本发明涉及通信天线技术领域，更具体地涉及一种一体式mimo天线系统，可用于各种无线通信设备。
背景技术：
天线已经成为各种无线设备中的必备装置，用以发射和接收电磁波信号。mimo(multiple-inputmultiple-output)技术采用多个天线装置同时收发，可大幅提高无线传输速率，无需增大发射功率或增加工作频谱，是第四代移动通信和第五代通信系统的核心技术之一。为保证优异的mimo特性，必须实现天线之间的高隔离度或低耦合，以降低天线之间相关度。但是，由于现代无线设备的空间有限，天线间距较小，天线间的信号干扰变大，严重影响mimo系统的性能。传统方法依靠拉大天线之间距离来实现高隔离度，难以将更多的天线装置集成到无线设备内部，因而不能满足当前对高传输速率传输的需求。
尤其随着第五代通信系统的布局和推广，大规模天线阵列成为一种趋势，从而对紧凑型的mimo天线系统的需求越来越高。而现有技术主要通过引入寄生共振、引入降耦网络、利用正交模式等方法来提高天线之间的隔离度。
一方面，在两个天线之间引入新的寄生结构是改善隔离度的最常见的方法之一，寄生结构可生成一个相位相反的耦合路线，以抵消天线之间的原始耦合，从而改善天线隔离度。寄生结构的类型可以是槽缝、环型、条带状、悬浮结构等。但是该方法需要引入额外的结构体,占用的空间较大，不利于天线的小型化设计，此外该方法很难实现高度紧凑的mimo天线系统。
另一方面，降耦网络通常采用集总元件电路或中和线等方法来抵消天线之间的耦合，可有效地实现紧凑型mimo天线设计。但是该方法需要较多的元器件或占用较大的电路面积，且目前仅适用于单极子天线或倒f天线。
此外，将天线正交放置或激发正交电流模式，可以很好地实现高隔离度和紧凑的mimo天线系统，而不需要额外的降耦结构或电路。但是该方法需要的天线尺寸较大，难以实现mimo天线系统的集成化和小型化。
上述的现有技术均需要两个独立的天线单元，并具有较大的天线尺寸和较复杂的降耦合结构，因而不能实现紧凑型mimo系统，具有很大的应用局限性。
因而，有必要提出一种一体式mimo天线系统，将两个天线单元集成到同一结构内，并且不需要额外的降耦合结构，从而实现一种结构简单且高度集成化的mimo天线系统。
技术实现要素：
为了解决所述现有技术的不足，本发明提供了一种一体式mimo天线系统，将两个天线单元集成到一体结构中，实现了高度集成、高度紧凑、具有高隔离度的mimo天线系统。该发明可适用于各种无线通信设备中，尤其适用于大规模阵列在终端设备中的应用。
本发明所要达到的技术效果通过以下方案实现：一种一体式mimo天线系统，包括接地板、共振导线、连接在共振导线上的第一电感元件，所述共振导线与接地板连接形成环形共振体，所述共振导线的两端区域为强电流区域且电流模式方向相反、中间区域为弱电流区域，所述第一电感元件形成在弱电流区域。
优选地，还包括第一馈电和第二馈电，所述共振导线的一端通过第一馈电与接地板连接，所述共振导线的另一端通过第二馈电与接地板连接。
优选地，还包括第一激励结构和第二激励结构，所述第一激励结构和第二激励结构用于控制mimo天线系统的阻抗匹配。
优选地，还包括第三馈电和第四馈电，第一激励结构的一端连接第三馈电，第三馈电连接接地板，第一激励结构的另一端连接共振导线或者接地板；第二激励结构的一端连接第四馈电，第四馈电连接接地板，第二激励结构的另一端连接共振导线或者接地板。
优选地，所述第一激励结构包括第一元器件，所述第二激励结构包括第二元器件。
优选地，所述共振导线上还连接有至少一个第二电感元件，所述第二电感元件位于共振导线的强电流区域内。
优选地，所述共振导线的内侧和/或外侧还设有分支。
优选地，所述共振导线的内侧设有第一分支，所述第一分支形成在共振导线与接地板之间且与接地板连接。
优选地，共振导线的外侧还分别连接有第二分支和第三分支，所述第二分支和第三分支分别形成在共振导线的两端强电流区域，第二分支的一端与共振导线连接，另一端开口或者通过第三元器件与接地板连接，第三分支的一端与共振导线连接，另一端开口或者通过第四元器件与接地板连接。
优选地，所述接地板还包括净空区，所述净空区为接地板的侧边挖空的凹槽，所述共振导线配置于净空区的开口一侧。
本发明具有以下优点：
1)不同于现有的技术，本发明提出了一种一体式mimo天线系统，将两个天线单元集成到同一结构内，并且无需任何降耦合结构；
2)本发明实现了一种高度紧凑的mimo天线系统，在实现高隔离度和低相关性的同时，具有一体式结构，天线尺寸更加紧凑。
附图说明
图1a是本发明实施例一中一体式mimo天线系统第一种具体实施方案的结构示意图。
