技术领域

本发明涉及移动终端通信技术领域， 尤其涉及一种用来降低移动终端多 输入多输出 （MIMO )天线的 SAR值， 在保证其正常通信效率的前提下降低 对人体的辐射伤害的 MIMO天线系统和辐射吸收方法。

背景技术

目前， 很多人都已经知道电磁辐射可以直接对人体的 器官、 细胞或者神 经系统产生危害， 这是电磁场的生物电磁效应， 为了表征电磁波与生物体相 互作用后电磁波对人体的作用程度， 人们提出了比吸收率的概念——

SAR(Specific Absorption Rate),比吸收率是指单位质量的生物体（包括人 体） 在单位时间内吸收的电磁辐射能量（瓦） ， 单位 W/Kg。 这些电磁辐射不仅 仅局限于大型电机设备， 我们日常生活中的水箱、 电脑、 PDA等均可作为辐 射源， 尤其目前快速发展的移动通信终端， 用户对信息传输的质量和速度要 求越来越高， 能够有效实现这一目标的 MIMO 技术应运而生， 而承载着 MIMO多天线系统进行大容量信息传输的移动终� �也不可避免的带来了更多 的电磁辐射弊端。 MIMO系统的移动终端设备要求安置多根天线， 如何在满 足相应的带宽、 增益、 隔离度等电性能指标的同时， 不增加多天线系统对人 体的 SAR值， 这对天线设计提出了新的挑战。

目前， 通常用来降低天线系统 SAR值的方法主要有： （1 )在终端的内 壳或外壳上涂覆屏蔽材料， 使终端发射电磁信号时， 朝向人体的有害电磁波 能够被屏蔽掉， 以此来降低 SAR值，但这种方法导致屏蔽层在屏蔽有害电磁 波的同时也降低了信号的传输效率， 而且随着时间的积累屏蔽层也会渐渐变 薄失去屏蔽作用； （2 )在天线与人体模型之间加入导体材料， 利用导体材料 将射向人体的电磁波反射， 使天线方向图由圓形变成心形方向图， 进而降低 终端天线 SAR值，但该反射板要根据不同的主机天线形状 进行针对设计，成 本较高； （ 3 )在靠近人体的一侧加入铁氧体材料等磁性材� �能够有效降低天 线 SAR值， 在目前降低 SAR值的方法中， 该方法占主导地位， 不过电磁波 由低磁导率向高磁导率方向传播的特性， 导致有用信号也会被隔离， 降低了 通信效率； （4 )还可以通过降低发射功率来减小 SAR值， 但发射功率又与 信号传输能量成正比， 所以要找到协调点才能达到共赢， 随机性比较大。

而在移动终端要解决多天线 SAR值降低的问题，就面临着面积小，体积 薄， 同时保证辐射效率及通信质量等挑战，上文提 到的已有的减小 SAR值的 方法都有利有弊， 但缺乏灵活性， 难以适应目前快速发展的通信行业现状， 亟待一种新的降低 SAR值的方法来改变现状。

发明内容

本发明提供了一种 MIMO天线系统， 解决了降低 SAR值的问题。

一种 MIMO天线系统， 包括耦合的 MIMO天线与 PCB板， 该系统还包 括一通过 PCB板与所述 MIMO天线耦合的金属辐射贴片， 所述金属辐射片 为二维电磁带隙结构， 所述 PCB板处于所述 MIMO天线与所述金属辐射片 之间， 所述 MIMO天线与所述 PCB板、 所述金属辐射贴片俯视重合；

所述二维电磁带隙结构吸收所述 MIMO 天线发出的频率在所述二维电 磁带隙结构带隙外的电磁波。 优选的， 所述金属辐射贴片包含多个子贴片， 该多个子贴片处于同一平 面中， 子贴片间无连接。 优选的，所述子贴片为花环型结构，所述花环 型结构包括四个花型结构， 四个花型结构的中心分别处于一个正方型的四 个顶点， 花型结构间无连接； 所述花型结构包括一正方型， 该正方型结构的四角是圓形花瓣结构， 所 述花瓣结构的圓心为所述正方型花蕊结构的顶 点， 所述正方型花蕊结构和圓 形花瓣结构构成高阻电路的电容；

