基於雙面平行線饋電結構的寬頻帶多頻段印製天線的製作方法

2023-05-27 00:46:16 2

基於雙面平行線饋電結構的寬頻帶多頻段印製天線的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於雙面平行線饋電結構的寬頻帶多頻段印製天線，包括介質基板、第一天線輻射單元、第二天線輻射單元、微帶饋電線、接地板。第一線輻射單元、第二天線輻射單元、微帶饋電線和接地板均採用銅材料，通過雷射技術或者腐蝕技術將銅敷著在介質基板的表面。所述第一線輻射單元、第二天線輻射單元分別印製在介質基板的正面和背面，第一天線輻射單元和第二天線輻射單元存在空間重疊，其空間重疊部分構成雙面平行線（DSPSL）結構。本發明天線運用雙面平行線（DSPSL）饋電結構，有效地提高了天線的帶寬。本發明天線的天線輻射單元的所有枝節為統一的寬度，減少了天線參數，方便天線設計。
【專利說明】基於雙面平行線饋電結構的寬頻帶多頻段印製天線
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種適用於無線通信系統的移動終端內置天線，更特別地說，是指一種基於雙面平行線(DSPSL)饋電結構的寬頻帶多頻段印製天線，屬於天線【技術領域】。
【背景技術】
[0002]隨著數據通信與多媒體業務需求的發展，適應移動數據、移動計算及移動多媒體運作需要的第四代移動通信開始興起。4G是第四代移動通信及其技術的簡稱，是能夠傳輸高質量視頻圖像且圖像傳輸質量可與高清晰度電視相比擬的技術產品。但是所有技術的發展不能在一時間實現，從2G到3G再到4G，需要不斷演進，而且這些技術可以同時存在。4G通信能夠達到IOOMbps的傳輸速度，所以4G網絡在通信帶寬比3G網絡的帶寬更寬。
[0003]作為移動終端的電磁窗口的天線是實現通信的關鍵部分。隨著第四代移動通信的興起，移動終端的天線也面臨新的挑戰。一方面，雖然4G是移動通信的必然趨勢，但實現還需要時間，2G和3G仍然佔據大部分市場。在一段時間內，2G、3G和4G將同時存在。所以移動終端的天線需要工作在多個頻段，同時支持2G、3G和4G的通信需求。另一方面，4G能夠高速傳輸高質量的視頻圖像，其通信帶寬比3G通信帶寬更寬。所以移動終端的天線需要有更寬的工作帶寬，滿足4G高速傳輸高質量的視頻圖像的業務需求。
[0004]移動終端外置天線因暴露於機體外，易於損壞，天線靠近人體是導致性能變壞，體積大等缺點，而內置天線尺寸小，不易損壞，可安裝多個，方便組陣等優勢，所以內置天線是未來移動終端天線的趨勢。印製天線將天線印製在PCB電路基板上，有利於天線與移動終端的一體化設計，能夠有效地減小移動終端的體積。
[0005]經對現有文獻檢索發現，多頻段和寬頻帶是現代移動終端內置天線的研究熱點。陽振宇，虞春發表在2012年02月的現代傳輸的文章:手機內置平面單極天線的多頻與寬帶技術石開究(study on mult1-band and broadband technology of the handset internalplanar monopole antennas)。文章提出了一種平面單極子天線,通過在福射貼片表面刻一些複雜的槽縫的方法，將天線輻射貼片分為三個諧振分支，三個諧振分支形成多個諧振頻率，通過多個頻帶疊加的方法提高天線的帶寬。但天線的結構較複雜，給加工製造帶來較大的難度。王利紅，張文梅等人發表在2013年01期的測試技術學報文章:用於超薄手機的小型多頻寬帶平面天線的研究與設計(A Compact Mult1-frequency Broadband PlanarAntenna for Ultra-thin Mobile Phone)。文章提出一款小型多頻寬帶化的平面手機天線，天線由3個諧振條帶線構成，通過各條帶線之間的縫隙耦合展寬了天線帶寬。但天線的參數較多，給天線設計帶來較大的難度。

【發明內容】

