CN103151612A - 宽边耦合馈电的多频段宽带平面天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽边耦合馈电的多频段宽带平面天线，包括介质基片，介质基片包括称为正面的一个表面和与该正面相对的称为反面的另一个表面，在介质基片正面沿宽度方向设有金属条带，第一弯曲条带和第二弯曲条带与金属条带连接，在反面设有金属面和从一边起沿宽度方向向另一边设置的单极子；单极子和金属面之间有一缝隙隔开，单极子被在靠近介质基片一边并分别位于缝隙两边设置的两个馈电点构成的馈电端口馈电；金属条带和单极子的投影相互部分重叠；金属条带在与单极子投影重叠区域以外的部分，在与馈电端口相对的另外一边弯折后通过金属化通孔与金属面短路，形成短路条带。本发明结构简单，易于与PCB板上的射频电路系统集成。

Description

宽边耦合馈电的多频段宽带平面天线

技术领域

本发明涉及一种多频段宽带平面天线，具体是一种宽边耦合馈电的多频段宽带平面天线，通过贴片形式的单极子以宽边耦合方式同时激励耦合谐振环和变形倒F结构的多频天线，构建多频段宽带工作的平面天线及通过在金属面（地平面）开槽缝构造紧凑地平面结构，适合应用于多频多模工作的移动通信终端天线。

背景技术

目前移动通信终端所能实现的功能已越来越多，如一台手持设备集成有两种或以上的语音通话业务工作模式，可以工作于不同的频率、不同制式通信系统中以满足用户在不同运营商、不同频段条件下使用需求。同时移动通信终端早已不限于单一的语音通话业务，图像、视频、音乐、电子商务、网页浏览、电子会议等宽带移动上网业务及定位导航等功能在移动通信终端中越开越普及。这种移动通信系统中多网融合的移动通信终端应用需求对天线系统提出了多频段、宽带工作的要求，这些要求使得多频段、宽频带、小型化、低剖面、低成本、易制作、易于和其它微波射频电路集成等成为天线领域的研究热点之一。

近年来随着移动通信技术的不断发展和用户数量的激增，原来划分给移动通信的频谱越来越拥挤，已显出不能满足未来移动通信需求的问题。电视频段占有较宽的频谱范围，而长期以来电视频段频谱利用率较低，综合开发和利用电视UHF频段对缓解移动通信频谱资源紧张局面和扩展移动通信服务能力成为必然的选择。

包括电视网在内的三网融合技术的提出将电视UHF频段扩充到移动通信频谱中，使得移动通信终端天线的频率下限更低、工作带宽更宽。低的频率意味着更大的天线尺寸、更难满足小型化要求，增大的带宽使天线设计更难，因此迫切需要一种进一步展宽天线工作频带、缩小体积的方法来获得满足要求的天线。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种宽边耦合馈电的多频段宽带平面天线，能够获得较宽的工作带宽，特别适合应用于具有多频多模、多网融合技术的移动通信系统。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种宽边耦合馈电的多频段宽带平面天线，包括矩形的介质基片，所述介质基片包括称为正面的一个表面和与该正面相对的位于介质基片另一面的称为反面的另一个表面，在所述的介质基片正面沿介质基片宽度方向设置有金属条带，第一弯曲条带和第二弯曲条带与所述金属条带连接，在所述的介质基片反面设置有金属面和从一边起沿介质基片宽度方向向另一边设置的矩形金属贴片构造出的单极子；所述单极子和金属面之间有一缝隙隔开，所述的单极子被在靠近介质基片一边并分别位于所述缝隙两边设置的两个馈电点构成的馈电端口直接馈电；所述金属条带和单极子在介质基片上的投影相互部分重叠，所述重叠部分的条形区域构成宽边耦合结构；所述金属条带在与单极子投影重叠区域以外的部分，在与馈电端口相对的另外一边弯折后通过金属化通孔与金属面短路，形成短路条带。

