù)率來支持?？?以說，隨著無線通信業(yè)務(wù)的發(fā)展，對于無線傳輸速率要求越來越高。 多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)是提高無線信道容量的有效方式之一。MIMO系統(tǒng)在通 信系統(tǒng)的發(fā)射端和接收端分別采用多個天線單元，充分利用無線信號的多徑效應(yīng)，成倍地 提高無線通信信道容量，將無線通信中固有的多徑衰落缺陷轉(zhuǎn)化為提高信道容量的手段。 采用MIMO系統(tǒng)，使得通信系統(tǒng)在信道帶寬一定的情況下，可以突破香農(nóng)容量的限制，是目 前乃至未來高速率無線通信的重要方案。同時如何設(shè)計MIMO系統(tǒng)，最大限度的提高信道容 量。也是目前各界研究的熱點。 在典型的MIMO系統(tǒng)中，需要利用多天線間發(fā)送或者接收信號的不相關(guān)性來提高 無線信道信道容量，信號間的不相關(guān)性需要天線間足夠的距離來保證，通常天線間距離要 不小于工作波長的一半，這個要求為當前小型化的移動終端提出了挑戰(zhàn)。目前，隨著無線通 信技術(shù)的發(fā)展，人們越來越追求移動終端的小型化、便攜性，體積大的移動終端在市場是沒 有競爭力的。天線是無線通信系統(tǒng)的必不可少的組成部分之一，由于天線的性能受到小型 移動終端的空間限制，導(dǎo)致在移動終端內(nèi)實現(xiàn)MIMO系統(tǒng)非常困難。所以在空間受限的條件 下，通過MIMO系統(tǒng)提高信道容量，需要探求如何減小天線間的距離和如何減小天線單元體 積的辦法。 目前，對于空間受限的MIMO系統(tǒng)中如何減小天線間距離的研究有很多，相對有效 的辦法是通過單天線的多極化代替單極化的多天線。例如利用單天線的兩個相互正交的極 化，可以代替兩個單極化的天線，從而節(jié)省了兩個天線間的距離。而目前研發(fā)的雙極化天線 通常采用兩個輻射單元來產(chǎn)生雙極化，造成單天線的體積不夠緊湊；為提高雙極化之間的 隔離度，通常利用兩種饋電方式或結(jié)構(gòu)分別激勵雙極化，或者引入空氣橋的技術(shù)等，這樣造 成饋電結(jié)構(gòu)的復(fù)雜并且引入插損，不利于天線小型化的設(shè)計。如果可以由同一饋電結(jié)構(gòu)激勵同一天線單元產(chǎn)生雙極化，且不增加其他可以引入損耗的器件，可實現(xiàn)緊湊的天線輻射 與饋電結(jié)構(gòu)，是天線單元小型化的有效解決方案。故此類多極化天線可以同時減小天線間 的距離和天線單元的體積，將天線應(yīng)用于無線移動終端MIM0系統(tǒng)中，不但將滿足現(xiàn)有無線 局域網(wǎng)業(yè)務(wù)高數(shù)據(jù)速率的要求，而且可以將此類天線設(shè)計方法應(yīng)用于實現(xiàn)其他無線通信業(yè) 務(wù)的小型設(shè)備中，促進未來新業(yè)務(wù)在無線移動通信中的發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)緊湊、小型化、易集成、設(shè)計靈活的無線局域網(wǎng)移動 終端雙極化內(nèi)置槽天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計。該天線采用槽天線的形式，可以同時支持水平和垂直 兩種正交的極化模式，具有較高的隔離度。