[0006]本發明的目的是為了克服現有移動終端內置天線存在的不足和缺陷，提出一種基於雙面平行線(DSPSL)饋電結構的寬頻帶多頻段印製天線。本發明的天線採用雙面平行線(double sided parallel strip line, DSPSL)饋電結構,有效地展寬了天線的頻帶；該天線只有兩個輻射單元，而且每個輻射單元的枝節具有相同的寬度，大幅地減小了天線的參數；該天線能夠同時覆蓋2G、3G和4G的九個常用頻段。本發明天線，參數少，結構簡單，尺寸小，製作成本低，且具有優良的輻射特性。
[0007]—種基於雙面平行線饋電結構的寬頻帶多頻段印製天線，包括介質基板、第一天線福射單元、第二天線福射單元、微帶饋電線、接地板；
[0008]第一天線福射單元、第二天線福射單元、微帶饋電線和接地板均採用銅材料,通過雷射技術或者腐蝕技術將銅敷著在介質基板的表面，分別形成第一天線輻射單元、第二天線輻射單元、微帶饋電線、接地板；
[0009]第一天線輻射單元和微帶饋電線敷著在介質基板的正面，第一天線輻射單元和微帶饋電線的連接；第一天線輻射單元具有曲折結構，包括C枝節、D枝節、E枝節和F枝節；C枝節與D枝節之間的夾角為90度，D枝節與E枝節之間的夾角為90度，E枝節與F枝節之間的夾角為90度；
[0010]第二天線輻射單元和接地板敷著在介質基板的背面，第二天線輻射單元和接地板的連接；第二天線輻射單元也具有曲折結構，包括G枝節和H枝節；G枝節與H枝節之間的夾角為90度。
[0011]本發明的優點在於:
[0012](I)本發明天線運用雙面平行線(DSPSL)饋電結構，有效地提高了天線的帶寬。實例中，天線的低頻帶和高頻帶的相對帶寬分別為21.7%和48.7% ；
[0013](2)本發明天線的天線輻射單元的所有枝節為統一的寬度，減少了天線參數，方便天線設計。本發明天線，參數少，降低了天線設計的難度，同時簡化了天線的結構，降低了天線的製造成本；
[0014](3)本發明天線有良好輻射特性。在實例中，天線輻射方向圖有良好的全向性，天線增益穩定，且天線的輻射效率大於63% ；
[0015](4)本發明天線同時適用2G、3G和4G無線通信的多個頻段。在實例中，天線能夠有效的覆蓋
[0016]GSM850/900/DCS/PCS/UMTS/TD-SCDMA/ISM2400/LTE2300/2500，2G、3G 和 4G 的九個常用無線通信頻段，在現代移動終端中有廣泛的應用前景；
[0017](5)本發明天線尺寸小。在實例中，天線的尺寸只有16mmX40mm,尺寸小,在小型終端中有廣泛的應用前景。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本發明基於雙面平行線(DSPSL)饋電結構的寬頻帶多頻段印製天線的結構示意圖；
[0019]圖2是本發明基於雙面平行線(DSPSL)饋電結構的寬頻帶多頻段印製天線的雙面平行線(DSPSL)饋電結構示意圖；
[0020]圖3是本發明基於雙面平行線(DSPSL)饋電結構的寬頻帶多頻段印製天線的結構尺寸示意圖；
[0021]圖4是本發明基於雙面平行線(DSPSL)饋電結構的寬頻帶多頻段印製天線的雙面平行線(DSPSL)饋電結構尺寸示意圖；[0022]圖5是本發明基於雙面平行線(DSPSL)饋電結構的寬頻帶多頻段印製天線的實例的回波損耗曲線圖；
[0023]圖6是本發明基於雙面平行線(DSPSL)饋電結構的寬頻帶多頻段印製天線的實例在相關頻率上的輻射模式圖；
[0024]圖6 (a)為900MHz頻率上的輻射模式圖；
[0025]圖6(b)為1820MHz頻率上的輻射模式圖；
[0026]圖6 (C)為2600MHz頻率上的輻射模式圖； [0027]圖7是本發明基於雙面平行線(DSPSL)饋電結構的寬頻帶多頻段印製天線的實例在低頻帶和高頻帶內的天線增益和福射效率；
[0028]圖7 (a)為低頻帶的天線增益和輻射效率；
[0029]圖7(b)為高頻帶的天線增益和輻射效率；
[0030]圖8是本發明天線的對比例結構圖，即無雙面平行線(DSPSL)饋電結構的天線結構圖；