所述正方型花蕊结构的四边中点延伸出四个矩 形结构， 该矩形结构构成 高阻电路的电感；

所述正方型花蕊结构和圓形花瓣结构构成高阻 电路的电容与所述矩形结 构构成高阻电路的电感并联。 优选的， 所述 MIMO天线为弯折结构。 优选的，所述金属辐射贴片的覆盖范围与所述 MIMO天线的弯折结构重 合。

优选的， 所述 PCB 板外层还包括一层接地板， 所述接地板上与所述 MIMO天线弯折结构对应的部位镂空， 所述金属辐射贴片置于所述接地板的 镂空部。

优选的，所述花瓣结构的直径的两倍不大于所 述正方型花蕊结构的边长。

本发明还提供了一种应用上述 MIMO天线系统的辐射吸收方法， 包括： 二维电磁带隙结构在能带结构中形成带隙；

当电磁波通过所述能带结构时， 若所述电磁波的频率在带隙外， 则所述 能带结构过滤所述电磁波。

优选的， 该方法还包括：

当所述电磁婆的频率在所述带隙内时， 所述能带结构对所述电磁波进行 全发射。

优选的， 该方法还包括：

通过调整所述正方型花蕊结构的边长调整电容 值；

通过调整所述正方型花蕊结构的四边中点延伸 出四个矩形结构延伸出的 长度调整电感。

本发明实施例提供了一种 MIMO天线系统和辐射吸收方法， 该 MIMO 天线系统包括耦合的多输入多输出 （ MIMO )天线与 PCB板， 该系统还包括 一通过 PCB板与所述 MIMO天线耦合的金属辐射贴片， 所述金属辐射片为 二维电磁带隙结构， 所述 PCB板处于所述 MIMO天线与所述金属辐射片之 间， 所述 MIMO天线与所述 PCB板、 所述金属辐射贴片俯视重合， 所述二 维电磁带隙结构吸收所述 MIMO 天线发出的频率在所述二维电磁带隙结构 带隙外的电磁波， 在 MIMO天线谐振频率附近，金属辐射贴片提供的� �联的 LC 等效电路的阻抗无穷大， 形成表面波的频率带隙， 从而阻止能量向人体 的传播， 解决了降低 SAR值的问题。 附图概述

图 1是本发明举例涉及到的 LTE终端 MIMO天线示意图；

图 2是本发明提到加入电磁带隙结构后整体反面� �意图；

图 3是本发明实施例中电磁带隙单元结构示意图� �

图 4是本发明实施例未加入电磁带隙结构时 MIMO的天线性能参数示意 图；

图 5是本发明实施例加入电磁带隙结构时 MIMO的天线性能参数示意图。 本发明的较佳实施方式

目前， 通常用来降低天线系统 SAR值的方法主要有： （1 )在终端的内 壳或外壳上涂覆屏蔽材料， 使终端发射电磁信号时， 朝向人体的有害电磁波 能够被屏蔽掉， 以此来降低 SAR值，但这种方法导致屏蔽层在屏蔽有害电磁 波的同时也降低了信号的传输效率， 而且随着时间的积累屏蔽层也会渐渐变 薄失去屏蔽作用； （2 )在天线与人体模型之间加入导体材料， 利用导体材料 将射向人体的电磁波反射， 使天线方向图由圓形变成心形方向图， 进而降低 终端天线 SAR值，但该反射板要根据不同的主机天线形状 进行针对设计，成 本较高； （ 3 )在靠近人体的一侧加入铁氧体材料等磁性材� �能够有效降低天 线 SAR值， 在目前降低 SAR值的方法中， 该方法占主导地位， 不过电磁波 由低磁导率向高磁导率方向传播的特性， 导致有用信号也会被隔离， 降低了 通信效率； （4 )还可以通过降低发射功率来减小 SAR值， 但发射功率又与 信号传输能量成正比， 所以要找到协调点才能达到共赢， 随机性比较大。

而在移动终端要解决多天线 SAR值降低的问题，就面临着面积小，体积 薄， 同时保证辐射效率及通信质量等挑战，上文提 到的已有的减小 SAR值的 方法都有利有弊， 但缺乏灵活性， 难以适应目前快速发展的通信行业现状， 亟待一种新的降低 SAR值的方法来改变现状。