图1b是本发明实施例一中一体式mimo天线系统第二种具体实施方案的结构示意图。
图1c是本发明中一体式mimo天线系统的电流分布示意图。
图2a是本发明实施例二中一体式mimo天线系统第一种具体实施方案的结构示意图。
图2b是本发明实施例二中一体式mimo天线系统第二种具体实施方案的结构示意图。
图3a展示了本发明中一体式mimo天线系统其它实施例(例1)的示意图。
图3b展示了本发明中一体式mimo天线系统其它实施例(例2)的示意图。
图3c展示了本发明中一体式mimo天线系统其它实施例(例3)的示意图。
图3d展示了本发明中一体式mimo天线系统其它实施例(例4)的示意图。
图4a是本发明实施例三中一体式mimo天线系统第一种具体实施方案的结构示意图。
图4b是本发明实施例三中一体式mimo天线系统第二种具体实施方案的结构示意图。
图5展示了本发明中一种单频模式下的一体式mimo天线系统的s参数图。
图6展示了本发明中一种双频模式下的一体式mimo天线系统的s参数图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的组件或具有相同或类似功能的组件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“设置”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个组件内部的连通或两个组件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
通过深入研究mimo天线的耦合原理，本发明提出了一种简单且高效的降耦合方法，从而构成一体式mimo天线系统，具有更加广泛的应用前景。
实施例一
图1展示了本发明实施例一中一体式mimo天线系统的结构示意图。
如图1a所示，一体式mimo天线系统包括接地板102、第一馈电110a、第二馈电110b、共振导线120、连接在共振导线120上的第一电感元件121。
共振导线120配置于接地板102的外侧，一端连接第一馈电110a以直接馈电，另一端连接第二馈电110b以直接馈电，第一馈电110a和第二馈电110b分别与接地板102连接。所述共振导线120的两端区域为强电流区域、中间区域为弱电流区域，所述第一电感元件121形成在弱电流区域。所述接地板102铺设于印刷电路板上。所述共振导线120与接地板102共同形成一环形共振体，作为一体式mimo天线系统的共振回路，其长度约为二分之一个波长。共振导线120的中间区域连接有第一电感元件121，用以调节共振导线120的高次模式，该高次模式可有效地提高共振导线120的两端强电流区域之间的隔离度。更优地，所述第一电感元件121形成在共振导线120的中间位置或者邻近中间位置处，但不限于此。
图1b展示了本发明中实施例一的变形结构。
如图1b所示，一体式mimo天线系统包括接地板102、第三馈电110c、第一激励结构111a、第四馈电110d、第二激励结构111b、共振导线120、连接在共振导线120上的第一电感元件121。
共振导线120配置在接地板102的外侧，两端可以均与接地板102直接连接，也可以共振导线120的一端通过第一馈电110a与接地板连接和共振导线120的另一端通过第二馈电110b与接地板连接，所述共振导线120的两端区域为强电流区域、中间区域为弱电流区域，所述第一电感元件121形成在中间弱电流区域。所述共振导线120与接地板102共同形成一环形共振体，作为一体式mimo天线系统的共振回路，其长度约为二分之一个波长。
第一激励结构111a形成在共振导线120的一端强电流区域，第一激励结构111a的一端连接第三馈电110c，第一激励结构111a的另一端连接共振导线120，第三馈电110c连接接地板102。所述第一激励结构111a包括第一元器件112a，所述第一元器件112a可以为导线、电感元件或者电容元件。第二激励结构111b形成在共振导线120的另一端强电流区域，第二激励结构111b的一端连接第四馈电110d，第二激励结构111b的另一端连接共振导线120，第四馈电110d连接接地板102。所述第二激励结构111b包括第二元器件112b，所述第二元器件112b可以为导线、电感元件或者电容元件。第一激励结构111a和第二激励结构111b作为一体式mimo天线系统的激励回路，控制着一体式mimo天线系统的阻抗匹配。所述第一电感元件121用以调节共振导线120的高次模式，该高次模式可有效地提高共振导线120的两端强电流区域的隔离度。