[0031]圖9是本發明天線的實例和對比例的回波損耗曲線對比圖。
[0032]圖中:
[0033]1-介質基板2-第一天線輻射單元3-第二天線輻射單元
[0034]4-微帶饋電線5-接地板6-雙面平行線結構
[0035]21.C枝節22-D枝節23-E枝節
[0036]24-F枝節31-G枝節32-H枝節
【具體實施方式】
[0037]下面將結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。
[0038]本發明是一種基於雙面平行線(DSPSL)饋電結構的寬頻帶多頻段印製天線，如圖1所示，包括介質基板1、第一天線輻射單元2、第二天線輻射單元3、微帶饋電線4、接地板5。
[0039]第一天線福射單元2、第二天線福射單元3、微帶饋電線4和接地板5均採用銅材料，(如圖1中斜線剖面所示)。通過雷射技術或者腐蝕技術將銅敷著在介質基板I的表面，分別形成第一天線輻射單元2、第二天線輻射單元3、微帶饋電線4、接地板5，覆銅厚度為
0.018mm ~0.036mm。
[0040]所述第一天線輻射單元2、第二天線輻射單元3分別印製在介質基板I的正面和背面。
[0041]第一天線輻射單元2和微帶饋電線4印製在介質基板I的正面，第一天線輻射單元2和微帶饋電線4的連接面為A。第一天線輻射單元2具有曲折結構，包括C枝節21、D枝節22、E枝節23和F枝節24。C枝節21與D枝節22之間的夾角為90度，D枝節22與E枝節23之間的夾角為90度，E枝節23與F枝節24之間的夾角為90度。
[0042]所述微帶饋電線4為本發明天線饋電。
[0043]第二天線輻射單元3和接地板5印製在介質基板I的背面，第二天線輻射單元3和接地板5的連接面為B。第二天線輻射單元3也具有曲折結構，包括G枝節31和H枝節
32。G枝節31與H枝節32之間的夾角為90度。[0044]所述接地板5為本發明天線的接地板。
[0045]如圖2所示，雙面平行線結構6由位於介質基板I正面的第一天線輻射單元2的C枝節21的一部分和位於介質基板I背面的第二天線輻射單元3的G枝節31構成。第一天線輻射單元2的C枝節21的一部分和第二天線輻射單元3的G枝節31存在空間重疊，其空間重疊部分即構成雙面平行線(DSPSL)結構。雙面平行線結構6為第一天線輻射單元
2、和第二天線輻射單元3饋電。
[0046]A點和B點分別位於介質基板I的正面和背面，其空間位置存在一部分重疊。
[0047]如圖3所示，介質基板I為長方形，長為I1，寬為W1，用於支撐本發明天線。
[0048]第一天線輻射單元2距離介質基板I左邊界為d21，為本發明天線的第一輻射部分。第一天線輻射單元2的C枝節21的長為121，D枝節22的長為122，E枝節23的長為123，F枝節24的長為124。第一天線輻射單元2的總長度為I2 = 121+122+123+124，所有枝節的寬度為W2。
[0049]第二天線輻射單元3距離介質基板I左邊界為d31，為本發明天線第二輻射部分。第二天線輻射單元3的G枝節31的長為131，H枝節32的長為132。第二天線輻射單元3的總長度為I3 = Isi + Iw所有枝下的覽度為W3=W2。
[0050]微帶饋電線4的長為I4,寬為W4=W3=W2,為50 Ω微帶饋電線。微帶饋電線4與第一天線福射單元2相連,連接點為A。微帶饋電線4為本發明天線饋電。
[0051]接地板5的長為15=14，寬為W5=W1,為本發明天線的接地板。接地板5與第二天線輻射單元3相連，連接點為B。接地板5為本發明天線的接地板。
[0052]如圖4所示，雙面平行線結構6的長度為h = I31，空間距離為d = d21_d31。
[0053]諧振頻率調節:調節第一天線輻射單元2的總長度I2和第二天線輻射單元3的總長度13。第一天線輻射單元2和第二天線輻射單元3的基礎諧振模式都是四分之一波長諧振模式。第一天線輻射單元2的總長度I2和第二天線輻射單元3的總長度I3決定其諧振
頻率:,2*|和/3?|，λ2(ι和入3(1分別為第一天線輻射單元2和第二天線輻射單元3的
