專利名稱：天線元件及mimo天線裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及通信天線，更具體地說，涉及一種天線元件及包含天線元件 MIMO(Multiple-Input Multiple-Out-put)天線裝置。
背景技術：
隨著半導體工藝的高度發(fā)展，對當今的電子系統(tǒng)集成度提出了越來越高的要求， 器件的小型化成為了整個產業(yè)非常關注的技術問題。然而，不同于IC芯片遵循“摩爾定律” 的發(fā)展，作為電子系統(tǒng)的另外重要組成一射頻模塊，卻面臨著器件小型化的高難度技術挑戰(zhàn)。射頻模塊主要包括了混頻、功放、濾波、射頻信號傳輸、匹配網絡與天線等主要器件。 其中，天線作為最終射頻信號的輻射單元和接收器件，其工作特性將直接影響整個電子系統(tǒng)的工作性能。然而天線的尺寸、帶寬、增益等重要指標卻受到了基本物理原理的限制(固定尺寸下的增益極限、帶寬極限等)。這些指標極限的基本原理使得天線的小型化技術難度遠遠超過了其它器件，而由于射頻器件的電磁場分析的復雜性，逼近這些極限值都成為了巨大的技術挑戰(zhàn)。比如，傳統(tǒng)的終端通信天線主要基于電單極子或偶極子的輻射原理進行設計，最常用的平面反F天線(PIFA)。傳統(tǒng)天線的輻射工作頻率直接和天線的尺寸正相關，帶寬和天線的面積正相關，使得天線的設計通常需要半波長的物理長度。多輸入多輸出系統(tǒng)(MIMO)技術的優(yōu)點是能夠增加無線范圍并提高性能。所謂的 MIMO是指無線網絡訊號通過多重天線進行同步收發(fā)，所以可以增加資料傳輸率。多輸入多輸出系統(tǒng)(MIMO)在無線通信、無線數(shù)據(jù)服務領域的高速發(fā)展更進一步苛刻地要求了天線尺寸的小型化并同時保證良好的隔離度、輻射性能以及抗干擾能力。此時的信道容量隨著天線數(shù)量的增大而線性增大。也就是說可以利用MIMO信道成倍地提高無線信道容量，在不增加帶寬和天線發(fā)送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高。

實用新型內容本實用新型要解決的技術問題在于，突破傳統(tǒng)天線設計的框架，省去阻抗匹配網絡的復雜設計，保證其小型化，使其能夠應用在尺寸受限的無線通訊裝置之中，且天線輻射面積利用率高、抗干擾能力強。因此，本實用新型提供一種天線元件及應用該天線元件的 MIMO天線裝置。一種天線元件包括一介質基板和設置于介質基板上的至少兩天線單元；所述天線單元包括一饋電單元、設置于饋電單元兩側的接地單元、與該饋電單元相連接的饋線及一金屬結構，饋線與金屬結構相互電信號耦合連接；所述至少兩天線單元至少使兩不同的通訊頻段的電磁波諧振。進一步地，所述至少兩天線單元相互獨立設置于介質基板上。進一步地，所述兩天線單元數(shù)量為兩個。進一步地，所述饋電單元、接地單元、饋線及一金屬結構均采用銅材料制成。進一步地，所述兩天線單元之間信號隔離度最大設置于介質基板上。[0010]進一步地，所述兩天線單元中的金屬結構相同。進一步地，所述兩天線單元中的金屬結構為一對互補式的金屬結構。進一步地，所述介質基板采用介電材料制成。進一步地，所述接地單元上可設由金屬化的通孔。一種MIMO天線裝置包括切換單元和MIMO調制解調電路，MIMO調制解調電路通過切換單元接收所述天線元件的電信號和傳送電信號給所述天線元件。采用人工電磁材料技術設計出相關電磁波諧振響應金屬結構庫，這些結構尺寸相對傳統(tǒng)的天線結構較小，使得天線的物理尺寸不受半波長的物理長度限制；根據(jù)應用產品選取阻抗匹配的金屬結構后并通過不斷的篩選、測試及調整，最終來優(yōu)化篩選適合的金屬結構，使得所選的金屬結構至少使兩種不同波長的電磁波諧振，從而基于上述金屬結構設計相應的天線單元；然后基于MIMO技術提高多天線單元發(fā)送或者接收信息吞吐量。

下面將結合附圖及實施例對本實用新型作進一步說明圖1為本實用新型MIMO天線裝置模塊示意圖；圖2為圖1所示天線元件一具體實施例的結構示意圖；圖3為圖1所示天線元件另一具體實施例的結構示意圖；圖4為圖1所示天線元件第三具體實施例的結構示意圖；圖5為圖2、3及4所示天線元件中天線單元的一實施方式示意圖；圖6為圖2、3及4所示天線元件中天線單元的另一實施方式示意圖；圖7為圖2、3及4所示天線元件中天線單元的第三實施方式示意圖；圖8為本實用新型一互補式天線單元結構圖；圖9為本實用新型天線元件包含一對互補式天線單元結構圖。圖10為本實用新型天線元件包含兩個圖8所示互補式天線單元結構圖。