根据本发明的实施例，所述电感元件具有电感成分，可以为集总元件，例如芯片电感器、芯片电阻器等，也可以为分布元件，例如导线、线圈等。此外，电感元件可由单一电感元件构成，也可以由多个电感元件彼此连接构成。
根据本发明的实施例，所述电容元件具有电容成分，可以为集总元件，例如芯片电容器、变容二极管、晶体管等，也可以为分布元件，例如平行导线、传输线等。此外，电容元件可由单一电容元件构成，也可以由多个电容元件彼此连接构成。为获得某特定电容，可使用多个元件的组合代替电容元件，例如，电容元件可由电容元件与电感元件的组合结构代替。
图1c是本发明中一体式mimo天线系统的电流分布示意图，以解释本发明的工作原理。
如图1c所示，在共振导线120的两端区域会产生强电流分布且电流模式方向相反，而在共振导线120的中间区域产生弱电流分布。因而，本发明中的共振导线120的电流长度约为二分之一个波长，以产生天线共振。第一电感元件121位于共振导线120的弱电流区域内，因而第一电感元件121不影响天线的共振频率，只改变高次模式的共振频率。因而，本发明中的第一电感元件121可控制高次模式，该高次模式可以有效地提高共振导线120的两端强电流区域之间的隔离度，从而实现一体式mimo天线系统。
实施例二
图2是本发明实施例二中一体式mimo天线系统的结构示意图。
如图2a所示，一体式mimo天线系统包括接地板102、第一馈电210a、第二馈电210b、共振导线220、连接在共振导线220上的第一电感元件221。
共振导线220配置于接地板102的外侧，一端连接第一馈电210a以直接馈电，另一端连接第二馈电210b以直接馈电，第一馈电210a和第二馈电210b分别与接地板102连接且形成在共振导线120的中间区域，即第一馈电210a和第二馈电210b相邻近设置。所述共振导线220的两端区域为强电流区域、中间区域为弱电流区域，所述第一电感元件221形成在弱电流区域。所述共振导线220与接地板102共同形成一环形共振体，作为一体式mimo天线系统的共振回路，其长度约为二分之一个波长。所述共振导线220的中间区域上连接有第一电感元件221，用以调节共振导线220的高次模式，以提高共振导线120的两端强电流区域之间的隔离度。
图2b展示了本发明中实施例二的变形结构。
如图2b所示，一体式mimo天线系统包括接地板102、第三馈电210c、第一激励结构211a、第四馈电210d、第二激励结构211b、共振导线220、连接在共振导线220上第一电感元件221。
共振导线220配置在接地板的外侧，两端均与接地板102直接连接，且共振导线220的两端接地端相邻近设置，所述共振导线120的两端区域为强电流区域、中间区域为弱电流区域，所述第一电感元件221形成在弱电流区域。所述共振导线220与接地板102共同形成一环形共振体。
第一激励结构211a形成在共振导线220一接地端的强电流区域，一端连接第三馈电210c，另一端连接共振导线220，第三馈电210c连接接地板102。所述第一激励结构211a包括第一元器件212a，所述第一元器件212a可以为导线、电感元件或者电容元件。第二激励结构211b形成在共振导线220另一接地端的强电流区域，一端连接第四馈电210d，另一端连接共振导线220，第四馈电210d连接接地板102。所述第二激励结构211b包括第二元器件212b，所述第二元器件212b可以为导线、电感元件或者电容元件。第一激励结构211a和第二激励结构211b作为一体式mimo天线系统的激励回路，控制着一体式mimo天线系统的阻抗匹配。
本领域技术人员应当理解的是，所述共振导线220的两端强电流区域可以是对称设置，也可以不对称设置，优选为对称设置；所述第一激励结构211a与第二激励结构211b的结构可以对称设置，也可以不对称设置，优选为对称设置所述激励结构211a与第二激励结构211b可以同时形成在强电流区域，也可以同时形成在弱电流区域，还可以分别形成在强电流区域和弱电流区域；所述第一激励结构211a与第二激励结构211b的结构可以相同，也可以不相同，优选为相同结构。
图3展示了本发明中一体式mimo天线系统其它实施例的示意图。
如图3所示，一体式mimo天线系统包括接地板102、第一馈电410a、第二馈电410b、共振导线420、连接在共振导线420上的第一电感元件421。所述共振导线420的两端区域为强电流区域、中间区域为弱电流区域，所述第一电感元件421形成在弱电流区域。
