CN102983394B - 覆盖五个频段的小尺寸平面天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种覆盖五个频段的小尺寸平面天线，结构中包括定位有天线单元的介质板、以及设置在介质板下表面的主金属接地板，所述天线单元为平面复合结构，包括与馈电端连接的L形高频辐射单元、以及与所述L形高频辐射单元耦合馈电的并设有集总贴片电感的弯折回转型低频辐射单元，所述弯折回转型低频辐射单元的终端借助金属化通孔与主金属接地板连接。本发明的终端天线所占用的空间较小，只占手机主板一角，节省的空间可预留作为空白无金属覆铜基板，为其他的天线设计提供了空间，用于目前的多输入多输出系统（MIMO）；本发明增加了拓展金属接地板，减少对人体的电磁波辐射，并能在该区域配制其它接口元件；从而有效减小了天线的体积。

Description

覆盖五个频段的小尺寸平面天线

技术领域

    本发明属于电磁场与微波技术领域，具体涉及天线技术领域，尤其是覆盖五个频段的小尺寸平面天线。

背景技术

    随着21世纪移动通信技术和市场的飞速发展，在新技术和市场需求的共同作用下，未来移动通信技术将呈现以下几大趋势：网络业务数据化、分组化，移动互联网逐步形成；网络技术数字化、宽带化；网络设备智能化、小型化；应用于更高的频段，有效利用频率；移动网络的综合化、全球化、个人化；各种网络的融合；高速率、高质量、低费用。这正是第三代（3G）乃至第四代（4G）移动通信技术发展的方向和目标。在各种移动通信技术的快速发展中，天线作为这些设备的“窗口”，它的作用不容置疑。

    伴随着无线通信中语音业务、窄带和宽带数据业务、卫星广播、卫星定位的兴起，移动通信产品市场需求的日益膨胀，只有那些体积小，携带方便，高灵敏度，高稳定性的无线通信产品才能满足需求。与此同时，天线作为重要的射频前端器件，其指标要求也日益“苛刻”，小型化、内置化、多频段、宽带化以及智能化是移动终端天线的发展趋势。这其中，手机产品在无线通信产业中占据很重要的地位。

目前，设计手机天线所面临的主要困难是：如何在已给定的环境内设计出尺寸较小、低剖面、能够实现多频宽带工作、低成本且易于加工的手机天线。而目前的主流手机为满足多功能的要求一般在天线的边沿设置了各种数据传输的端口，从而为天线设计预留了极小的隔离距离，增加了天线的设计难度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种覆盖五个频段的小尺寸平面天线，其采用弯折回转型低频辐射单元、并插入集总贴片电感，能够有效减少金属条低频谐振的走线长度，节省空间，另外增加了拓展金属接地板，减少对人体的电磁波辐射，并能在该区域配制其它接口元件；从而有效减小了天线的体积。

为解决上述技术问题，本发明要采取的技术方案是：

一种覆盖五个频段的小尺寸平面天线，结构中包括定位有天线单元的介质板、以及设置在介质板下表面的主金属接地板，所述天线单元为平面复合结构，包括与馈电端连接的L形高频辐射单元、以及与所述L形高频辐射单元耦合馈电的并设有集总贴片电感的弯折回转型低频辐射单元，所述弯折回转型低频辐射单元的终端借助金属化通孔与主金属接地板连接。

在介质板的下表面增设了与主金属接地板衔接的、并与天线单元的对面区域相邻接的拓展金属接地板。

本发明的高频辐射体借助天线馈线（如同轴馈线）激励起分布电流，该分布电流顺着金属条连成的高频辐射体向前流动，根据微波技术的基本理论，当金属条的长度等于对应波长的四分之一时可以实现有效的谐振，通过调节金属条的长度，可以使得金属条在工作在1710-2170 MHz频段上。高频辐射体与低频辐射体之间存在容性耦合，当天线工作在低频时，通过高频辐射体与低频辐射体之间的缝隙将高频辐射体的电流耦合到低频辐射体上。与高频工作原理类似，当金属条的整体长度接近四分之一波长时，天线能够很好地谐振，对应的低频波长较长，无法在紧凑的空间完成天线走线布局，根据微波技术的基本理论，在金属条的长度小于谐振频率所对应的四分之一波长时，将会呈现出分布电容效应，从而破坏了天线原有的阻抗匹配。本发明在低频辐射体中加入集总贴片电感，一方面可以抵消分布电容，改善该天线的阻抗匹配，以实现宽带特性，另一方面可以微调低频的谐振频率的位置。

另外，本发明在主金属接地板的延伸处设置了拓展金属接地板，实现两个重要的功能：①便于在其上安放一些电子元件（比如：马达，听筒，摄像头等）；②利用天线单元与拓展地之间的微小距离能够有效的抑制位于印制板顶部的金属地表面电流分布，减少在通信过程中电磁辐射对人体尤其是人脑的伤害。

