寬頻多頻單極子天線的製作方法

2023-05-29 16:17:56 2

專利名稱：寬頻多頻單極子天線的製作方法
技術領域：
本發明屬於天線技術領域，特別涉及寬頻多頻單極子天線，用於作為移動通信設 備的天線或天線陣列單元。
背景技術：
移動通信技術給人類帶來了快捷的信息溝通方式，同時對高效移動通信設備需 求的增加也推動了移動通信技術的蓬勃發展。當前，隨著大規模集成電路的發展，各種 電子設備的集成度越來越高，不同功能的無線通信模塊被集成在很小的空間內。因此， 各模塊上的天線成了制約進一步提高設備集成度的瓶頸。常用的無線通信頻段包括 GSM(880-960MHz)、DCS (1710_1880MHz)、TD-SCDMA (2010_2035MHz)，TD-LTE (2. 3-2. 4GHz)、 Bluetooth (2. 4-2. 48GHz)、WLAN (2. 4-2. 48GHz，5. 15-5. 35GHz)、WiMAX (5. 725-5. 825GHz) 等。如何在有限的空間讓如此多的設備同時正常工作為天線設計提出了巨大的挑戰。一般來說，天線的小型化設計存在兩種不同的手段，一種手段是通過一定的技術 手段將天線進行裁剪或摺疊，使之佔用儘量小的空間；另一種手段是多個無線通信模塊共 用一副天線，即設計具有多頻段工作性能的天線，這樣可以大幅減少天線的數量進而節約 空間。對於大部分天線來說，工作性能與其外形有很大的關係，對其進行裁剪或摺疊後可能 會使原有的工作指標惡化，因此多頻天線是一種非常實用的解決方案。單極子天線在H面具有全向輻射特性，在一些場合，需要天線具有定向性，因此可 以通過增加反射板的方法使單極子天線具有定向輻射性能。現有的單極子天線工作在單一 頻帶，當要求工作在多個頻段時，需增加天線個數，佔用空間大，並且多天線間可能產生耦 合，降低天線的性能，難以實現多天線共用。

發明內容
本發明的目的在於克服現有單極子天線單頻和多個單極子天線實現多頻時佔用 空間大的問題，提供一種寬頻多頻單極子天線，以減小佔用空間，用單一天線實現多個頻 段。本發明是這樣實現的一.技術原理由於其穩定的性能，簡單的結構，簡便的加工工藝，平板單極子及其陣列在各種無 線通信設備上得到了廣泛應用。平板單極子天線一般由印製在介質材料板上的輻射單元、 輻射地板和饋電線組成，由同軸線饋電。由於梯形的輻射單元除了在一個頻點形成穩定的 諧振以外，還在其他頻點形成潛在諧振，所以本發明中的輻射單元採用一種長底邊在上，短 底邊在下的梯形設計。在天線設計中，常用的圓環形結構具有良好角度穩定性，十字形可以通過調節其 臂長方便的對天線進行調節，所以本發明將兩種結構結合起來，設計了一種由圓環形和十 字形組成的帶枝節的環形結構並以這種組合結構為單元，將一種具有自相似特性的準分形
3縫隙引入到輻射地板的設計中，使天線在保持了原有諧振點的基礎上，加強了潛在諧振點 的諧振程度，實現了多頻工作。為了滿足在一些場合需要天線具有定向性的要求，將反射板引入到本發明天線的 設計中，使本發明天線具有定向輻射能力。二.天線結構根據上述原理，本發明的包括輻射單元，饋電線，輻射地板，輻射單元垂直固定放 置在輻射地板的中心，輻射單元和饋電線印製在上介質材料板上，輻射地板印製在下介質 材料板上，饋電線和輻射地板分別與同軸線內芯和外芯相連進行饋電，其特徵在於，輻射單 元為上底邊長下底邊短的梯形結構，輻射地板為矩形，該矩形地板上開有四組圓環十字形 縫隙，這些縫隙點均勻對稱分布在輻射地板中心的周圍。所述的輻射單元的下底邊的寬度為上底邊寬度的4/7，該下底邊與饋電線相連。所述的梯形輻射單元的短底邊(302)與其斜邊(303)的夾角為α，α的取值範圍 為 96° -100° 。所述的每組圓環十字形縫隙，由五個結構相同尺寸不等的縫隙單元組成，其中一 個縫隙單元位於中心作為中心單元，另四個縫隙單元均勻對稱分布在該中心單元的周圍作 為非中心單元，四個非中心單元是尺寸相等，中心單元的尺寸大於非中心單元尺寸。所述的每個縫隙單元的中間為圓環，該圓環周圍兩兩對稱的分布四個十字形枝 節，每個枝節與圓環外徑相連。本發明由於採用梯形輻射單元，通過調整該梯形的上下底邊，可以在一個頻點得 到穩定的諧振，在其它頻點形成潛在諧振；同時由於本發明在地板上引入圓環十字形縫隙， 通過調節縫隙中心單元的尺寸調節低頻的諧振程度，使兩個頻段都具有良好的諧振程度， 加強了潛在諧振點的諧振程度。理論計算結果表明，本發明天線低頻可實現2. OlGHz-2. 59GHz的工作頻帶，高頻 可實現 4. 3GHz-5. 62GHz 的工作頻帶，充分覆蓋了 TD_SCDMA、TD_LTE、Bluetooth、WLAN 等的 工作頻帶，實現了單一天線可以工作在多個頻段，減小佔用的空間體積，克服了現有的單極 子天線工作在單一頻帶，難以實現多天線共用，同時佔用空間大，不符合當前電子設備小型 化的要求的問題。