如图3a所示，并结合图1c，共振导线420上连接至少一个第二电感元件(图中所示为两个第二电感元件422a，422b)，所述第二电感元件位于共振导线420的强电流区域内，从而可有效地缩小共振导线420的长度，实现天线的小型化。其它电路结构与图1a中相同。所述第二电感元件可以是一个及以上，也可以呈不对称设置，优选为对称设置。
本发明实施例中，所述共振导线420的内侧和/或外侧还设有分支，所述分支可以增加共振导线420的电容成分，继而有效地缩小共振导线420的长度，实现天线的小型化。
具体地，如图3b所示，所述一体式mimo天线系统还包括第一分支423，所述第一分支423形成在共振导线420与接地板102之间且与接地板102连接(即共振导线420的内侧)，可以增加共振导线420的电容成分，继而有效地缩小共振导线420的长度，实现天线的小型化。其它电路结构与图1a中相同。
如图3c所示，共振导线420的外侧两侧还分别连接有第二分支424a和第三分支424b，所述第二分支424a和第三分支424b形成在共振导线420的强电流区域。优选地，第二分支424a和第三分支424b均一端连接共振导线420，另一端开口。连接有第二分支424a和第三分支424b的共振导线420可以产生两个共振，构成一双频mimo天线。其它电路结构与图1a中相同。所述第二分支424a和第三分支424b可以呈对称设置，也可以不对称设置，优选为对称设置。
如图3d所示，共振导线420的外侧分别连接有第二分支424a和第三分支424b，所述第二分支424a和第三分支424b形成在共振导线420的强电流区域。第二分支424a一端连接共振导线420，另一端通过第三元器件425a与接地板102电性连接。所述第三元器件425a为导线、电感元件或者电容元件。第三分支424b一端连接共振导线420，另一端通过第四元器件425b与接地板102电性连接。所述第四元器件425b为导线、电感元件或者电容元件。连接有第二分支424a和第三分支424b的共振导线420可以产生两个共振，构成一双频mimo天线。其它电路结构与图1a中相同。
实施例三
图4是本发明实施例三中一体式mimo天线系统的结构示意图。
如图4a所示，一体式mimo天线系统包括接地板102、净空区304、第一馈电310a、第二馈电310b、共振导线320、连接在共振导线320上的第一电感元件321。所述净空区304为接地板102的侧边挖空的凹槽。
共振导线320配置于净空区304的开口一侧，一端连接第一馈电310a以直接馈电，另一端连接第二馈电310b以直接馈电，第一馈电310a和第二馈电310b分别与接地板102连接，所述共振导线320的两端区域为强电流区域、中间区域为弱电流区域，所述第一电感元件321形成在弱电流区域。共振导线320与接地板102共同形成一环形共振体，作为一体式mimo天线系统的共振回路，其长度约为二分之一个波长。所述共振导线320的中间区域连接有第一电感元件321，用以调节共振导线320的高次模式，该高次模式可以有效提高共振导线120的两端强电流区域之间的高隔离度。
图4b展示了本发明中实施例三的变形结构。
如图4b所示，一体式mimo天线系统包括接地板102、净空区304、第三馈电310c、第一激励结构311a、第四馈电310d、第二激励结构311b、共振导线320、连接在共振导线320上的第一电感元件321。
共振导线320配置于净空区304的开口一侧，且共振导线320的两端均与接地板102直接连接，所述共振导线320的两端区域为强电流区域、中间区域为弱电流区域，所述第一电感元件321形成在弱电流区域。所述共振导线320与接地板102共同形成一环形共振体。
第一激励结构311a形成在净空区内并且形成在共振导线320的一端强电流区域，一端连接第三馈电310c，另一端连接接地板102，第三馈电310c连接接地板102。所述第一激励结构311a包括第一元器件312a，所述第一元器件312a可以为导线、电感元件或者电容元件。第二激励结构311b也形成在净空区内并且形成在共振导线320的另一端强电流区域，一端连接第四馈电310d，另一端连接接地板102，第四馈电310d连接接地板102。所述第二激励结构311b包括第二元器件312b，所述第二元器件312b可以为导线、电感元件或者电容元件。第一激励结构311a和第二激励结构311b作为一体式mimo天线系统的激励回路，控制着一体式mimo天线系统的阻抗匹配。所述第一电感元件321用以调节共振导线320的高次模式，该高次模式可有效地提高共振导线120的两端强电流区域之间的隔离度。