进一步的，以电路板制造工艺在所述的介质基片正面沿介质基片宽度方向设置有金属条带。

进一步的，所述第一弯曲条带为L形，该第一弯曲条带的一端在所述金属条带的大致中间区域与所述金属条带相连，另一端向所述介质基片的一边延伸。

进一步的，所述第二弯曲条带为折线状，该第二弯曲条带的一端在靠近馈电端口的一端与所述金属条带相连。

第一弯曲条带和第二弯曲条带的长度由天线的工作频率（即谐振频率）决定，可使天线形成2个不同的工作频率，长度越长，频率越低。

进一步的，在所述金属面上沿其宽度方向开有槽缝。更进一步的，所述槽缝包括第一槽缝和第二槽缝，所述第一槽缝沿所述金属面宽度方向的两个边缘向中心方向开设，所述第二槽缝沿所述金属面宽度方向在宽度方向的中心开设。所述第一槽缝的长度小于第二槽缝。所述第一槽缝和第二槽缝在所述金属面上沿其长度方向交替排列。

有益效果：宽边耦合馈电可获得更大的耦合电容和较大的电容调节范围，方便设计调节，因而易于设计实现多频段宽带工作的天线。

耦合馈电结构和短路条带都具有一种结构同时在两种不同类型天线中起作用的特点，通过这种结构的共用，把两种不同形式不同频率的天线紧密地结合在一起，使天线获得多频段宽频带特性的同时，还能极大地减小天线的尺寸，实现天线小型化的要求。

传统的移动通信终端的天线多以单极类和平面倒F类结构实现，为了减小尺寸、增加带宽，通常采用3维结构，但这样增加了天线的厚度，如工作于GSM频段天线的最小厚度一般也要约6毫米，如果工作于更低频率的UHF电视频段，天线厚度还要更大，在移动终端越来越轻薄化的要求下，天线厚度成为要考虑的重要因素之一。基于宽边耦合馈电技术的多频段宽带平面天线，用介质基片两面的金属条带交错重叠实现耦合馈电，使天线可以制作在一块介质基片上，不用3维立体结构实现宽频带的要求，很容易满足手持终端日益小型化特别是轻薄化的要求。

通过在天线地平面（金属面）上开对称的周期性槽缝的方法增加电流路径，进一步缩减了天线尺寸，方法简单、制作方便。

本发明结构简单，易于与PCB板上的射频电路系统集成，可一体化制造，可采用标准工业工艺制作，容易批量生产，成本低。

附图说明

图1为宽边耦合馈电的多频段宽带平面天线的实施例1正面结构示意图。

图2为宽边耦合馈电的多频段宽带平面天线的实施例1反面结构示意图。

图3为宽边耦合馈电的多频段宽带平面天线的实施例2正面结构示意图。

图4为宽边耦合馈电的多频段宽带平面天线的实施例2反面结构示意图。

图5为实施例1的天线输入端反射系数测试结果图。

图6为实施例1的天线方向图测试结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明的方法采用PCB工艺将金属条带（简称“条带”）1制作在介质基片上，介质基片具有第一表面和与第一表面相对的第二表面，介质基片的第一表面（称为正面），设置有条带1、短弯曲枝节（即前述的“第一弯曲条带”）2和长弯曲枝节（即前述的“第二弯曲条带”）3，短弯曲枝节2和长弯曲枝节3也是金属材质，采用PCB工艺制作在介质基片上，如图1所示；介质基片的第二表面（称为反面），设置有天线的金属地平面（简称“地平面”或“金属面”）4和贴片形式的单极子5，如图2所示；介质基片正面上的条带1和反面上的单极子5在该面投影重叠的部分称为耦合条带部分11，构成与单极子5的宽边耦合结构6，条带1的其余部分在末端通过金属化通孔7与介质基片反面的天线地平面4短路构成短路枝节（即前述“短路条带”）12，单极子5、宽边耦合结构6和短路枝节12形成耦合谐振环，宽边耦合结构6、短路枝节12、短弯曲枝节2和长弯曲枝节3组成一个变形倒F结构的多频天线（简称“倒F天线”），短弯曲枝节2和长弯曲枝节3使倒F天线具有不同的谐振频率，分别形成两个不同的工作频段，长弯曲枝节3弯曲折叠以减小天线占用面积，使倒F天线小型化，单极子5由馈电端口8处直接馈电，变形倒F结构的多频天线由宽边耦合结构6以电容耦合的方式激励馈电，宽边耦合结构6馈电具有耦合电容大、电容调节范围宽、多点分布馈电、工作频带宽的特性，宽边耦合结构6既是耦合谐振环的一部分又是变形倒F天线的激励馈电部分，同时短路枝节12既是耦合谐振环的组成部分又是倒F天线的接地部分，宽边耦合结构6和短路枝节12能同时在两种不同的天线中起作用并把两种天线紧密地结合在一起，不但使天线获得了多频段宽频带的性能，而且极大地减小了天线的尺寸，实现了小型化的要求，天线由耦合谐振环来实现一个低频谐振，由倒F天线的长弯曲枝节3形成另一个低频谐振，通过设计天线各部分的结构参数，使各谐振频率不相同，两个低频谐振的参差调谐获得低频段的宽带工作特性，耦合谐振环和长弯曲枝节3的高次谐振被用来在高频段内产生谐振，短弯曲枝节2同样也被用来在高频段谐振，三个高频段谐振的参差调谐获得高频段的宽带工作特性，天线的地平面4是构成天线的重要部分，地平面4尺寸的大小直接影响天线地平面4上的电流路径的长短，因而对天线的最低工作频率有直接的影响，本发明通过在地平面4上开一组如图4所示的对称的周期性短槽缝（即前述“第一槽缝”）91和长槽缝（即前述“第二槽缝”）92以增加电流路径，短槽缝91从地平面4的两边缘向中心对称地开在地平面4的两边，长槽缝92平行于短槽缝91并位于其下方对称地开在地平面4的中间，使槽缝在地平面4上切割出的弯曲路径对称，从而使曲流电流对称、均匀，地平面4上的电流沿槽缝切割后形成的弯曲路径流动，大大增加了地平面4上电流路径的电长度，这样就可以用长度更短的地平面4在相同工作频率条件下获得与较长地平面4尺寸的天线相同的性能，从而达到进一步减小天线尺寸的目的。

