专利名称：单极、双极、混合mimo天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线通信领域，更具体地说，涉及一种单极MMO天线、双极MMO天线及混合MMO天线。
背景技术：
随着半导体エ艺的高度发展，对当今的电子系统集成度提出了越来越高的要求，器件的小型化成为了整个产业非常关注的技术问题。然而，不同于IC芯片遵循“摩尔定律”的发展，作为电子系统的另外重要组成一射频模块，却面临着器件小型化的高难度技术挑战。射频模块主要包括了混频、功放、滤波、射频信号传输、匹配网络与天线等主要器件。其中，天线作为最終射频信号的辐射单元和接收器件，其工作特性将直接影响整个电子系统的工作性能。然而天线的尺寸、带宽、増益等重要指标却受到了基本物理原理的限制(固定尺寸下的增益极限、带宽极限等)。这些指标极限的基本原理使得天线的小型化技术难度 远远超过了其它器件，而由于射频器件的电磁场分析的复杂性，逼近这些极限值都成为了巨大的技术挑战。与此同吋，由于多输入多输出(MMO)系统可以在不需要増加带宽或总发送功率损耗的前提下大幅度増加系统的信息呑吐量及传输距离，使得MMO技术近年来备受瞩目。除此之外，由于MIMO的核心思想是利用多根发射与多根接收天线所提供的空间自由度来提高频谱利用效率，因此如何在有限移动终端尺寸限制下，设计高隔离度与强辐射性能的MIMO天线成为阻碍第四代移动通信系统发展的重要技术瓶颈。传统的終端通信天线主要基于电单极子或偶极子的辐射原理进行设计，比如最常用的平面反F天线(PIFA)。传统天线的辐射工作频率直接和天线的尺寸正相关，带宽和天线的面积正相关，使得天线的设计通常需要半波长的物理长度。这使得传统天线技术在移动终端尺寸受限的前提下难以实施。除此之外，在ー些更为复杂的电子系统中，天线需要多模工作，就需要在馈入天线前额外的阻抗匹配网络设计。但阻抗匹配网络额外的増加了电子系统的馈线设计、増大了射频系统的面积同时匹配网络还引入了不少的能量损耗，很难满足现代通信系统低功耗的系统设计要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，传统天线技术在移动终端尺寸受限的前提下难以实施，以及现有技术的上述很难满足现代通信系统低功耗的系统设计要求，本发明提供一种突破传统天线设计的框架，省去阻抗匹配网络的复杂设计，保证其小型化，使其能够应用在尺寸受限的移动终端之中，且天线辐射面积利用率高、抗干扰能力强的MMO天线。本发明解决其上述技术问题所采用的第一个技术方案是一种单极MMO天线，所述单极MIMO天线由多个单极射频天线组成,姆个单极射频天线包括金属片、馈线以及连接馈线和金属片的可短接点，所述金属片上镂刻有金属微结构。进ー步地，所述金属微结构包括互补式开ロ谐振环结构、互补式螺旋线结构、开ロ螺旋环结构、双开ロ螺旋环结构、互补式弯折线结构以及通过前面几种结构衍生、复合、组合或组阵得到的金属微结构。进ー步地，所述单极MMO天线中的每个单极射频天线金属微结构均相同，或者所述单极MIMO天线中至少有两个具有不同金属微结构的单极射频天线。进ー步地，所述每个单极射频天线还包括用于放置所述金属片和馈线的介质。进ー步地，所述介质空气、陶瓷、环氧树脂基板或聚四氟こ烯基板。 本发明解决上述技术问题所采用的第二个技术方案是一种双极MMO天线，所述双极MMO射频天线由多个双极射频天线组成，每个双极射频天线包括两片平板状的相互平行的金属片、馈线以及接地线，所述两片金属片上均设置有可短接点，分别用于连接馈线和接地线，所述两片金属片上均镂刻有金属微结构。
进ー步地，所述金属微结构包括互补式开ロ谐振环结构、互补式螺旋线结构、开ロ螺旋环结构、双开ロ螺旋环结构、互补式弯折线结构以及通过前面几种结构衍生、复合、组合或组阵得到的金属微结构。进ー步地,所述双极MIMO天线中的姆个双极射频天线金属微结构均相同,或者所述双极MIMO天线中至少有两个具有不同金属微结构的双极射频天线。进ー步地，所述两片金属片上均设有金属化通孔，所述两片金属片通过该金属化通孔短接。进ー步地，所述的每个双极射频天线还包括设在两片金属片之间的实际填充介质，所述两片金属片分别位于该实际填充介质的上下两层。进ー步地，所述实际填充介质为空气、陶瓷、环氧树脂基板或聚四氟こ烯基板。