通過采用共面波導(dǎo)的奇對稱模式和偶對稱模式 饋電，分別激勵所述槽天線的水平和垂直極化模式，實現(xiàn)同一饋電結(jié)構(gòu)的兩種正交激勵方 式，利于饋電單元的小型化設(shè)計。這種緊湊的天線單元和饋電單元設(shè)計，具有高隔離度的兩 種極化模式，利用單天線的雙極化代替MMO系統(tǒng)的雙天線，克服原有MM0天線間距大和天 線單元體積大的缺點。本發(fā)明采用普通的印刷電路板(PCB， printed circuit board)，降 低了設(shè)計的成本。 本發(fā)明的特征在于，含有印刷電路板、刻槽金屬地、微帶饋線3以及共面波導(dǎo)饋線 2，其中 刻槽金屬地，印制在所述印刷電路板的正面，同時，在所述刻槽金屬地刻的槽為矩 形槽，作為天線的輻射單元，所述矩形槽的橫向長度決定水平極化的諧振頻率，縱向長度決 定垂直極化的諧振頻率； 共面波導(dǎo)饋線2，印制在所述印刷電路板的正面，所述共面波導(dǎo)饋線的內(nèi)導(dǎo)體為階 梯形式，用于與所述矩形槽阻抗匹配，調(diào)節(jié)所述矩形槽諧振的帶寬，所述內(nèi)導(dǎo)體終端伸入所 述矩形槽內(nèi)部，所述共面波導(dǎo)饋線的外導(dǎo)體為所述刻槽金屬地； 微帶饋線3，印制在所述印刷電路板的背面，為平面L型饋線，饋線長度用于調(diào)節(jié) 所述微帶饋線3與所述共面波導(dǎo)饋線2之間阻抗的匹配。 所述的用于無線局域網(wǎng)移動終端的雙極化內(nèi)置槽天線，其特征在于由所述微帶 饋線3饋電時，將能量耦合到所述共面波導(dǎo)饋線2，所述共面波導(dǎo)饋線2工作于奇對稱模式， 通過所述內(nèi)外導(dǎo)體的縫隙激勵所述矩形槽的水平極化模式。 所述的用于無線局域網(wǎng)移動終端的雙極化內(nèi)置槽天線，其特征在于由所述共面 波導(dǎo)饋線2饋電時，所述共面波導(dǎo)饋線2工作于偶對稱模式，通過所述共面波導(dǎo)饋線2內(nèi)導(dǎo) 體激勵所述矩形槽的垂直極化模式。 所述的用于無線局域網(wǎng)移動終端的雙極化內(nèi)置槽天線，其特征在于所述矩形槽 的水平極化和垂直極化模式，能分別單獨工作，也能同時工作。 本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)緊湊、小型化、易集成、設(shè)計靈活的優(yōu)點，適用于以無線局域網(wǎng)業(yè) 務(wù)為代表的各種高速率通信新技術(shù)小型移動終端內(nèi)置天線的設(shè)計。


圖1為本發(fā)明提供的共面波導(dǎo)饋電的雙極化槽天線三維圖，深色部分是印刷電路 板背面。
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圖2為圖1的A向視圖即縱向剖面圖。 圖3為圖1的B向視圖。 圖4為圖1的C向視圖。 圖5為圖1的A向視圖結(jié)構(gòu)的實施實例尺寸圖，單位均為毫米(mm)。 圖6為圖1的B向視圖結(jié)構(gòu)的實施實例尺寸圖，單位均為毫米(mm)。 圖7為圖1中B向視圖結(jié)構(gòu)中共面波導(dǎo)饋線的實施實例尺寸圖，單位均為毫米 圖8為圖1的C向視圖結(jié)構(gòu)的實施實例尺寸圖，單位均為毫米(mm)。 圖9為圖5-圖8的實施實例的雙極化槽天線的S參數(shù)測量圖——:微帶饋線3饋