采用上述技术方案产生的有益效果在于：（1）本发明的终端天线所占用的空间较小，只占手机主板一角，节省的空间可预留作为空白无金属覆铜基板，为其他的天线设计提供了空间，用于目前的多输入多输出系统（MIMO）；（2）该结构可以直接印刷在电路板上，无需特殊安装工艺，且本发明的天线能够获得较宽的工作带宽，能够覆盖824-901MHz以及1710-2170MHz五个个常用频段（GSM850/900/ GSM1800/1900/ UMTS2100），从而可以获得较高的天线效率，可广泛应用于常见的通讯设备中；（3）本发明通过将天线单元放置于介质板的底部，并在介质板底部增设拓展金属接地板，能够有效的抑制位于介质板顶部的金属地表面电流分布，减少在通信过程中电磁辐射对人体、尤其是对人脑的伤害，同时拓展金属接地板可以安放如USB等数据连接端口。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是本发明天线的主视结构示意图；

图3是图2的后视结构示意图；

图4是图3的A向视图；

图5是本发明回波损耗的仿真和测试结果；

图6和图7分别是本发明天线在低频段和高频段下辐射效率和增益的测量结果；

图1~图4中，1、馈电点，2、L形高频辐射单元，2-1、第一高频金属条，2-2、第二高频金属条，3、弯折回转型低频辐射单元，3-1、第一高频金属条，3-2、第二高频金属条，3-3、第三高频金属条，3-4、第四高频金属条，3-5、第五高频金属条，4、集总贴片电感，6、金属化过孔，7、介质板，8、主金属接地板，10、拓展金属接地板。

具体实施方式

 参看图1~图4，本发明的天线系统包括介质板7、定位在介质板7上表面的天线单元3、以及设置在介质板7下表面的主金属接地板8，还包括设置在介质板7下表面的、与主金属接地板8衔接的、并与天线单元的对面区域相邻接的拓展金属接地板10；所述天线单元包括与馈电端连接的L形高频辐射单元2以及借助L形高频辐射单元2的一个边耦合馈电、并设有集总贴片电感4的弯折回转型低频辐射单元3，所述弯折回转型低频辐射单元3的终端借助金属化通孔6与主金属接地板8连接。所述拓展金属接地板10，实现两个重要的功能：①便于在其上安放一些电子元件，比如：马达，听筒，摄像头等；②利用天线单元与拓展金属接地板之间的微小距离能够有效地抑制位于介质板顶部的金属地表面电流分布，减少在通信过程中电磁辐射对人体尤其是人脑的伤害。试验证明拓展金属接地板的宽度对于天线单元的性能基本没有影响，可以根据设计的需要延长或者缩短拓展地的尺寸，其形状可以是长方形、正方形或者其它形状，具体可以由终端中实际的介质板形状来确定。本发明中弯折回转型低频辐射单元3中增设了集总贴片电感4，缩小了天线的布局面积，所节省的空间可用于布置其它的天线或者设置其它的元器件。

所述L形高频辐射单元可以由第一高频金属条2-1和第二高频金属条2-2电连接而成或者由同一金属条进行折叠得到。本实施例中，所述L形高频辐射单元2由第一高频金属条2-1和第二高频金属条2-2连接而成（第一高频金属条2-1和第二高频金属条2-2也可以由单个金属条弯折而成），所述第一高频金属条2-1通过馈电点1接馈电端。即射频信号通过同轴线、微带线或带状线连接到馈电点1，激励起相应的分布电流并传递到第一高频金属条2-1和第二高频金属条2-2，并形成高频的电流分布，最后形成空间的电磁波辐射。

所述弯折回转型低频辐射单元可以是由同一个金属条折叠后在中间加入集总贴片电感4或者由第一~第五低频金属条与集总贴片电感电连接而成。集总贴片电感4为常见的0402或者0201系列的贴片电感，其电感值的大小以及所布置在低频金属条中的位置可以根据实际需要进行相应地选择。本实施例中，弯折回转型低频辐射单元3由低频金属条连接形成的非闭合环形辐射体。具体地，所述弯折回转型低频辐射单元3由第一~第五低频金属条电连接而成，借助相互平行的第一低频金属条3-1与第二高频金属条2-2之间的间隙形成耦合馈电结构，第一~第三低频金属条弯折成“］”形结构，第四和第五低频金属条3-4、3-5连接成直线结构，并在第三低频金属条3-3与第四低频金属条3-4之间设有集总贴片电感4。当天线工作在低频时，L形高频辐射单元2上的电流通过第二高频金属条2-2与第一低频金属条3-1之间的间隙将电流耦合到弯折回转型低频辐射单元3上，当金属条的整体长度接近四分之一波长时，天线单元能够很好地谐振；由于低频波长较长，无法在紧凑的空间完成天线走线布局，在第三低频金属条3-3与第四低频金属条3-4之间增设了集总贴片电感，一方面可以微调低频的谐振频率的位置，另一方面可以抵消因金属条的整体长度小于谐振频率所对应的四分之一波长所产生的分布电容效应，改善该天线的阻抗匹配，以实现宽带特性。