具體實施方式
以下結合附圖及具體實施例對本實用新型做進一步的描述請參閱圖1，所述MIMO天線裝置包括一天線元件12、切換單元19及MIMO調制解調電路18。所述天線元件12包括兩個天線單元10，每一天線單元10的饋電點向外延伸成引腳，每一天線單元10通過所述引腳一一與切換單元19連接；MIMO調制解調電路18通過切換單元19接收所述至少兩天線單元10的電信號和傳送電信號給所述至少兩天線單元10。請參閱圖2，為所述天線元件一具體實施例的結構示意圖。所述天線元件12包括一介質基板7和設置于介質基板7 —表面上的兩天線單元10。兩天線單元10相互獨立設置于介質基板7上。天線單元10包括一饋電單元5、設置于饋電單元5兩側的接地單元8、與該饋電單元5相連接的饋線4及一金屬結構6。其中饋線4與金屬結構6相互電信號耦合連接；所述金屬結構6為采用人工電磁材料方式設計；所述人工電磁材料由具有一定圖案形狀的人造金屬導電片按照特定方式排列于介質基材上。介質基板的材質可選用空氣、陶瓷、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料等介電材料。人造金屬導電片不同的圖案形狀和排列方式使得超材料具有不同的介電常數(shù)和不同的磁導率從而使得超材料具有不同的電磁響應。其中，當該人造金屬導電片處于諧振頻段時，該人造金屬導電片將表現(xiàn)出高度的色散特性，所謂高度的色散特性是指該人造金屬導電片的阻抗、容感性、等效的介電常數(shù)和磁導率隨著頻率會發(fā)生劇烈的變化。在本實施方式中，所述金屬結構6為軸對稱金屬結構圖形，對應的兩諧振頻段為2. 4GHz-2. 49GHz和4. 9G-5. 9GHz。其中金屬結構6為銅或銀材料制成。 優(yōu)選為銅，價格低廉，導電性能好。為了實現(xiàn)更好阻抗匹配，金屬結構12也為銅和銀組合。在本實施方式中，為減少兩天線單元10工作時相互干擾，使兩天線單元10的饋線 4長度不相等，進而使得兩天線單元10錯位排列設置以使得兩天線單元在介質基板7上保持信號最大隔離度。于接地單元8包部分夾的饋線4略寬于其它部分的饋線4，且饋線4 一端設置一用于接收電信號饋電單元5。在本實施方式中，饋電單元5為一覆銅線。所述接地單元8根據(jù)饋線4設置寬度和長度。在本實施方式中，由于兩天線單元 10錯位排列，因此兩天線單元10對應的形狀接地單元。請參閱圖3，為所述天線元件另一具體實施例的結構示意圖。所述每一天線單元 10的接地單元8上可設由金屬化的通孔81。請參閱圖4，為所述天線元件優(yōu)選的實施例的結構示意圖。所述介質基板7的空余部分上設置于穿孔82，所述穿孔82目的可以減輕產品重量以及有助于配合其應用的電子設備進行散熱。請一并參考圖5、圖6及圖7，所述饋線4與金屬結構6之間信號饋入方式可以多種。如圖5所示，所述饋線4直接與所述金屬結構6相連；且所述饋線4與金屬結構6的相連接點位置可以位于金屬結構6上的任意位置。如圖6和7所示，饋線4采用包圍方式設置于與所述金屬結構6外圍且饋線4的末端設置于金屬結構6外圍任意位置。請參閱圖8，為本實用新型的另一實施方式互補式金屬結構的天線單元結構圖。所述天線單元10’中的金屬結構6’與上述實施方式金屬結構6形成互補。也就是說，由一完整的片金屬片切分成兩部分，即金屬結構6和互補式金屬結構6’兩部分。介質基板7上附著金屬結構6或互補式金屬結構6’及饋線4和饋電點5，從而形成本實用新型所述的天線單元10。本實施方式中，將兩相同的金屬結構6’及對應的饋線4和饋電點5設置于同一介質基板7上，也就是說，將兩個天線單元10設置于同一介質基板7上形成一天線元件12。所述天線元件12可通過接口插接于包含兩諧振頻段(例如 2. 4GHz-2. 49GHz和4. 9G-5. 9GHz)的無線通訊裝置。而所述金屬結構6與饋線4的方式可以相同，也可以不同，根據(jù)最后的MIMO天線裝置的測試最佳效果來修改饋電方式。在本實施方式中，所述金屬結構6與饋線4都采用非直接電連接方式，即電信號電感電容方式饋入。請參閱圖9，為天線單元包含一對互補式天線單元結構圖。