为了解决上述问题， 本发明的实施例提供了一种 MIMO天线系统。 下文 中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明 。 需要说明的是， 在不冲突的 情况下 , 本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互 任意组合。

下面结合附图对本发明提供的一种降低终端 MIMO 天线 SAR值的 MIMO天线系统进行说明。

本发明实施例的技术方案提供了一种能够降低 终端天线 SAR值的新型 结构， 在原有天线的基础上加入一种电磁带隙结构 （EBG, Electromagnetic Band Gap ) 。 EBG是从光子带隙结构发展而来的一种周期性结 构， 本质上为 不同介质、 金属辐射贴片等混合体单元按周期进行的阵列 布置， 具有一定的 禁带特性， 能够在一定程度上控制电磁波的传播。 EBG具有禁带特性的原理 是： 当电磁波在周期性的电介质中传播时， 通过调制， 能够形成能带结构， 而此时带隙会出现在能带结构之间。 一定频率的电磁波如果其频率在带隙内 的话， 带隙内部没有任何态， 这样所有方向的电磁波都能够发生全发射。 由 于此特性的存在， EBG结构便可以应用于微带天线中， 设计在天线单元与人 体之间作为高阻电路来抑制基底的表面波以及 高次谐波， 降低天线单元向人 体辐射的电磁能量， 从而降低人体吸收的 SAR值。

电磁带隙结构用于微波设计中可提高天线辐射 效率和降低天线高度， 降 低微波电路中的谐波来提高天线的方向性，对 天线的背向辐射有一定的抵制。 目前电磁带隙结构在天线中的应用主要关注于 其对天线方向图、 副瓣电平、 散射界面、 隔离度等天线参数的影响， 目前电磁带隙结构应用在天线设计中 一般以矩形缝隙阵列或者矩形带隙阵列为主， 本发明实施例利用 EBG的带阻 特性， 将其应用在降低隔离度的设计中， 将其设计为 "花环" 型结构， 运用 SEMCAD专业生物电磁学仿真软件进行模拟计算， 由数据分析可以看出电磁 带隙结构的加入对 SAR值的降低起到了明显的作用。

本发明实施例提供的 MIMO天线系统结构如下：

由于电磁带隙的作用即滤波器， 故相对各种不同的移动终端工作频段， 只要釆用同频带隙结构， 即可利用其滤波的性质， 尽可能大的排除其他频段 的杂波影响。早期的 EBG结构一般设计为三维结构， 但由于加工的难度， 目 前更倾向于二维 EBG的研究，本发明实施例使用二维电磁带隙结 构，具体为 二维 "花环形" 结构， 作为金属辐射片安放在 PCB板与 MIMO天线相对应 的位置， 花环型结构由多个花型结构构成。 花型结构以边长为 b的正方形结 构作为 "花蕊" ， 四角是半径为 r0的圓形 "花瓣" "花瓣" 结构的圓心为正 方型结构的顶点， 等效为高阻电路的电容 C, 正方形的四边中点伸出四个长 为 si , 宽为 s的矩形结构， 等效为高阻电路的电感 L, 二维电磁带隙结构便 是由两个相连的 "花环型" 结构构成的。 在 MIMO天线谐振频率附近， 花环 型结构构成的并联的 LC等效电路的阻抗无穷大， 形成表面波的频率带隙， 从而阻止能量向人体的传播。

如图 1所示， 由于第一个商用 MIMO系统出现在 WLAN中， 但现在其 应用热点已经扩展到了包括 WiMAX和 LTE在内的无线通讯领域，所以本发 明实施例中以 MIMO天线用于 LTE移动终端 （商用工作频率在 2.6GHz )为 例进行说明。 需要说明的是， 本发明实施例所提供的技术方案适用于一切应 用 MIMO天线的场合， 本发明实施例仅 以 LTE移动终端为例， 实际应用范 围并不限于此。 本发明实施例中的 MIMO天线设计成弯折结构， 具有效减小 天线之间的耦合， 缩小天线尺寸等优点， 在天线左上和右上两个角掏空接地 板同样能够减小耦合，这样地板就成了倒" T"形结构，接地板的不完整性已成 为天线设计的主流。 介质板釆用 FR-4, 介电常数为 4.4, 厚度 0.51mm, 尺寸 为 46mm*34mm。