本发明解决上述技术问题所采用的第三技术方案是ー种混合MMO天线，所述混合MIMO天线包括至少ー个单极射频天线和至少ー个双极射频天线，其中，姆个单极射频天线包括金属片、馈线以及连接馈线和金属片的可短接点，所述金属片上镂刻有金属微结构；每个双极射频天线包括两片平板状的相互平行的金属片、馈线以及接地线，所述两片金属片上均设置有可短接点，分别用于连接馈线和接地线，所述两片金属片上均镂刻有金属微结构。进ー步地，所述金属微结构包括互补式开ロ谐振环结构、互补式螺旋线结构、开ロ螺旋环结构、双开ロ螺旋环结构、互补式弯折线结构以及通过前面几种结构衍生、复合、组合或组阵得到的金属微结构。进ー步地,所述混合MIMO天线中的姆个单极射频天线金属微结构均相同,或者所述混合MIMO天线中至少有两个不同金属微结构的单极射频天线；所述混合MIMO天线中的每个双极射频天线金属微结构均相同，或者所述混合MIMO天线中至少有两个具有不同金属微结构的双极射频天线。上述三个方案具有相同的技术效果，即通过设计天线的结构，省去阻抗匹配网络的复杂设计，保证天线的小型化，从而使其能够应用在尺寸小、受限的移动终端之中，并且整个MIMO天线中的姆ー小天线的隔离度提高,从而易于集成在一起。
下面将结合附图及实施例对本发明作进ー步说明，附图中
图I为多个单极射频天线组成的单极MMO天线系统的结构示意图；图2a为本发明中单极射频天线的一个示例性结构；图2b为本发明中单极MIMO天线的天线I的工作频率模拟仿真图；图2c为本发明中单极MIMO天线的天线I和天线2间的隔离度模仿真图；图2d为本发明中单极MMO天线的天线I和天线3间的隔离度模仿真图；图3为多个双极射频天线组成的双极MIMO天线系统的结构示意图；图4a为本发明中双极射频天线的ー个示例性结构；图4b为本发明中双极MMO天线的天线4的工作频率模拟仿真图； 图4c为本发明中双极MMO天线的天线4和天线5间的隔离度模仿真图；图4d为本发明中双极MMO天线的天线4和天线6间的隔离度模仿真图；图5为本发明混合MMO天线系统的结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图及具体实施例对本发明做进ー步的描述如图I、图3、图5所示，本发明提供了三种形式的MMO天线，分别是单极MMO天线、双极MIMO天线及混合MIMO天线。本发明中的单极MIMO天线由多个单极射频天线10组成,本发明中的双极MIMO天线由多个双极射频天线20组成,本发明中的混合MIMO天线由至少ー个单极射频天线10和至少ー个双极射频天线20混合组成。此处的MMO即是指多输入多输出。即MMO天线上的所有单个的天线同时发射，同时接收。下面分三个实施例来详细介绍本发明。实施例一如图I所示，在本实施例中，所述单极MMO天线由多个单极射频天线组成，每个单极射频天线包括金属片11及馈线12，所述馈线12采用耦合方式馈入所述金属片11。其中组成单极MIMO天线的单极射频天线金属微结构可以都相同，也可以不同。每个单极射频天线连接ー个接收发射机，所有的接收发射机连接在一个基带信号处理器上。本发明中用于放置金属片和馈线的介质可以是空气、陶瓷或者介质基板；关于馈线的可短接点位置，馈线与金属微结构的可短接点位置可以位于金属微结构上的任意位置。对于本实施例中的单极MIMO天线，可通过调整馈线的馈入耦合方式、金属片拓扑微结构与尺寸大小、馈线引线长度、以及馈线与金属微结构的可短接点位置来进行工作频率的调谐。人工电磁材料是ー种利用金属微结构进行加工制造的等效特种材料，其性能直接取决于其亚波长的金属微结构。在谐振频段，人工电磁材料通常体现出高度的色散特性，换言之，其阻抗、容感性、等效的介电常数和磁导率随着频率会发生剧烈的变化。因而可采用人工电磁材料对与金属片相接触介质的基本特性进行改造，使得金属片与相接触的介质等效地组成了ー个高度色散的特种电磁材料，从而实现辐射特性丰富的新型天线。本实施例利用人工电磁材料的特性，采用在金属片上镂刻金属微结构的方式，使得金属片及与金属片相接触的介质共同组成ー个等效介电常数按照洛仑兹材料谐振模型色散的电磁材料，实现改变天线的辐射特性的目的。