將金屬結構6和互補式金屬結構6’兩種相互互補的金屬結構6設置于同一介質基板7上形成一天線元件。當然， 將形狀相同的互補式金屬結構6’設置于同一介質基板7上也可形成本實用新型的天線元件(如圖10所示)。本實施例利用人工電磁材料的特性，采用在金屬片上鏤刻成金屬結構6的方式， 使得金屬結構6及與金屬結構所依附的介質共同組成一個等效介電常數(shù)按照洛侖茲材料諧振模型色散的電磁材料，從而設計出多諧振頻段的天線。在本實施方式中，如圖2、3、4、9及10所示天線元件12可用于工作頻率為2. 4GHz和5. 8GHz無線通訊裝置中。本實施例中，關于天線元件12的加工制造，只要滿足本實用新型的設計原理，可以采用各種制造方式。最普通的方法是使用各類印刷電路板(PCB)的制造方法，覆銅的PCB 制造均可滿足本實用新型的加工要求。另外還可將上述形狀金屬結構6、饋線4和饋電點5 都印刷于FPC板上。除上述加工方式，還可以根據(jù)實際的需要引入其它加工手段，如導電銀漿油墨加工方式、各類可形變器件的柔性PCB加工、鐵片天線的加工方式以及鐵片與PCB組合的加工方式。其中，鐵片與PCB組合加工方式是指利用PCB的精確加工來完成芯片微結構部分的加工，用鐵片來完成其它輔助部分。由于采用低成本的銅材料形成所述金屬結構6，因此暴露空氣中容易被氧化而使天線元件諧振頻率偏移或者性能急劇下降，因此天線元件12表面上設置有非金屬的防氧化薄膜。由于本實用新型的主要性能都基于在金屬結構6設計， 因此，饋線4的引線對天線元件的輻射頻率影響相對較小。上面結合附圖對本實用新型的實施例進行了描述，但是本實用新型并不局限于上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本實用新型的啟示下，在不脫離本實用新型宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本實用新型的保護之內。
權利要求1.一種天線元件，其特征在于，所述天線元件包括一介質基板和設置于介質基板上的至少兩天線單元；所述天線單元包括一饋電單元、設置于饋電單元兩側的接地單元、與該饋電單元相連接的饋線及一金屬結構，饋線與金屬結構相互電信號耦合連接；所述至少兩天線單元至少使兩不同的通訊頻段的電磁波諧振。
2.根據(jù)權利要求1所述的天線元件，其特征在于，所述至少兩天線單元相互獨立設置于介質基板上。
3.根據(jù)權利要求2所述的天線元件，其特征在于，所述兩天線單元數(shù)量為兩個。
4.根據(jù)權利要求3所述的天線元件，其特征在于，所述饋電單元、接地單元、饋線及一金屬結構均采用銅材料制成。
5.根據(jù)權利要求3所述的天線元件，其特征在于，所述兩天線單元之間信號隔離度最大設置于介質基板上。
6.根據(jù)權利要求3所述的天線元件，其特征在于，所述兩天線單元中的金屬結構相同。
7.根據(jù)權利要求3所述的天線元件，其特征在于，所述兩天線單元中的金屬結構為一對互補式的金屬結構。
8.根據(jù)權利要求1所述的天線元件，其特征在于，所述介質基板采用介電材料制成。
9.根據(jù)權利要求1所述的天線元件，其特征在于，所述接地單元上可設由金屬化的通孔。
10.一種包含權利要求1至9任意一項中的天線元件的MIMO天線裝置，其特征在于， MIMO天線裝置包括切換單元和MIMO調制解調電路，MIMO調制解調電路通過切換單元接收所述天線元件的電信號和傳送電信號給所述天線元件。
專利摘要一種天線元件包括一介質基板和設置于介質基板上的至少兩天線單元；所述天線單元包括一饋電單元、設置于饋電單元兩側的接地單元、與該饋電單元相連接的饋線及一金屬結構，饋線與金屬結構相互電信號耦合連接；所述至少兩天線單元至少使兩不同的通訊頻段的電磁波諧振。采用人工電磁材料技術設計出相關電磁波諧振響應金屬結構庫，這些結構尺寸相對傳統(tǒng)的天線結構較小，使得天線的物理尺寸不受半波長的物理長度限制；基于上述金屬結構設計相應的天線單元；然后基于MIMO技術提高多天線單元發(fā)送或者接收信息吞吐量。
文檔編號H01Q1/38GK202231145SQ20112028958
公開日2012年5月23日 申請日期2011年8月10日 優(yōu)先權日2011年8月10日
發(fā)明者劉若鵬, 徐冠雄, 方能輝, 李岳峰 申請人:深圳光啟創(chuàng)新技術有限公司, 深圳光啟高等理工研究院