实施例1，如图1、图2所示的宽边耦合馈电的多频段宽带平面天线，在介质基片的正面，条带1宽度Ws，条带1沿天线反面的单极子5长度W5方向设置，长度为整个介质基片的宽度W加上与金属化通孔7连接的弯折段，条带1的上沿与反面单极子5的上沿平齐，即宽边耦合结构6的宽度G与Ws一致，宽边耦合结构6的长度与单极子5的长度W5一致，条带1的其余部分在末端弯折后通过金属化通孔7与介质基片反面的地平面4短路构成短路枝节12，在条带1上设置有短弯曲枝节2，短弯曲枝节2与条带1连接的位置由按设计的工作频率确定的短弯曲枝节2总长度（W4+L4）决定，长弯曲枝节3在条带1的另一端（与短路枝节相对的一端）与条带1连接，长弯曲枝节3弯曲折叠以减小天线的占用面积，其总长度为（L1+L2+W1+W2+W3），设置在介质基片反面的单极子5的高度为L3，宽度为W5，与地平面4之间有一缝隙，其宽度为S，馈电端口8的两个馈电点靠近介质基片的边缘处，距边缘约1mm，在缝隙的两边（两点相距约2mm），整个天线由馈电端口8进行馈电，馈电端口8直接馈电给单极子5，单极子5、宽边耦合结构6和短路枝节12构成耦合谐振环天线，由单极子5通过宽边耦合结构6给由宽边耦合结构6、条带1、弯曲枝节构成的倒F天线馈电，整个天线由耦合谐振环来实现一个低频谐振，由倒F天线的长弯曲枝节3形成另一个低频谐振，两个低频谐振的参差调谐获得低频段的宽带工作特性，耦合谐振环和长弯曲枝节3的高次谐振被用来在高频段内产生谐振，短弯曲枝节2同样也被用来在高频段谐振。三个高频段谐振的参差调谐获得高频段的宽带工作特性，实施例1的天线工作在694～960MHz和1710～2590MHz两个频段。

实施例2，如图3、图4所示，通过在地平面4的两边向中心沿介质基片的宽度W方向对称地设置短槽缝91、在基片宽度方向的中心对称地设置长槽缝92，并按周期D沿地平面4的长度LG方向设置多组（本例为7组），使短槽缝91、长槽缝92在地平面上切割出的弯曲路径对称，地平面4上的电流沿短槽缝91、长槽缝92切割出的弯曲路径流动，大大增加了地平面4上电流路径的电长度，从而可以用长度更短的地平面在相同工作频率条件下获得与较长地平面尺寸的天线相同的性能，达到进一步减小整个天线尺寸的目的，对称设置的短槽缝91、长槽缝92使曲流电流对称、均匀，以获得较好的性能，实施例2的结构减小天线尺寸的同时，其性能与实施例1天线的相比工作频段仍为694～960MHz和1710～2590MHz两个频段，其它特性基本保持不变。两个实施例中所用介质基片为FR4，厚度1mm，介电常数4.4，按图1～图4所示的结构制作的实施例1和实施例2的结构参数尺寸列于表1。