本实施例中，关于天线的加工制造，只要满足本发明的设计原理，可以采用各种制造方式。最普通的方法是使用各类印刷电路板(PCB)的制造方法，金属化的通孔，双面覆铜的PCB制造均可满足本发明的加工要求。除此加工方式，还可以根据实际的需要引入其它加工手段，比如RFID (RFID是Radio Frequency Identification的缩写，即射频识别技术，俗称电子标签)中所使用的导电银浆油墨加工方式、各类可形变器件的柔性PCB加工、鉄片天线的加工方式以及铁片与PCB组合的加工方式。其中，铁片与PCB组合加工方式是指利用PCB的精确加工来完成芯片微结构部分的加工，用铁片来完成其它辅助部分。其次，可短接点可以位于金属片上的任意位置。馈线馈入方式不改变本发明的エ作原理，但会改变天线具体的辐射性能。同吋，由于本发明的主要性能都集中在金属微结构拓扑和芯片部分的设计，因此，馈线的引线对天线的辐射频率影响相对较小。基于这个特点，射频芯片小天线可以被灵活的摆放在系统的任何位置，简化的安装测试的复杂度。
图2a为在本发明的MMO射频芯片天线中金属片11上镂刻的互补式螺旋线金属微结构的单极射频天线，图2b为所述单极MIMO天线中安装图2a所示的单极射频天线时第一个天线工作频率的仿真测试图，同时天线ニ及天线三具有相同的工作频率；图2c为所述单极MIMO天线中安装图2a所示的单极射频天线时天线I与天线2间隔离度的仿真测试图，此图表示我们以天线I与天线2两者间互相进行收、发测试，如图2c中的S21參数表示天线I发射信号天线2进行接收，我们通过S21的仿真测试结果来衡量天线一与天线ニ俩者间的隔离度性能。同时对两个天线之间距离进行调节，得到了两个天线随着距离变化的隔离度模拟仿真示意图；图2d为所述单极MIMO天线中安装图2a所示的单极射频天线时天线I与天线3之间隔离度的仿真模拟测试图，此图表示我们以天线I与天线3两者间互相进行收、发测试，如图2d中的S31參数表示天线I发射信号天线3进行接收，我们通过S31的仿真测试结果来衡量天线I与天线3两者间的隔离度性能。同时对两天线之间距离进行调节，得到了两个天线随着距离变化的隔离度模拟仿真示意图；由图2b可以看出端ロ I的工作频率为2276. 9MHz,当端ロ I为信号输入端，端ロ 2为信号接收端，在工作频率均为2276. 9MHz时，随着端ロ I和端ロ 2所连接的天线的距离d的变化，端ロ 2接收信号能力相应的随着变化，d=2mm 时，dB = -8. 3231282 ;d = 4mm 时，dB = -9. 3310982 ;d = 6mm 时，dB = -10. 28451 ；d = 8mm 时，dB = -10. 979197 ；d = IOmm 时，dB = -11. 441247。当端 ロ I 为信号输入端，端ロ 3为信号接收端，在工作频率为2276. 9MHz时，随着端ロ I和端ロ 3所连接的天线的距离d的变化，端ロ I接收信号能力相应的随着变化，d = 2mm吋，dB = -12. 838414 ；d = 4mm时，dB = -15. 564651 ；d = 6mm 时，dB = -16. 675505 ；d = 8mm 时，dB = -17. 222181 ；d =IOmm时，dB = -17. 561818，由此可以看出本发明的单极MMO天线在有限的空间内，相邻两天线的干扰很小，且随着距离的増大，两个天线之间的干扰越小，仿真测试表明本专利发明的MIMO多天线技术具有很高的隔离度。实施例ニ如图3及图4a所示,在本实施例中，所述双极MIMO天线由多个双极射频天线20组成，每个双极射频天线20包括馈线101、接地线102、两片具有拓扑结构的金属片组成，两片金属片平行放置，馈线101馈入其中ー个金属片，接地线102接另ー金属片，且两金属片上可设有金属化通孔，用于实现金属片的短接。其中组成所述双极MIMO天线的双极射频天线金属微结构可以都相同，也可以不同。每个双极射频天线连接ー个接收发射机，所有的接收发射机连接在一个基带信号处理器。其中，馈线和接地线一般视为射频芯片小天线的两个引脚，以标准50欧姆阻抗馈入，但馈线的馈入方式与接地线的接入方式可以是容性耦合也可以是感性耦合。上下两个金属片的拓扑结构与尺寸可以相同，也可以不同，从而进行混合结构设计，并不改变基本辐射原理。此时，两金属片之间的介质为实际填充介质(介质材料可以任意选择，一般可以是空气、陶瓷或者介质基板)，上下两个金属片可通过金属化通孔进行短接，两个金属片短接吋，该天线的辐射參数将会发生相应变化。另外馈线与接地线的可短接点位置可以是任意位置。对于本实施例中的MIMO射频芯片阵列天线，可通过调整馈线的馈入耦合方式、接地线的接地方式、上下两成金属片的金属微结构与尺寸大小、上下两层金属片的金属化通孔位置、以及馈线与接地线与上下两层金属片的可短接点位置进行调谐。
