CN102110878A - 宽频多频单极子天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽频多频单极子天线，主要解决现有单极子天线单频和多个单极子天线实现多频时占用空间大的问题。该天线包括辐射单元(3)，馈电线(4)，辐射地板(5)，辐射单元垂直固定置在辐射地板的中心，辐射单元和馈电线印制在上介质材料板(1)上，辐射地板印制在下介质材料板(2)上，馈电线和辐射地板分别与同轴线内芯和外芯相连进行馈电，其中辐射单元采用上底边长，下底边短的梯形结构，辐射地板为矩形，该矩形地板上开有四组圆环十字形缝隙，这些缝隙点均匀对称分布在辐射地板中心的周围。本发明低频可实现2.01GHz-2.59GHz的工作频带，高频可实现4.3GHz-5.62GHz的工作频带，充分覆盖了TD-SCDMA、TD-LTE、Bluetooth、WLAN的工作频带，减小占用的空间体积。

Description

宽频多频单极子天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，特别涉及宽频多频单极子天线，用于作为移动通信设备的天线或天线阵列单元。
背景技术
移动通信技术给人类带来了快捷的信息沟通方式，同时对高效移动通信设备需求的增加也推动了移动通信技术的蓬勃发展。当前，随着大规模集成电路的发展，各种电子设备的集成度越来越高，不同功能的无线通信模块被集成在很小的空间内。因此，各模块上的天线成了制约进一步提高设备集成度的瓶颈。常用的无线通信频段包括：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。如何在有限的空间让如此多的设备同时正常工作为天线设计提出了巨大的挑战。
一般来说，天线的小型化设计存在两种不同的手段，一种手段是通过一定的技术手段将天线进行裁剪或折叠，使之占用尽量小的空间；另一种手段是多个无线通信模块共用一副天线，即设计具有多频段工作性能的天线，这样可以大幅减少天线的数量进而节约空间。对于大部分天线来说，工作性能与其外形有很大的关系，对其进行裁剪或折叠后可能会使原有的工作指标恶化，因此多频天线是一种非常实用的解决方案。
单极子天线在H面具有全向辐射特性，在一些场合，需要天线具有定向性，因此可以通过增加反射板的方法使单极子天线具有定向辐射性能。现有的单极子天线工作在单一频带，当要求工作在多个频段时，需增加天线个数，占用空间大，并且多天线间可能产生耦合，降低天线的性能，难以实现多天线共用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有单极子天线单频和多个单极子天线实现多频时占用空间大的问题，提供一种宽频多频单极子天线，以减小占用空间，用单一天线实现多个频段。
本发明是这样实现的：
一.技术原理
由于其稳定的性能，简单的结构，简便的加工工艺，平板单极子及其阵列在各种无线通信设备上得到了广泛应用。平板单极子天线一般由印制在介质材料板上的辐射单元、辐射地板和馈电线组成，由同轴线馈电。由于梯形的辐射单元除了在一个频点形成稳定的谐振以外，还在其他频点形成潜在谐振，所以本发明中的辐射单元采用一种长底边在上，短底边在下的梯形设计。
在天线设计中，常用的圆环形结构具有良好角度稳定性，十字形可以通过调节其臂长方便的对天线进行调节，所以本发明将两种结构结合起来，设计了一种由圆环形和十字形组成的带枝节的环形结构并以这种组合结构为单元，将一种具有自相似特性的准分形缝隙引入到辐射地板的设计中，使天线在保持了原有谐振点的基础上，加强了潜在谐振点的谐振程度，实现了多频工作。
为了满足在一些场合需要天线具有定向性的要求，将反射板引入到本发明天线的设计中，使本发明天线具有定向辐射能力。
二.天线结构
根据上述原理，本发明的包括：辐射单元，馈电线，辐射地板，辐射单元垂直固定放置在辐射地板的中心，辐射单元和馈电线印制在上介质材料板上，辐射地板印制在下介质材料板上，馈电线和辐射地板分别与同轴线内芯和外芯相连进行馈电，其特征在于，辐射单元为上底边长下底边短的梯形结构，辐射地板为矩形，该矩形地板上开有四组圆环十字形缝隙，这些缝隙点均匀对称分布在辐射地板中心的周围。
所述的辐射单元的下底边的宽度为上底边宽度的4/7，该下底边与馈电线相连。