所述第一高频金属条、第二高频金属条以及第一~第五低频金属条分别为粗细均匀的金属条。

下面以一个具体的天线为例说明本发明天线的性能。

如图1~图4所示，L形高频辐射单元2中，L形的两个边长分别为7mm、22、5mm，第二高频金属条2-2的宽度为4.5mm；弯折回转型低频辐射单元3中，第一~第五低频辐射体的长度分别为12mm、6.5mm、20mm、8mm和7mm，宽度分别为1.5mm、3mm、2mm、1mm和0.5mm；集总贴片电感4的电感值为8.2nH；第一低频金属条3-1与第二高频金属条2-2之间的间隙为1.5mm。对该具体天线分别进行回波损耗的仿真与测量，其结果参见图5，可以看出：模拟结果与测量结果相吻合；本实施例中天线的工作带宽覆盖移动通讯的五个频段，即GSM850/900 GSM1800 /1900/UMTS2100。分别测量本实施例的天线在低频段（820~965MHz）和高频段（1670~2180MHz）的辐射效率和增益，参见图6和图7，可以看出：本实施例的天线在工作频带有良好的辐射特性和较高的辐射效率，测试表明在工作频带内该天线的辐射效率都能达到40%以上，并表现出良好的全向性辐射特征，满足手机等无线终端设备信号的全向性发射与接收的通信要求。且通过将天线置于手机等无线设备的下端以及增加延伸金属地的设置，很好地减少了对设备使用者的辐射伤害。

本发明的基本工作原理是：L形高频辐射单元通过馈电点1可以激励起分布电流，该分布电流顺着第一高频金属条2-1向前流动，并产生一个高频的谐振，覆盖1710-2170 MHz的通信频段。由于第一低频金属条3-1与第二高频金属条2-2之间的间隙较近产生容性耦合，通过容性耦合实现对第一低频金属条3-1的耦合馈电，耦合量的大小主要决定于第一低频金属条3-1与第二高频金属条2-2之间缝隙的大小以及第一低频金属条3-1与第二高频金属条2-2之间的耦合长度。此外，根据微波技术的基本理论，在金属带线的长度小于谐振频率所对应的四分之一波长时，将会呈现出分布电容效应，从而破坏了天线原有的阻抗匹配，本实施例中通过在弯折回转型低频辐射单元中间加入集总贴片电感也可以抵消这部分分布电容，改善该天线的阻抗匹配，以实现宽带特性。

综上，本发明可广泛应用于移动通讯手机、数据卡、固定台、无线路由器、RFID（Radio Frequency Identify）、雷达以及其它可以收发电磁波信号的通讯设备中。

Claims (7)

1.一种覆盖五个频段的小尺寸平面天线，结构中包括定位有天线单元的介质板（7）、以及设置在介质板（7）下表面的主金属接地板（8），其特征在于所述天线单元为平面复合结构，包括与馈电端连接的L形高频辐射单元（2）、以及与所述L形高频辐射单元（2）耦合馈电并设有集总贴片电感（4）的弯折回转型低频辐射单元（3），所述弯折回转型低频辐射单元（3）的终端借助金属化通孔（6）与主金属接地板（8）连接；所述弯折回转型低频辐射单元（3）由第一~第五低频金属条（3-1~3-5）电连接而成，第一~第三低频金属条（3-1~3-3）弯折成“］”形结构，第四（3-4）与第五低频金属条（3-5）连接成直线结构、并借助集总贴片电感（4）与第三低频金属条（3-3）连接。

2.根据权利要求1所述的一种覆盖五个频段的小尺寸平面天线，其特征在于在介质板（7）的下表面增设了与主金属接地板（8）衔接的、并与天线单元的对面区域相邻接的拓展金属接地板（10）。

3.根据权利要求1所述的覆盖五个频段的小尺寸平面天线，其特征在于L形高频辐射单元（2）由第一高频金属条（2-1）和第二高频金属条（2-2）连接而成，所述第一高频金属条（2-1）通过馈电点（1）接馈电端。

4.根据权利要求1所述的覆盖五个频段的小尺寸平面天线，其特征在于所述弯折回转型低频辐射单元（3）为由低频金属条与集总贴片电感（4）电连接形成的非闭合环形辐射单元。

5.根据权利要求4所述的覆盖五个频段的小尺寸平面天线，其特征在于第一低频金属条（3-1）与第二高频金属条（2-2）相互平行、并借助两者之间的间隙形成耦合馈电结构。

6.根据权利要求5所述的覆盖五个频段的小尺寸平面天线，其特征在于第一~第五低频金属条（3-1~3-5）分别为粗细均匀的金属条。

7.根据权利要求1所述的覆盖五个频段的小尺寸平面天线，其特征在于所述集总贴片电感（4）的电感值为0.5 nH-30 nH。