基礎諧振波長，諧振頻率分別為f2(1和f3(1。諧振頻率f與諧振波長λ的關係是:/=+，其
中c為自由空中光速。第一天線輻射單元2因其曲折的結構，還存在一個高次諧振模式，為四分之三波長諧振模式，諧振波長為λ21，諧振頻率為f21。通過調節第一天線輻射單元2的總長度I2和第二天線輻射單元3的總長度I3可改變其三個諧振頻率f2(1、f21和f3(1。
[0054]匹配阻抗調節:調節雙面平行線結構6的尺寸長度h和空間距離為d。雙面平行線間存在著強電磁耦合。調節雙面平行線結構6的結構尺寸，能夠調節雙面平行線間的電磁耦合，進而有效地調節本發明天線的阻抗匹配。
[0055] 本發明天線的微帶饋電線4和接地板5分別與外界的50 Ω SMA接頭的中芯和接地引腳相連。外界的電磁波信號通過50 QSMA輸入給本發明天線後，由微帶饋電線4傳輸給雙面平行線結構6。經過平行線結構6的電磁波信號分成兩部分，一部分電磁波信號傳輸給第一天線輻射單元2進行電磁波輻射，另一部分電磁波信號傳輸給第二天線輻射單元3進行電磁波輻射。
[0056]實施例[0057]根據圖1的本發明天線的結構圖，加工實例進行驗證。實例的具體尺寸為:
[0058]介質基板I採用FR_4(環氧玻璃布層壓板)，厚度為1.0mm，長為1^122.!，寬為W1=ASmm ;第一天線福射單元2距離介質基板I左邊界為d21=2.lmm, C枝節21的長為l21=16mm,D枝節22的長為l22=40mm,E枝節23的長為I23=IOmm, F枝節24的長為l24=21mm。第一天線福射單元2的總長度為I2 = l21+l22+l23+l24=87mm,寬度w2=l.8mm ;第二天線福射單元3距離介質基板I左邊界為d31=d21=2.lmm, G枝節31的長為I31=Il.5mm, H枝節32的長為132=24.5mm。第二天線福射單元3的總長度為I3 = l31+l32=36mm,寬度w3=w2=l.8mm ;微帶饋電線4的長為l4=105mm,寬為w4=w3=w2=l.8mm,末端與50 Ω SMA接頭的中芯相連；接地板5的長為l5=l4=105mm，寬為W4=W1=ASmm,與50 QSMA接頭的接地引腳相連；雙面平行線(DSPSL)結構的長度為h = I31=Il.5mm,空間距離為d = d21_d31=0mm。
[0059]第一天線輻射單元2的和第二天線輻射單元3的基礎諧振頻率分別為:f2(l=900MHz和f3(l=1820MHz。第一天線輻射單元2高次諧振頻率，f21=2600MHzo
[0060]圖5為本發明天線的實例的回波損耗曲線，回波損耗數據由安捷倫公司的E5071CENA系列網絡分析儀測試所得。根據工程上6dB回波損耗或3:1VSWR (電壓駐波比)的規定，本發明天線實例有兩個較寬的頻帶，低頻帶和高頻帶的帶寬分別為200MHz和1100MHz，相對帶寬分別為21.7%和48.7%。本發明天線能夠覆蓋
[0061]GSM850/900/DCS/PCS/UMTS/TD-SCDMA/ISM2400/LTE2300/2500，2G、3G 和 4G 的九個常用無線通信頻段。
[0062]圖6為本發明天 線的實例在相關頻率上的輻射模式圖。根據圖1的坐標方向放置，本發明天線在微波暗室進行輻射模式測試。測試結果包括X-Y、Y-Z和X-Z三個面上，主極化已0和交叉極化E41的方向圖。圖6(a)為在900MHz頻率上的輻射模式圖，主極KEe在X-Y面上全向性較好，在Y-Z和X-Z三個面上，接近θ=0°和θ=180°兩個方向上存在零點。圖6(b)為1820MHz頻率上的輻射模式圖，主極化Ee在乂-￥面上全向性較好，在Y-Z面上，θ=90°方向上存在一個零點，X-Z面上在接近θ=0°和θ=90°兩個方向上存在零點。圖6 (c)為2600MHz頻率上的輻射模式圖，主極KEe在X-Y面上全向性較好，在Y-Z面上在接近θ=0。和θ=-90。方向上存在零點，X-Z面上在接近θ=0。和θ=180。兩個方向上存在零點。在上述三個頻率上，本發明天線的主極化始終SEe，輻射模式圖都比較穩定，無明顯畸變，且零點較少，在X-Y面上有較好的全向性。