如图 2所示， 为加入二维电磁带隙结构的整体反面俯视图。 该二维电磁 带隙结构以金属辐射贴片的形式出现， 并未产生附加的厚度增加， 将其放置 在挖空的接地板处隔着 PCB板与 MIMO天线耦合，等效于 LC高阻电路起禁 带的作用， 由于尺寸限制， 这里主要放置了 8个花形结构， 每个 MIMO天线 单元分得 4个构成一个花环型结构， 且紧凑相连， 符合二维电磁带隙结构的 经典连接形式。根据已有的终端结构， 与 MIMO单个天线单元弯折部分对应 的接地板被掏空， 尺寸为 21.5mm (长） *17mm (宽） ， 最终选取的各个参 数值如下： r0=lmm, b=5 mm, s=l mm, sl=2 mm。

其中 r0、 b、 s、 si的取值步骤如下：

步骤一： 经典二维电磁带隙结构的阵列一般不超过 3列， 且彼此连接无 缝隙， 本发明实施例中选择了 3列及 2列进行设计， 经过仿真得到 2列结构 降低 SAR值作用明显且对天线性能参数影响较小，参 数值确定过程类似，取 2列为例。即横向 4*sl+2*b 21.5mm,即单个花环要符合 2*sl+b < 10.75mm, 纵向单个花环同样要符合 2*sl+b 17/2=8.5mm,取交集 2*sl+b 8.5mm, 而

/ = ¹ 根据理论公式电感 L与连接线 2s 1成正比，电容 C与 b成正比， ² U , 此处 f=2.6GHz, 所以 2sl与 b成反比， 但结构设计 b要大于 2sl来构成花环 形结构 , 选取 b从 4.5mm向上增加在 HFSS中进行扫参得到 b=5mm。

步骤二： 由 b=5mm可以得到 si < 1.75mm, 但在二维电磁带隙结构中紧 密连接的分支部分可以小部分重叠， 故这里纵向连接为了符合已有尺寸釆用 了 0.25mm的重叠， 通过扫参取得 sl=2mm, 宽 s=lmm。 步骤三： 一般情况下， 分支不得超过 b的长度， 所以 4r0 b, 经过扫参 取得 r0=lmm„

如图 3所示， 带隙结构单元尺寸很小， 为花环形结构， 正方形为花蕊， 四角为圓形花瓣， 四边中点为伸出的矩形花瓣。 在已有的电磁带隙结构中， 三维矩形阵列结构较多， 且矩形的长度以及同轴馈电线的高度对天线性 能影 响非常明显， 显然， 长度的调节对地板面积要求较高， 而高度的调节对移动 终端也是不小的挑战。 而该二维电磁带隙结构则不存在此类问题， 只要保证 花蕊 b与分支 si的比例值， 对半径 r0进行微调， 即可实现目标， 不存在对 终端厚度的顾虑， 很好的实现了移动终端轻薄化的高要求。

如图 4及图 5所示， 为二维电磁带隙结构加入前后对天线各性能参 数的 影响示意图， 在 HFSS中仿真得到， 电磁带隙结构的加入， 并未对天线的性 能参数产生较大影响， 辐射效率、 峰值增益等均未产生较大变化， 保证了设 计要求。图 4-图 5中的主要参数包括： Antenna Parameters 天线参数、 Iputs 输 入、 Setup Name模型名称、 Solution解决方案、 Last Adaptive 最终适应发、 Array Setu 天线矩阵简历、 Export输出、 Intrinsic Variation本征变量、 Export Fields 输出场、 Quantity 变量名称、 Value 变量值、 Units 单位、 Max U 最 大辐射强度、 Peak directivity 最大方向系数、 Peak Gain 最大增益、 Peak Realized Gain 最大实现增益、 Radiated Power辐射功率、 Accepted Power接 4丈功率、 Incident Power输入功率、 Radiation Efficiency ί畐射效率、 Front to Back Ration前后向 t匕、 Decay Factor衰减参数。