電時回波損耗(S11);—一 共面波導(dǎo)饋線2饋電時回波損耗(S22);-參_ :隔離度(S21)。
圖10為圖5_圖8的實施實例的雙極化槽天線的效率測量圖_ ■ _ :微帶饋線3饋電時效率；_參_ :共面波導(dǎo)饋線2饋電時效率。 圖11為圖5-圖8的實施實例的雙極化槽天線的由微帶饋線3饋電，共面波導(dǎo)饋線2接50歐姆匹配負載，工作于2.4GHz時的功率增益方向圖(-■-: e分量功率增益方
向圖；-參-:Cp分量功率增益方向圖)(a) :X_Y平面功率增益方向圖；(b) :X-Z平面功率增益方向圖；(C) :Y-Z平面功率增益方向圖。 圖12為圖5-圖8的實施實例的雙極化槽天線的由共面波導(dǎo)饋線2饋電，微帶饋線3接50歐姆匹配負載，工作于2.4GHz時的功率增益方向圖(-■-: e分量功率增益方
向圖；-參-:(P分量功率增益方向圖)(a) :X_Y平面功率增益方向圖；(b) :X-Z平面功率增益方向圖；(C) :Y-Z平面功率增益方向圖。
具體實施例方式本發(fā)明提供一種無線局域網(wǎng)終端的內(nèi)置雙極化槽天線，具體實施方案包括
印刷電路板； 刻槽金屬地，印制在所述印刷電路板的正面，該金屬地刻有矩形槽，該矩形槽連接共面波導(dǎo)饋線2的內(nèi)導(dǎo)體，所述刻槽金屬地本身作為共面波導(dǎo)饋線的外導(dǎo)體；
共面波導(dǎo)饋線2，印制在所述印刷電路板的正面，內(nèi)導(dǎo)體申入所屬矩形槽內(nèi)，外導(dǎo)體為所述金屬地； 微帶饋線3，印制在所述印刷電路板的背面，與所述共面波導(dǎo)饋線2耦合；
如圖1-圖3所示，天線系統(tǒng)包括刻槽金屬地1、共面波導(dǎo)饋線2、微帶饋線3和印刷電路板4。金屬地1與共面波導(dǎo)饋線2印制在印刷電路板4的正面，結(jié)構(gòu)如圖3所示；微帶饋線3印制在印刷電路板4的背面，結(jié)構(gòu)如圖4所示。微帶饋線3和共面波導(dǎo)饋線2端口寬度均按50歐姆設(shè)計。當由微帶饋線3饋電時，信號路徑為微帶饋線3->共面波導(dǎo)饋線2- >矩形槽；當由共面波導(dǎo)饋線2饋電時，信號路徑為共面波導(dǎo)饋線2- >矩形槽。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的矩形槽天線由于可以同時支持兩種極化方式，包括水平極化和垂直極化，可以作為產(chǎn)生雙極化的輻射單元；而共面波導(dǎo)的饋電結(jié)構(gòu)，可以同時支持奇對稱饋電模式與偶對稱饋電模式，故可以作為雙極化天線的饋電單元。這樣，利用共面波導(dǎo)的奇對稱模式(微帶饋線3饋電時)激勵槽天線的水平極化，利用共面波導(dǎo)的偶對稱模式(共面波導(dǎo)饋線2饋電)激勵槽天線的垂直極化，同時共面波導(dǎo)和槽天線各自
5的兩種模式由于結(jié)構(gòu)的正交性，使得極化間具有很高的隔離度。同時，利用同一饋電結(jié)構(gòu)激 勵同一輻射單元實現(xiàn)兩種極化模式，利于天線單元的小型化設(shè)計?？傮w來說，本天線的設(shè)計 滿足無線移動終端內(nèi)置MIMO天線小型化、結(jié)構(gòu)緊湊、高隔離度的要求。