根据本发明的上述实施例，应当理解的是，本发明的激励结构可根据其类型、位置、连接方式等具有不同的表现形式，可采用现有技术中任意常规结构的激励回路对天线进行馈电，因而，本发明对激励回路的具体结构、类型和连接方式等不作出具体限制，本发明实施例的所有附图中的激励结构仅作为示例。
本发明的上述实施例中，本领域技术人员应当理解的是，所述共振结构、激励结构、分支及接地板之间可以设置在同一平面，也可以设置在不同的平面，本发明实施例的所有附图中以在同一平面作为示例，不应以此作为限制。
图5展示了本发明中一种单频模式下的一体式mimo天线系统的s参数图。
如图5所示，第一曲线5a是第一天线产生的反射系数，第二曲线5b是由第二天线产生的反射系数。两个天线的中心频率均在3.5ghz附近，具有宽带特性。第三曲线5c是两个天线之间的反向传输系数，代表了天线之间的耦合度，可以得知，第三曲线5c在工作频带内产生了一个耦合峰谷，从而可确保天线之间产生较高的隔离度(15db以上)。此外，该一体式mimo天线的辐射效率均在80％以上，且仿真中得到的相关度(ecc)低于0.1。因而，本发明中的一体式mimo天线系统具有隔离度高、辐射性能好、相关性低等特点，适用于mimo系统的应用。
图6展示了本发明中一种双频模式下的一体式mimo天线系统的s参数图。
结合图4，可知，本发明中的一体式mimo天线系统可产生一个或多个共振，在单频段或多频段内实现高隔离度。如图6所示，第一曲线6a和第二曲线6b分别是第一天线和第二天线产生的反射系数。两个天线同时在3.5ghz和5.5ghz两个频段内产生共振。第三曲线6c为天线之间的反向传输系数，代表天线间的耦合度，可以得知，两个频段内的隔离度均在10db以上。因而，本发明中的降耦合技术也适用于多频段模式下的一体式mimo天线系统。
综上所述，上述实施例相比现有技术，具有如下特点：
1)本发明实现了一种高度紧凑的mimo天线系统，在实现高隔离度和低相关性的同时，具有一体式结构，天线尺寸更加紧凑，具有广阔的应用前景。
2)本发明中的一体式mimo天线系统不仅适用于单频带，也适用于多频带。
以上所述是本发明的优选实施方式，并非对本发明做出任何形式上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也是为本发明的保护范围。
1.一种一体式mimo天线系统，其特征在于，包括接地板、共振导线、连接在共振导线上的第一电感元件，所述共振导线与接地板连接形成环形共振体，所述共振导线的两端区域为强电流区域且电流模式方向相反、中间区域为弱电流区域，所述第一电感元件形成在弱电流区域。
2.如权利要求1所述的一种一体式mimo天线系统，其特征在于，还包括第一馈电和第二馈电，所述共振导线的一端通过第一馈电与接地板连接，所述共振导线的另一端通过第二馈电与接地板连接。
3.如权利要求2所述的一种一体式mimo天线系统，其特征在于，还包括第一激励结构和第二激励结构，所述第一激励结构和第二激励结构用于控制mimo天线系统的阻抗匹配。
4.如权利要求3所述的一种一体式mimo天线系统，其特征在于，还包括第三馈电和第四馈电，第一激励结构的一端连接第三馈电，第三馈电连接接地板，第一激励结构的另一端连接共振导线或者接地板；第二激励结构的一端连接第四馈电，第四馈电连接接地板，第二激励结构的另一端连接共振导线或者接地板。
5.如权利要求4所述的一种一体式mimo天线系统，其特征在于，所述第一激励结构包括第一元器件，所述第二激励结构包括第二元器件。
6.如权利要求1所述的一种一体式mimo天线系统，其特征在于，所述共振导线上还连接有至少一个第二电感元件，所述第二电感元件位于共振导线的强电流区域内。
7.如权利要求1所述的一种一体式mimo天线系统，其特征在于，所述共振导线的内侧和/或外侧还设有分支。
8.如权利要求7所述的一种一体式mimo天线系统，其特征在于，所述共振导线的内侧设有第一分支，所述第一分支形成在共振导线与接地板之间且与接地板连接。
9.如权利要求8所述的一种一体式mimo天线系统，其特征在于，共振导线的外侧还分别连接有第二分支和第三分支，所述第二分支和第三分支分别形成在共振导线的两端强电流区域，第二分支的一端与共振导线连接，另一端开口或者通过第三元器件与接地板连接，第三分支的一端与共振导线连接，另一端开口或者通过第四元器件与接地板连接。
10.如权利要求1-9任一项所述的一种一体式mimo天线系统，其特征在于，所述接地板还包括净空区，所述净空区为接地板的侧边挖空的凹槽，所述共振导线配置于净空区的开口一侧。
技术总结