在本实施例中，双极射频天线是利用人工电磁材料的特性，采用在上下金属片上镂刻金属微结构的方式，使得金属片之间等效填充ー个介电常数按照洛仑兹材料谐振模型色散的电磁材料，实现改变天线的辐射特性的目的。本实施例中，关于天线的加工制造，只要满足本发明的设计原理，可以采用各种制造方式。最普通的方法是使用各类印刷电路板(PCB)的制造方法，金属化的通孔，双面覆铜的PCB制造均可满足本发明的加工要求。由于所述双极MMO天线的主要性能都集中在金属微结构的设计，因此，馈线与接地线的引线对天线的辐射频率影响相对较小。基于这个特点，双极MIMO天线的安装测试复杂度大大降低。如图4所示，图4a为本发明的MMO射频芯片天线中金属片上镂刻有互补式螺旋线金属微结构的双极射频天线，图4b为所述双极MIMO天线中安装图4a所示的双极射频天线时第一个天线工作频率的仿真测试图，同时天线5及天线6具有相同的工作频率；图4c为所述双极MMO天线中安装图4a所示的双极射频天线时天线4与天线5之间隔离度的仿真测试图，此图表示以天线4与天线5两者间互相进行收、发测试，如图4c中的參数表示天线4发射信号，天线5进行接收，通过图4c所示的仿真结构来衡量天线4与天线5两者间的隔离度性能。同时对两个天线之间的距离进行调节，得到了两个天线随着距离变化的隔离度模拟仿真示意图，图4d为所述双极MIMO天线中安装图4a所示的双极射频天线时天线4与天线6之间隔离度的仿真模拟测试图，此图表示我们以天线4与天线6两者间互相进行收、发测试，如图4d中的參数表示天线4发射信号天线6进行接收，我们通过仿真测试结果来衡量天线4与天线6两者间的隔离度性能。同时对两天线之间距离进行调节，得到了两个天线随着距离变化的隔离度模拟仿真示意图；由图4b可以看出端ロ 4的工作频率为2276. 9MHz,当端ロ 4为信号输入端，端ロ 5为信号接收端，在工作频率均为2271. 9MHz时，随着端ロ 4和端ロ 5所连接的天线的距离d的变化，端ロ 5接收信号能力相应的随着变化，d=2mm 时，dB = -8. 7421896 ；d = 4mm 时，dB = -10. 197478 ；d = 6mm 时，dB = -11. 331764 ；d = 8mm 时，dB = -12. 095867 ；d = IOmm 时，dB = -12. 62097。当端 ロ 4 为信号输入端，端ロ 6为信号接收端，在工作频率为2276. 9MHz时，随着端ロ 4和端ロ 6所连接的天线的距离d的变化,端ロ I接收信号能力相应的随着变化，d = 2mm时,dB = -8. 0843541 ；d = 4mm时，dB = -10. 146808 ；d = 6mm 时，dB = -11. 338065 ；d = 8mm 时，dB = -12. 128368 ；d = IOmm时，dB = -12. 679786，由此可以看出本发明的双极MMO天线在有限的空间内，在此空间中的天线之间的干扰很小，且随着距离d的增大，两个天线之间的干扰越小，仿真测试表明本发明的MIMO多天线技术具有很高的隔离度。实施例三如图5所示,在本实施例中，所述混合MIMO天线由多至少一个单极射频天线10和至少一个双极射频天线20组成,组成混合MIMO天线的每个射频天线的金属微结构可以相同，也可以不同，每个射频天线连接一个接收发射机，所有的接收发射机连接在一个基带信号处理器上。关于本实施例中的单极和双极射频天线的特性，与实施例一和实施例二中的射 频天线的特性一致，在此不再重复。另外金属微结构的结构并不限于图2a与图4a所示，还可是其它结构，例如开口谐振环结构、互补式螺旋线结构、开口螺旋环结构、双开口螺旋环结构、互补式弯折线结构以及通过前面几种结构衍生、复合、组合或组阵得到的金属微结构。上述金属微结构为现有的微结构，在公开号为CN201490337的中国专利中有详细记载，此处不再描述。上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式