該結(jié)構(gòu)具體說明如下 首先根據(jù)要求實現(xiàn)的工作頻率，設(shè)計矩形槽天線的尺寸，由于水平極化模式通過 共面波導(dǎo)的縫隙饋電，垂直極化模式通過內(nèi)導(dǎo)體申入矩形槽內(nèi)饋電，二者饋電的形式不同， 橫縱向尺寸略有不同；其次，根據(jù)移動終端的體積決定天線整體的尺寸；第三，由于共面波 導(dǎo)結(jié)構(gòu)在兩種饋電模式中都用到，先設(shè)計微帶饋線，調(diào)節(jié)L型線的位置和水平長度，實現(xiàn)微 帶饋線與共面波導(dǎo)之間的阻抗匹配，使水平極化模式呈現(xiàn)良好的性能；最后，調(diào)節(jié)共面波導(dǎo) 內(nèi)導(dǎo)體申入槽的距離，實現(xiàn)垂直極化模式良好的阻抗匹配。本發(fā)明的匹配網(wǎng)絡(luò)可以采用普 通的數(shù)字電路PCB制作工藝制作。 印刷電路板采用lmm厚的介質(zhì)基片，相對介電常數(shù)為4. 4 (普通數(shù)字電路板材料 FR4，與匹配電路板材料相同)；其余各部份尺寸如圖5-圖8所示，單位均為毫米(mm)。
以圖5-圖8所示尺寸制作的雙極化槽天線的S參數(shù)測試結(jié)果如圖9 所示，由微帶饋線微帶饋線3饋電時，槽天線回波損耗Sll < -lOdB的帶寬為
1. 96GHz-2. 63GHzGHz (27. 9 % );由共面波導(dǎo)饋線共面波導(dǎo)饋線2饋電時，槽天線回波損 耗Sll < -lOdB的帶寬為1.93GHz-2. 75GHz (27. 9 % )，均可以覆蓋無線局域網(wǎng)工作頻段
2. 4GHz-2. 484GHz。在該頻段內(nèi)，兩個端口之間的隔離度S21優(yōu)于-32. 6dB。 以圖5-圖8所示尺寸制作的雙極化槽天線的輻射效率測試結(jié)果如圖10所示，在 無線局域網(wǎng)工作頻段2. 4GHz-2. 484GHz的范圍內(nèi)，兩種極化模式的效率均優(yōu)于83%。
以圖5-圖8所示尺寸制作的雙極化槽天線的功率增益方向圖如圖11和12所示。 由微帶饋線微帶饋線3饋電時，水平極化功率增益方向圖如圖ll所示，E面(X-Y平面)和 H面(Y-Z平面)的3dB波束寬度大約分別為60。和180° ，在此波束內(nèi)的交叉極化分別優(yōu) 于8. 9dB和15. 2dB ;由共面波導(dǎo)共面波導(dǎo)饋線2饋電時，垂直極化功率增益方向圖如圖12 所示，E面(Y-Z平面)和H面(X-Y平面)的3dB波束寬度大約分別為100°和70° ，在此 波束內(nèi)的交叉極化分別優(yōu)于22. 3dB和5. 6dB。 兩種不同極化模式時在X-Y平面的交叉極化稍大(未優(yōu)于15dB)，但是從圖11和 12可以看出主極化的極點與交叉極化零點相互對應(yīng)，兩種極化功率增益方向圖的積分值在 零點左右相互抵消，總積分值接近于零，故兩種極化基本不相關(guān)。在Y-Z平面內(nèi)極化隔離度 足夠高，可認為極化間相關(guān)性小，故槽天線由共面波導(dǎo)兩種正交模式激勵時，在3-D空間內(nèi) 具有較低的極化相關(guān)性。可知，所述天線可以同時支持兩種極化模式，且兩種極化模式具有 較高的隔離度，可以應(yīng)用MIMO系統(tǒng)中代替雙天線，節(jié)約了雙天線間的距離；同時所述天線 結(jié)構(gòu)緊湊，實現(xiàn)了天線的小型化。本發(fā)明為MIMO系統(tǒng)在小型移動終端內(nèi)置提供解決方案， 促進無線高速數(shù)據(jù)移動業(yè)務(wù)的發(fā)展。 本發(fā)明的雙極化槽天線不僅可以應(yīng)用在無線局域網(wǎng)小型移動終端MIMO系統(tǒng)內(nèi)置 天線中，也可以應(yīng)用于其它業(yè)務(wù)的移動終端，相應(yīng)根據(jù)業(yè)務(wù)工作頻率調(diào)整所述槽天線的尺 寸。本發(fā)明非常適用于無線高速業(yè)務(wù)移動終端內(nèi)置MMO系統(tǒng)的設(shè)計。