[0063]圖7為本發天線的實例在兩個頻帶內的天線增益和輻射效率。圖7(a)為低頻帶的天線增益和輻射效率，天線增益為1.7-2.2dB，輻射效率為86-88%。圖7(b)為高頻帶的天線增益和輻射效率，天線增益為2.0-4.3dB，輻射效率63-82%。在上述的低頻帶和高頻帶內，本發明天線增益都比較穩定，輻射效率在兩個頻帶內都大於63%。
[0064]圖8為本發明天線的對比例結構圖，對比例無雙面平行線(DSPSL)饋電結構，兩個輻射單元都採用直接饋電方式，其他結構尺寸與所述實例相同。
[0065]圖9為本發明天線的實例和對比例的回波損耗曲線對比圖所示，本發明實例的帶寬較對比例有明顯提高。驗證本發明雙面平行線(DSPSL)饋電結構能夠顯著地提高頻帶寬度。
[0066]本發明天線採用雙面平行線(DSPSL)饋電結構顯著地提高了天線的頻帶寬度，且具有參數少，結構簡單，尺寸小，加工成本等優點。在2G、3G和4G的九個常用頻段上具有良好輻射特性，在移動終端中有廣泛的應用前景。
【權利要求】
1.一種基於雙面平行線饋電結構的寬頻帶多頻段印製天線，包括介質基板、第一天線輻射單元、第二天線輻射單元、微帶饋電線、接地板； 第一線輻射單元、第二天線輻射單元、微帶饋電線和接地板均採用銅材料，通過雷射技術或者腐蝕技術將銅敷著在介質基板的表面，分別形成第一線輻射單元、第二天線輻射單元、微帶饋電線、接地板； 第一天線輻射單元和微帶饋電線敷著在介質基板的正面，第一天線輻射單元和微帶饋電線的連接；第一天線輻射單元具有曲折結構，包括C枝節、D枝節、E枝節和F枝節；C枝節與D枝節之間的夾角為90度，D枝節與E枝節之間的夾角為90度，E枝節與F枝節之間的夾角為90度； 介質基板為長方形，長為I1，寬為W1 ;第一天線輻射單元距離介質基板左邊界為d21，第一天線福射單兀的C枝節的長為12i，D枝節的長為IwE枝節的長為IwF枝節的長為1? ;第一天線輻射單元的總長度為I2 = 121+122+123+124，所有枝節的寬度為;微帶饋電線的長為14，寬為W4H，為50 Ω微帶饋電線； 第二天線輻射單元和接地板敷著在介質基板的背面，第二天線輻射單元和接地板的連接；第二天線輻射單元也具有曲折結構，包括G枝節和H枝節；G枝節與H枝節之間的夾角為90度； 第二天線輻射單元距離介質基板左邊界為d31 ;第二天線輻射單元的G枝節的長為131，H枝節的長為I32 ;第二天線輻射單元的總長度為I3 = 131+132，所有枝節的寬度為W3=W2 ;接地板的長為15=14，寬為W5=W1 ； 第一天線福射單元C枝節的一部分與第二天線福射單元G枝節的一部分重疊,構成雙面平行線結構，雙面平行線結構的長度為h = I31，空間距離為d = d21-d31。
2.根據權利要求1所述的一種基於雙面平行線饋電結構的寬頻帶多頻段印製天線，通過調節第一天線輻射單元的總長度I2和第二天線輻射單元的總長度I3決定諧振頻率: 第一天線輻射單元和第二天線輻射單元的基礎諧振模式都是四分之一波長諧振模式，第一天線輻射單元的總長度I2和第二天線輻射單元的總長度I3決定諧振頻率:
3.根據權利要求1所述的一種基於雙面平行線饋電結構的寬頻帶多頻段印製天線，通過調節雙面平行線結構的尺寸長度h和空間距離為d調節匹配阻抗。
4.根據權利要求1所述的一種基於雙面平行線饋電結構的寬頻帶多頻段印製天線，所述的第一線福射單元、第二天線福射單元、微帶饋電線、接地板的覆銅厚度為0.018mm~。0.036mm。
【文檔編號】H01Q5/10GK103474762SQ201310351465
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年8月13日 優先權日:2013年8月13日
【發明者】陳愛新, 房見, 姜維維, 田凱強, 應小俊 申請人:北京航空航天大學