，上述的具体实施方式
仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
权利要求
1.一种单极MIMO天线,其特征在于,所述单极MIMO天线由多个单极射频天线组成,每个单极射频天线包括金属片、馈线以及连接馈线和金属片的可短接点，所述金属片上镂刻有金属微结构。
2.根据权利要求I所述的单极MIMO天线，其特征在于，所述金属微结构包括互补式开口谐振环结构、互补式螺旋线结构、开口螺旋环结构、双开口螺旋环结构、互补式弯折线结构以及通过前面几种结构衍生、复合、组合或组阵得到的金属微结构。
3.根据权利要求2所述的单极MIMO天线，其特征在于，所述单极MIMO天线中的每个单极射频天线金属微结构均相同，或者所述单极MIMO天线中至少有两个具有不同金属微结构的单极射频天线。
4.根据权利要求I所述的单极MIMO天线，其特征在于，所述每个单极射频天线还包括用于放置所述金属片和馈线的介质。
5.根据权利要求4所述的单极MIMO天线，其特征在于，所述介质为空气、陶瓷、环氧树脂基板或聚四氟乙烯基板。
6.一种双极MIMO天线,其特征在于,所述双极MIMO射频天线由多个双极射频天线组成，每个双极射频天线包括两片平板状的相互平行的金属片、馈线以及接地线，所述两片金属片上均设置有可短接点，分别用于连接馈线和接地线，所述两片金属片上均镂刻有金属微结构。
7.根据权利要求6所述的双极MMO天线，其特征在于，所述金属微结构包括互补式开口谐振环结构、互补式螺旋线结构、开口螺旋环结构、双开口螺旋环结构、互补式弯折线结构以及通过前面几种结构衍生、复合、组合或组阵得到的金属微结构。
8.根据权利要求7所述的双极MIMO天线，其特征在于，所述双极MIMO天线中的每个双极射频天线金属微结构均相同，或者所述双极MIMO天线中至少有两个具有不同金属微结构的双极射频天线。
9.根据权利要求6所述的双极MMO天线，其特征在于，所述两片金属片上均设有金属化通孔，所述两片金属片通过该金属化通孔短接。
10.根据权利要求6所述的双极MIMO天线，其特征在于，所述的每个双极射频天线还包括设在两片金属片之间的实际填充介质，所述两片金属片分别位于该实际填充介质的上下两层。
11.根据权利要求10所述的双极MMO天线，其特征在于，所述实际填充介质为空气、陶瓷、环氧树脂基板或聚四氟乙烯基板。
12.—种混合MIMO天线,其特征在于,所述混合MIMO天线包括至少一个单极射频天线和至少一个双极射频天线，其中， 每个单极射频天线包括金属片、馈线以及连接馈线和金属片的可短接点，所述金属片上镂刻有金属微结构； 每个双极射频天线包括两片平板状的相互平行的金属片、馈线以及接地线，所述两片金属片上均设置有可短接点，分别用于连接馈线和接地线，所述两片金属片上均镂刻有金属微结构。
13.根据权利要求12所述的混合MMO天线，其特征在于，所述金属微结构包括互补式开口谐振环结构、互补式螺旋线结构、开口螺旋环结构、双开口螺旋环结构、互补式弯折线结构以及通过前面几种结构衍生、复合、组合或组阵得到的金属微结构。
14.根据权利要求13所述的混合MMO天线，其特征在于，所述混合MMO天线中的每个单极射频天线金属微结构均相同，或者所述混合MIMO天线中至少有两个不同金属微结构的单极射频天线；所述混合MIMO天线中的每个双极射频天线金属微结构均相同，或者所述混合MIMO天线中至少有两个具有不同金属微结构的双极射频天线。
全文摘要
本发明涉及一种单极MIMO天线，所述单极MIMO天线由多个单极射频天线组成，每个单极射频天线包括金属片、馈线以及连接馈线和金属片的可短接点，所述金属片上镂刻有金属微结构。本发明提供的单极MIMO天线，突破传统天线设计的框架，省去阻抗匹配网络的复杂设计，保证其小型化，使其能够应用在尺寸小、传输效率高、天线间隔离度高的移动终端之中，并满足现代通信系统低功耗的系统设计要求。另外本发明还涉及一种双极MIMO天线及一种混合MIMO天线。
文档编号H01Q1/38GK102683807SQ201110062200
公开日2012年9月19日 申请日期2011年3月14日 优先权日2011年3月14日
发明者刘若鹏, 季春霖, 张洋洋 申请人:深圳光启创新技术有限公司, 深圳光启高等理工研究院