基于特征模理论的2MIMO手机天线及其设计方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术的天线结构简单，方便加工，性能良好，可用于现代无线通信系统。

2MIMO mobile phone antenna based on characteristic mode theory and its design method

The invention discloses a 2MIMO mobile phone antenna based on the characteristic mode theory and a design method thereof. The antenna design, including the floor (1), (5), the first feeding structure of the feed structure (6), second (9), the first substrate feeding port (10) and second (11), the feeding port floor is printed on the surface of the substrate; the floor comprises a rectangular metal clad laminate (2) load and two (3,4), the perceptual two inductive load are connected with the rectangular metal CCL two long side is second and the use of inductive load (4) on the gap (7) to achieve high frequency matching; the first feed structure is located in the middle part of the long side of the floor, and the first feeding port is connected, and the use of the resonant circuit (8) low frequency matching; second connected feed structure is located on the short side of the floor edge and a second feed port. The antenna has the advantages of simple structure, convenient processing and good performance, and can be used in modern wireless communication systems.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于通信
，具体涉及一种2MIMO手机天线系统的设计方法，可用于GSM通信频段的手机。
技术介绍
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技术即在通信系统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，成倍地提升系统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双天线系统，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系统的效能。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“DesignofOrthogonalMIMOHandsetAntennasBasedonCharacteristicModeManipulationatFrequencyBandsBelow1GHz”，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“MIMOMobileHandsetAntennaMergingCharacteristicModesforIncreasedBandwidth”，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手机天线系统的设计。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。
技术实现思路
本专利技术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手机天线系统的设计方法，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，本专利技术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天线系统的优化设计；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天线系统的优化设计。本专利技术具有以下有益效果：1.本专利技术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，本专利技术的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.本专利技术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，可使本专利技术的2MIMO手机天线在较低频段实现很好的隔离效果。3.本专利技术的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.本专利技术的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是本专利技术的设计方法流程图。图2是本专利技术设计方法中矩形金属覆铜板的特征模曲线。图3是本专利技术设计方法中手机天线的地板结构图。图4是本专利技术设计方法中手机地板的特征模曲线。图5是本专利技术设计方法中手机地板两个谐振模式的电场分布图。图6本专利技术设计方法中单天线的馈电结构。图7是本专利技术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是本专利技术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是本专利技术设计方法中单天线端口阻抗匹配结构的放大图。图10是本专利技术设计方法中单天线输入阻抗图。图11是本专利技术设计方法中单天线的回波损耗图。图12是本专利技术设计方法中本文档来自技高网...

【技术保护点】
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天线系统的优化设计；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天线系统的优化设计。

【技术特征摘要】
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天线系统的优化设计；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天线系统的优化设计。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。...

【专利技术属性】
技术研发人员：史琰，李可，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61