所述的梯形辐射单元的短底边(302)与其斜边(303)的夹角为α，α的取值范围为96°-100°。
所述的每组圆环十字形缝隙，由五个结构相同尺寸不等的缝隙单元组成，其中一个缝隙单元位于中心作为中心单元，另四个缝隙单元均匀对称分布在该中心单元的周围作为非中心单元，四个非中心单元是尺寸相等，中心单元的尺寸大于非中心单元尺寸。
所述的每个缝隙单元的中间为圆环，该圆环周围两两对称的分布四个十字形枝节，每个枝节与圆环外径相连。
本发明由于采用梯形辐射单元，通过调整该梯形的上下底边，可以在一个频点得到稳定的谐振，在其它频点形成潜在谐振；同时由于本发明在地板上引入圆环十字形缝隙，通过调节缝隙中心单元的尺寸调节低频的谐振程度，使两个频段都具有良好的谐振程度，加强了潜在谐振点的谐振程度。
理论计算结果表明，本发明天线低频可实现2.01GHz-2.59GHz的工作频带，高频可实现4.3GHz-5.62GHz的工作频带，充分覆盖了TD-SCDMA、TD-LTE、Bluetooth、WLAN等的工作频带，实现了单一天线可以工作在多个频段，减小占用的空间体积，克服了现有的单极子天线工作在单一频带，难以实现多天线共用，同时占用空间大，不符合当前电子设备小型化的要求的问题。
附图说明
图1是本发明天线整体结构图；
图2是本发明天线的辐射单元结构示意图；
图3是本发明天线的辐射地板结构示意图；
图4是本发明天线的工作频率-电压驻波比曲线图；
图5是本发明天线在各个频率点的远场方向图。
具体实施方式
参照图1，本发明天线主要由上介质材料板1，下介质材料板2，辐射单元3，馈电线4和辐射地板5组成，上介质材料板1和下介质材料板2选用介电常数为4.4的FR4介质板，辐射单元3垂直固定放置在辐射地板5的中心，辐射单元3为上底边长，下底边短的梯形结构，辐射单元3和馈电线4印制在上介质材料板1上；辐射地板5为矩形，该矩形地板上开有四组圆环十字形缝隙，这些缝隙点均匀对称分布在辐射地板中心的周围，辐射地板5印制在下介质材料板2上，馈电线4和辐射地板5分别与同轴线内芯和外芯相连进行馈电。
参照图2，本发明天线的辐射单元3为由一条长底边301，一条短底边302，两条斜边303所围成的梯形结构，下底边302的宽度为上底边301宽度的4/7，斜边303与短底边302之间的夹角为α，α的取值范围为96°-100°。馈电线4与短底边302相连。
参照图3，本发明天线的辐射地板5为开有四组圆环十字形缝隙的矩形金属板。每组圆环十字形缝隙，由五个结构相同尺寸不等的缝隙单元组成，其中一个缝隙单元位于中心作为中心单元501，另四个缝隙单元均匀对称分布在该中心单元的周围作为非中心单元502。每个缝隙单元的中间为圆环，该圆环周围两两对称的分布四个十字形枝节，每个枝节与圆环外径相连，四个非中心单元502是尺寸相等，中心单元的尺寸是非中心单元尺寸的t倍，t的取值范围为1.6-3。辐射地板中心有一个圆孔503贯通辐射地板5和下介质材料板2，同轴线通过该孔对馈电线4进行馈电。
根据上述结构本发明给出以下天线实例：
实例1，正方形下介质材料板天线
上介质材料板，选择长为28mm，宽为30mm，厚度为1.6mm，介电常数为4.4的FR4介质板。
辐射单元的长底边为14.4mm，短底边为8mm，斜边与短底边之间的夹角α选为97.7°，馈电线的长度为2.36mm，宽度为1.6mm。
下介质材料板，选择长为110mm，宽为110mm，厚度为1.6mm，介电常数为4.4的FR4介质板。
辐射地板的中心单元上的圆环的外半径为6mm，内半径为3mm，十字形枝节的长度为11.5mm，宽度为3mm。缩比因子t选为2.47，即非中心单元上的圆环的外半径为2.43mm，内半径为1.22mm，十字形枝节的长度为4.65mm，宽度为1.22mm。辐射地板中心的圆孔直径为4mm。
以辐射地板的中心为原点，则四组中心单元的中心分别位于坐标(27.5mm，27.5mm)、(-27.5mm，27.5mm)、(27.5mm，-27.5mm)和(-27.5mm，-27.5mm)处。
以中心单元的中心为原点，则四个非中心单元的中心分别位于坐标(14.5mm，14.5mm)、(-14.5mm，14.5mm)、(14.5mm，-14.5mm)和(-14.5mm，-14.5mm)处。
实例2，矩形下介质材料板天线