權(quán)利要求
用于無線局域網(wǎng)移動終端的雙極化內(nèi)置槽天線，其特征在于含有印刷電路板、刻槽金屬地、微帶饋線(3)以及共面波導(dǎo)饋線(2)，其中刻槽金屬地，印制在所述印刷電路板的正面，同時，在所述刻槽金屬地刻的槽為矩形槽，作為天線的輻射單元，所述矩形槽的橫向長度決定水平極化的諧振頻率，縱向長度決定垂直極化的諧振頻率；共面波導(dǎo)饋線(2)，印制在所述印刷電路板的正面，所述共面波導(dǎo)饋線的內(nèi)導(dǎo)體為階梯形式，用于與所述矩形槽阻抗匹配，調(diào)節(jié)所述矩形槽諧振的帶寬，所述內(nèi)導(dǎo)體終端伸入所述矩形槽內(nèi)部，所述共面波導(dǎo)饋線的外導(dǎo)體為所述刻槽金屬地；微帶饋線(3)，印制在所述印刷電路板的背面，為平面L型饋線，饋線長度用于調(diào)節(jié)所述微帶饋線(3)與所述共面波導(dǎo)饋線(2)之間阻抗的匹配。
2. 依據(jù)權(quán)利要求1所述的用于無線局域網(wǎng)移動終端的雙極化內(nèi)置槽天線，其特征在 于由所述微帶饋線(3)饋電時，將能量耦合到所述共面波導(dǎo)饋線(2)，所述共面波導(dǎo)饋線 (2)工作于奇對稱模式，通過所述內(nèi)外導(dǎo)體的縫隙激勵所述矩形槽的水平極化模式。
3. 依據(jù)權(quán)利要求1所述的用于無線局域網(wǎng)移動終端的雙極化內(nèi)置槽天線，其特征在 于由所述共面波導(dǎo)饋線(2)饋電時，所述共面波導(dǎo)饋線(2)工作于偶對稱模式，通過所述 共面波導(dǎo)饋線(2)內(nèi)導(dǎo)體激勵所述矩形槽的垂直極化模式。
4. 依據(jù)權(quán)利要求1所述的用于無線局域網(wǎng)移動終端的雙極化內(nèi)置槽天線，其特征在 于所述矩形槽的水平極化和垂直極化模式，能分別單獨工作，也能同時工作。
全文摘要
用于無線局域網(wǎng)移動終端的雙極化內(nèi)置槽天線，屬于天線設(shè)計領(lǐng)域，其特征在于，在印刷電路板正面的共面波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)中，可以同時支持奇對稱饋電模式和偶對稱饋電模式，分別激勵可在印刷電路板正面金屬地內(nèi)部的槽天線的水平和垂直兩種極化模式，在同一輻射單元實現(xiàn)兩種正交極化模式，同時由同一饋電結(jié)構(gòu)的兩種正交傳輸模式激勵。本發(fā)明具有小型化、寬帶、結(jié)構(gòu)緊湊、高隔離度的優(yōu)點，適用于以無線局域網(wǎng)業(yè)務(wù)為代表的小型化移動終端多輸入多輸出系統(tǒng)天線上。
文檔編號H01Q21/00GK101697380SQ20091023580
公開日2010年4月21日 申請日期2009年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月9日
發(fā)明者馮正和, 張志軍, 李越, 陳文華 申請人:清華大學;