表1实施例的示例性设计参数尺寸表

参数(单位mm)	实施例1	实施例2
			W	38	38
L	142	127
			LG	115	100
G	1	1

S	0.8	0.8
			W1	4	4
W2	34	34
			W3	20	20
W4	24	25
			W5	28	28
W6	2	2
			Ws	1	1
L1	20	20
			L2	8	8
L3	7.2	7.2
			L4	5	5
CL1	—	12
			CL2	—	30
D	—	12
			d	—	10
s	—	1

图5所示为实施例1的天线输入端反射系数测试结果，图6所示为实施例1的天线方向图测试结果。从图5可以看出天线的两个频段具有较宽的带宽，低频段从694MHz～960MHz，包含了NGB-W的UHF频段(694～798MHz)、移动通信中的GSM850频段(824～894MHz)、GSM900频段(890～960MHz)，高频段从1710MHz～2590MHz，包含了DCS频段(1710～1880MHz)、PCS频段(1850～1990MHz)、UMTS频段(1920～2170MHz)、LTE2300频段。图6的典型方向图表明实施例天线具有较好的全向辐射特性，适合作为移动通信终端天线使用。

Claims (7)

1.一种宽边耦合馈电的多频段宽带平面天线，其特征在于：包括矩形的介质基片，所述介质基片包括称为正面的一个表面和与该正面相对的位于介质基片另一面的称为反面的另一个表面，在所述的介质基片正面沿介质基片宽度方向设置有金属条带（1），第一弯曲条带（2）和第二弯曲条带（3）与所述金属条带（1）连接，在所述的介质基片反面设置有金属面（4）和从一边起沿介质基片宽度方向向另一边设置的矩形金属贴片构造出的单极子（5）；所述单极子（5）和金属面（4）之间有一缝隙隔开，所述的单极子（5）被在靠近介质基片一边并分别位于所述缝隙两边设置的两个馈电点构成的馈电端口（8）直接馈电；所述金属条带（1）和单极子（5）在介质基片上的投影相互部分重叠，所述重叠部分的条形区域构成宽边耦合结构（6）；所述金属条带（1）在与单极子（5）投影重叠区域以外的部分，在与馈电端口（8）相对的另外一边弯折后通过金属化通孔（7）与金属面（4）短路，形成短路条带（12）。

2.根据权利要求1所述宽边耦合馈电的多频段宽带平面天线，其特征在于：所述第一弯曲条带（2）为L形，该第一弯曲条带（2）的一端在所述金属条带（1）的大致中间区域与所述金属条带（1）相连，另一端向所述介质基片的一边延伸。

3.根据权利要求1所述宽边耦合馈电的多频段宽带平面天线，其特征在于：所述第二弯曲条带（3）为折线状，该第二弯曲条带（3）的一端在靠近馈电端口（8）的一端与所述金属条带（1）相连。

4.根据权利要求1所述宽边耦合馈电的多频段宽带平面天线，其特征在于：在所述金属面（4）上沿其宽度方向开有槽缝。

5.根据权利要求4所述宽边耦合馈电的多频段宽带平面天线，其特征在于：所述槽缝包括第一槽缝（91）和第二槽缝（92），所述第一槽缝（91）沿所述金属面（4）宽度方向的两个边缘向中心方向开设，所述第二槽缝（92）沿所述金属面（4）宽度方向在宽度方向的中心开设。

6.根据权利要求5所述宽边耦合馈电的多频段宽带平面天线，其特征在于：所述第一槽缝（91）的长度小于第二槽缝（92）。

7.根据权利要求5所述宽边耦合馈电的多频段宽带平面天线，其特征在于：所述第一槽缝（91）和第二槽缝（92）在所述金属面（4）上沿其长度方向交替排列。

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