圖1是本發明天線整體結構圖；圖2是本發明天線的輻射單元結構示意圖；圖3是本發明天線的輻射地板結構示意圖；圖4是本發明天線的工作頻率-電壓駐波比曲線圖；圖5是本發明天線在各個頻率點的遠場方向圖。
具體實施例方式參照圖1，本發明天線主要由上介質材料板1，下介質材料板2，輻射單元3，饋電線 4和輻射地板5組成，上介質材料板1和下介質材料板2選用介電常數為4. 4的FR4介質 板，輻射單元3垂直固定放置在輻射地板5的中心，輻射單元3為上底邊長，下底邊短的梯形結構，輻射單元3和饋電線4印製在上介質材料板1上；輻射地板5為矩形，該矩形地板 上開有四組圓環十字形縫隙，這些縫隙點均勻對稱分布在輻射地板中心的周圍，輻射地板5 印製在下介質材料板2上，饋電線4和輻射地板5分別與同軸線內芯和外芯相連進行饋電。參照圖2，本發明天線的輻射單元3為由一條長底邊301，一條短底邊302，兩條斜 邊303所圍成的梯形結構，下底邊302的寬度為上底邊301寬度的4/7，斜邊303與短底邊 302之間的夾角為α，α的取值範圍為96° -100°。饋電線4與短底邊302相連。參照圖3，本發明天線的輻射地板5為開有四組圓環十字形縫隙的矩形金屬板。每 組圓環十字形縫隙，由五個結構相同尺寸不等的縫隙單元組成，其中一個縫隙單元位於中 心作為中心單元501，另四個縫隙單元均勻對稱分布在該中心單元的周圍作為非中心單元 502。每個縫隙單元的中間為圓環，該圓環周圍兩兩對稱的分布四個十字形枝節，每個枝節 與圓環外徑相連，四個非中心單元502是尺寸相等，中心單元的尺寸是非中心單元尺寸的t 倍，t的取值範圍為1.6-3。輻射地板中心有一個圓孔503貫通輻射地板5和下介質材料板 2，同軸線通過該孔對饋電線4進行饋電。根據上述結構本發明給出以下天線實例實例1，正方形下介質材料板天線上介質材料板，選擇長為28mm，寬為30mm，厚度為1. 6mm，介電常數為4. 4的FR4介質板。輻射單元的長底邊為14. 4mm，短底邊為8mm，斜邊與短底邊之間的夾角α選為 97.7°，饋電線的長度為2. 36mm，寬度為1.6mm。下介質材料板，選擇長為110mm，寬為110mm，厚度為1. 6mm，介電常數為4. 4的FR4
介質板。輻射地板的中心單元上的圓環的外半徑為6mm，內半徑為3mm，十字形枝節的長度 為11. 5mm,寬度為3mm。縮比因子t選為2. 47，即非中心單元上的圓環的外半徑為2. 43mm, 內半徑為1. 22mm，十字形枝節的長度為4. 65mm,寬度為1. 22mm。輻射地板中心的圓孔直徑 為 4mm。以輻射地板的中心為原點，則四組中心單元的中心分別位於坐標(27. 5mm, 27. 5mm)、(-27. 5mm, 27. 5mm)、(27. 5mm, -27. 5mm)禾口 (-27. 5mm, -27. 5mm)處。以中心單元的中心為原點，則四個非中心單元的中心分別位於坐標(14. 5mm, 14. 5mm)、(-14. 5mm, 14. 5mm)、(14. 5mm, -14. 5mm)禾口(-14. 5mm, -14. 5mm)處。實例2，矩形下介質材料板天線上介質材料板，選擇長為28mm，寬為30mm，厚度為1. 6mm，介電常數為4. 4的FR4介質板。輻射單元的長底邊為11. 97mm，短底邊為8mm，斜邊與短底邊之間的夾角α選為 94.8°，饋電線的長度為2. 36mm，寬度為1.6mm。下介質材料板，選擇長為100mm，寬為115mm，厚度為1. 6mm，介電常數為4. 4的FR4
介質板。輻射地板的中心單元上的圓環的外半徑為6mm，內半徑為3mm，十字形枝節的長度 為11. 5mm,寬度為3mm。縮比因子t選為2. 3，即非中心單元上的圓環的外半徑為2. 61mm,內 半徑為1. 31mm，十字形枝節的長度為5mm，寬度為1. 3mm。輻射地板中心的圓孔直徑為4mm。
以輻射地板的中心為原點，則四組中心單元的中心分別位於坐標(27. 5mm, 27. 5mm)、(-27. 5mm, 27. 5mm)、(27. 5mm, -27. 5mm)禾口 (-27. 5mm, -27. 5mm)處。