在 SEMCAD 中进行仿真得到的结果表明， 电磁带隙结构的加入， 使得 SAR值的最大值从 1.167mW/g降低到 0.711mW/g, 降低了约 40%。

分析发现当其他条件完全相同时， 在同一款 MIMO天线中， 未加电磁带 隙结构与加入了电磁带隙结构两种情况下天线 参数性能不会有显著变化， 如 本例中前后两种情况下 si 1、 s22依然保持在 2.6GHz, 辐射效率和增益均未 有过多改变； 但是 SAR值却可以降低， 进而对人体的辐射伤害降低， 如本例 中 SAR值降低了约 40%。 考虑到实际测试时条件的限制， SAR值的减小值 会有所改变， 但其趋势不会变， 故可为以后工程实践提供一定参考。

下面， 结合附图， 对本发明的实施例二进行说明。

本发明实施例提供了一种应用本发明的实施例 一所述的多输入多输出天 线系统的辐射吸收方法， 使用该方法完成辐射吸收的流程如下：

所述二维电磁带隙结构在能带结构中形成带隙 。 当电磁波通过所述能带 结构时， 若所述电磁波的频率在带隙外， 则所述能带结构过滤所述电磁波； 当所述电磁婆的频率在所述带隙内时， 所述能带结构对所述电磁波进行全发 射。

优选的，由于所述正方型花蕊结构和圓形花瓣 结构构成高阻电路的电容， 故可通过调整所述正方型花蕊结构的边长调整 电容值； 由于所述正方型花蕊 结构的四边中点延伸出的矩形结构构成高阻电 路的电感， 故可通过调整矩形 结构延伸出的长度调整电感。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的 全部或部分步骤可以使用计 算机程序流程来实现，所述计算机程序可以存 储于一计算机可读存储介质中， 所述计算机程序在相应的硬件平台上（如系统 、设备、装置、 器件等）执行， 在执行时， 包括方法实施例的步骤之一或其组合。 可选地， 上述实施例的全部或部分步骤也可以使用集成 电路来实现， 这 些步骤可以被分别制作成一个个集成电路模块 ， 或者将它们中的多个模块或 步骤制作成单个集成电路模块来实现。 这样， 本发明不限制于任何特定的硬 件和软件结合。

上述实施例中的各装置 /功能模块 /功能单元可以釆用通用的计算装置来 实现， 它们可以集中在单个的计算装置上， 也可以分布在多个计算装置所组 成的网络上。

上述实施例中的各装置 /功能模块 /功能单元以软件功能模块的形式实现 并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在 一个计算机可读取存储介质中。 上述提到的计算机可读取存储介质可以是只读 存储器， 磁盘或光盘等。

任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露 的技术范围内， 可轻易想 到变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。 因此， 本发明的保护范 围应以权利要求所述的保护范围为准。

工业实用 4生

本发明的实施例提供了一种 MIMO天线结构，包括耦合的多输入多输出 ( MIMO )天线与 PCB板， 该系统还包括一通过 PCB板与所述 MIMO天线 耦合的金属辐射贴片， 所述金属辐射片为二维电磁带隙结构， 所述 PCB板处 于所述 MIMO天线与所述金属辐射片之间，所述 MIMO天线与所述 PCB板、 所述金属辐射贴片俯视重合，所述二维电磁带 隙结构吸收所述 MIMO天线发 出的频率在所述二维电磁带隙结构带隙外的电 磁波，在 MIMO天线谐振频率 附近， 金属辐射贴片提供的并联的 LC等效电路的阻抗无穷大， 形成表面波 的频率带隙， 从而阻止能量向人体的传播， 解决了降低 SAR值的问题。

该二维电磁带隙结构只附加在地板处， 加工成本和工艺都很简单， 有效 减少了天线设计的复杂度。 二维电磁带隙结构可以看做高阻电路， 可以减小 表面波损耗， 结构简单， 永久有效， 且能有效的减小终端向人体辐射的 SAR 值。 釆用二维电磁带隙结构， 未引入附加厚度， 且对天线本身的辐射性能影 响不大， 较好的实现现今移动终端轻薄化的要求， 占面积小， 适用性强。