上介质材料板，选择长为28mm，宽为30mm，厚度为1.6mm，介电常数为4.4的FR4介质板。
辐射单元的长底边为11.97mm，短底边为8mm，斜边与短底边之间的夹角α选为94.8°，馈电线的长度为2.36mm，宽度为1.6mm。
下介质材料板，选择长为100mm，宽为115mm，厚度为1.6mm，介电常数为4.4的FR4介质板。
辐射地板的中心单元上的圆环的外半径为6mm，内半径为3mm，十字形枝节的长度为11.5mm，宽度为3mm。缩比因子t选为2.3，即非中心单元上的圆环的外半径为2.61mm，内半径为1.31mm，十字形枝节的长度为5mm，宽度为1.3mm。辐射地板中心的圆孔直径为4mm。
以辐射地板的中心为原点，则四组中心单元的中心分别位于坐标(27.5mm，27.5mm)、(-27.5mm，27.5mm)、(27.5mm，-27.5mm)和(-27.5mm，-27.5mm)处。
以中心单元的中心为原点，则四个非中心单元的中心分别位于坐标(14.5mm，14.5mm)、(-14.5mm，14.5mm)、(14.5mm，-14.5mm)和(-14.5mm，-14.5mm)处。
本发明的优点可通过一下仿真进一步说明：
1、仿真内容
利用仿真软件对上述实施例1天线的电压驻波比、远场方向图进行了仿真。
2、仿真结果
图4为对实施例1天线仿真得到的工作频率-电压驻波比曲线图。从图4可见，本发明天线在电压驻波比小于2的条件下，具有2.01GHz-2.59GHz和4.3GHz-5.62GHz的工作频带，覆盖了TD-SCDMA、TD-LTE、Bluetooth、WLAN等的工作频带，这说明本发明天线具有良好的多频工作性能。
图5(a)为对实施例1天线在2.4GHz时仿真得到的E面和H面的远场方向图。从图5(a)中可以看出，在2.4GHz时，本发明天线在E面具有类似“8”的方向图，在H面具有良好的全向辐射性能，并且最大辐射方向保持稳定，实施例1天线的最大增益为4.51dB。
图5(b)为对实施例1天线在5GHz时仿真得到的E面和H面的远场方向图。从图5(b)中可以看出，在5GHz时，本发明天线同样在E面具有类似“8”的方向图，在H面具有良好的全向辐射性能，并且最大辐射方向保持稳定，实施例1天线的最大增益为5.04dB。
在两个频带内，本发明天线的增益均大于等于4.5dB，具有较高的增益。以上仿真结果说明本发明天线具有优秀的辐射性能。
以上仅为本发明天线的两个实例，不构成对本发明的任何限制，显然在本发明的构思下，可以对本发明的结构和参数进行修改，进而得到本发明天线的宽频多频辐射特性，但这些均在本发明的保护之列。

Claims (6)

1.一种宽频多频单极子天线，包括辐射单元(3)，馈电线(4)，辐射地板(5)，辐射单元(3)垂直固定置在辐射地板(5)的中心，辐射单元(3)和馈电线(4)印制在上介质材料板(1)上，辐射地板(5)印制在下介质材料板(2)上，馈电线(4)和辐射地板(5)分别与同轴线内芯和外芯相连进行馈电，其特征在于，辐射单元(3)为上底边长下底边短的梯形结构，辐射地板(5)为矩形，该矩形地板上开有四组圆环十字形缝隙，这些缝隙点均匀对称分布在辐射地板中心的周围。
2.根据权利要求1所述的宽频多频单极子天线，其特征在于辐射单元(3)的下底边(302)的宽度为上底边(301)宽度的4/7，该下底边(302)与馈电线(4)相连。
3.根据权利要求2所述的宽频多频单极子天线，其特征在于梯形辐射单元的短底边(302)与其斜边(303)的夹角为α，α的取值范围为96°-100°。
4.根据权利要求1所述的宽频多频单极子天线，其特征在于每组圆环十字形缝隙，由五个结构相同尺寸不等的缝隙单元组成，其中一个缝隙单元位于中心作为中心单元(501)，另四个缝隙单元均匀对称分布在该中心单元的周围作为非中心单元(502)。
5.根据权利要求4所述的宽频多频单极子天线，其特征在于每个缝隙单元的中间为圆环，该圆环周围两两对称的分布四个十字形枝节，每个枝节与圆环外径相连。
6.根据权利要求4所述的宽频多频单极子天线，其特征在于四个非中心单元(502)是尺寸相等，中心单元(501)的尺寸大于非中心单元(502)的尺寸。
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