以中心單元的中心為原點，則四個非中心單元的中心分別位於坐標(14. 5mm, 14. 5mm)、(-14. 5mm, 14. 5mm)、(14. 5mm, -14. 5mm)禾口(-14. 5mm, -14. 5mm)處。本發明的優點可通過一下仿真進一步說明1、仿真內容利用仿真軟體對上述實施例1天線的電壓駐波比、遠場方向圖進行了仿真。2、仿真結果圖4為對實施例1天線仿真得到的工作頻率-電壓駐波比曲線圖。從圖4可見， 本發明天線在電壓駐波比小於2的條件下，具有2. OlGHz-2. 59GHz和4. 3GHz_5. 62GHz的工 作頻帶，覆蓋了 TD-SCDMA、TD-LTE、Bluet00th、WLAN等的工作頻帶，這說明本發明天線具有 良好的多頻工作性能。圖5(a)為對實施例1天線在2. 4GHz時仿真得到的E面和H面的遠場方向圖。從 圖5 (a)中可以看出，在2. 4GHz時，本發明天線在E面具有類似「8」的方向圖，在H面具有 良好的全向輻射性能，並且最大輻射方向保持穩定，實施例1天線的最大增益為4. 51dB。圖5(b)為對實施例1天線在5GHz時仿真得到的E面和H面的遠場方向圖。從圖 5(b)中可以看出，在5GHz時，本發明天線同樣在E面具有類似「8」的方向圖，在H面具有良 好的全向輻射性能，並且最大輻射方向保持穩定，實施例1天線的最大增益為5. 04dB。在兩個頻帶內，本發明天線的增益均大於等於4. 5dB，具有較高的增益。以上仿真 結果說明本發明天線具有優秀的輻射性能。以上僅為本發明天線的兩個實例，不構成對本發明的任何限制，顯然在本發明的 構思下，可以對本發明的結構和參數進行修改，進而得到本發明天線的寬頻多頻輻射特性， 但這些均在本發明的保護之列。
權利要求
1.一種寬頻多頻單極子天線，包括輻射單元(3)，饋電線(4)，輻射地板(5)，輻射單元 (3)垂直固定置在輻射地板(5)的中心，輻射單元(3)和饋電線(4)印製在上介質材料板 (1)上，輻射地板(5)印製在下介質材料板(2)上，饋電線(4)和輻射地板(5)分別與同軸 線內芯和外芯相連進行饋電，其特徵在於，輻射單元(3)為上底邊長下底邊短的梯形結構， 輻射地板(5)為矩形，該矩形地板上開有四組圓環十字形縫隙，這些縫隙點均勻對稱分布 在輻射地板中心的周圍。
2.根據權利要求1所述的寬頻多頻單極子天線，其特徵在於輻射單元(3)的下底邊 (302)的寬度為上底邊(301)寬度的4/7，該下底邊(302)與饋電線(4)相連。
3.根據權利要求2所述的寬頻多頻單極子天線，其特徵在於梯形輻射單元的短底邊 (302)與其斜邊(303)的夾角為α，α的取值範圍為96° -100°。
4.根據權利要求1所述的寬頻多頻單極子天線，其特徵在於每組圓環十字形縫隙，由 五個結構相同尺寸不等的縫隙單元組成，其中一個縫隙單元位於中心作為中心單元(501)， 另四個縫隙單元均勻對稱分布在該中心單元的周圍作為非中心單元(502)。
5.根據權利要求4所述的寬頻多頻單極子天線，其特徵在於每個縫隙單元的中間為圓 環，該圓環周圍兩兩對稱的分布四個十字形枝節，每個枝節與圓環外徑相連。
6.根據權利要求4所述的寬頻多頻單極子天線，其特徵在於四個非中心單元(502)是 尺寸相等，中心單元(501)的尺寸大於非中心單元(502)的尺寸。
全文摘要
本發明公開了一種寬頻多頻單極子天線，主要解決現有單極子天線單頻和多個單極子天線實現多頻時佔用空間大的問題。該天線包括輻射單元(3)，饋電線(4)，輻射地板(5)，輻射單元垂直固定置在輻射地板的中心，輻射單元和饋電線印製在上介質材料板(1)上，輻射地板印製在下介質材料板(2)上，饋電線和輻射地板分別與同軸線內芯和外芯相連進行饋電，其中輻射單元採用上底邊長，下底邊短的梯形結構，輻射地板為矩形，該矩形地板上開有四組圓環十字形縫隙，這些縫隙點均勻對稱分布在輻射地板中心的周圍。本發明低頻可實現2.01GHz-2.59GHz的工作頻帶，高頻可實現4.3GHz-5.62GHz的工作頻帶，充分覆蓋了TD-SCDMA、TD-LTE、Bluetooth、WLAN的工作頻帶，減小佔用的空間體積。
文檔編號H01Q1/36GK102110878SQ20111000153
公開日2011年6月29日 申請日期2011年1月6日 優先權日2011年1月6日
發明者於松濤, 劉 英, 姜文, 洪濤, 龔書喜, 龔琦 申請人:西安電子科技大學