CN103199342B - 兼顾净空区面积与多频段覆盖的移动终端用平面印制天线 - Google Patents

Abstract

兼顾净空区面积和多频段覆盖的移动终端用平面印制天线，属于移动终端天线技术领域，其特征在于，提出了利用耦合分枝增加寄生地枝与作为激励分枝的折叠单极子分枝之间电磁耦合，采用紧凑的结构实现天线工作带宽的拓展，并通过加载调节片、使用阶梯状过渡结构等技术措施来进行阻抗匹配的设计方案，实现适用于移动终端的小型平面印制天线。该款天线占据的电路板上的净空区面积仅为28mm×20mm，其-6dB阻抗带宽能够有效覆盖LTE700、GSM850、GSM900、DCS、PCS、UMTS、LTE2300、LTE2500工作频段。

Description

兼顾净空区面积与多频段覆盖的移动终端用平面印制天线

技术领域

本发明属于小型多频天线设计领域，涉及一种应用于移动终端的印制在双层PCB板上的兼顾净空区面积和多频段覆盖的平面天线。

背景技术

世界各地采用的通信协议与相应频段不尽相同，因此要实现全球漫游，需要实现移动终端天线的多协议频段覆盖。加之，为了满足用户需求，移动终端需要加入更多的业务功能，如全球卫星定位系统(GPS)、移动电视(DVB-H)等，设计的天线需要覆盖到这些业务的工作频段。能够覆盖GSM850(824－894MHz)、GSM900(880－960MHz)、DCS(1710-1880MHz)、PCS(1850－1990MHz)、UMTS(1920－2170MHz)工作频段的内置WWAN天线正在成为许多现代移动终端的需求。在移动终端中联合使用内置WWAN天线与传统2.4/5GHz内置WLAN天线，可以获得泛在无线互联网接入。此外，由于LTE技术能够提供比WWAN系统更好的宽带多媒体服务，能够覆盖LTE700(704－787MHz)、GSM850、GSM900、DCS、PCS、UMTS、LTE2300(2300－2400MHz)、LTE2500(2500－2690MHz)工作频段的移动终端天线已经成为目前学者的研究热点。

目前，应用于移动终端的主要天线形式包括PIFA(Planar Inverted-F Antenna)、折叠单极子天线、环天线和槽天线等。对于PIFA，通过调节短路针的位置可以较容易地进行阻抗匹配，然而其阻抗带宽一般较窄。单极子天线的阻抗带宽要宽于PIFA，但是与PIFA相比，对其进行阻抗匹配更困难。要提高单极子天线的匹配特性，需要保证天线与地板之间具有足够的间距，这样不可避免地将会使天线的尺寸增大。同时，为了尽量减小天线尺寸，在设计中一般采用折叠单极子天线结构。传统的环天线一般能够在高、低工作频段分别激励起半波长谐振模式和一个波长谐振模式，而在四分之一波长模式下难以获得良好的匹配。由于天线尺寸受最低谐振模式对应的电尺寸限制，一般而言，应用于移动终端的环天线在电路板上占据较大的面积。对于应用于移动终端的槽天线，一般将其一端开在地板边沿，另一端封闭，使其在最低频率处工作在四分之一波长谐振模式。然而，当槽的位置没有选择在系统地板中心位置时，地板难以作为有效辐射体被激励起来，此时需要使用至少两个不同长度的槽，来覆盖通信频段中的高、低两部分频段，这将制约天线的小型化设计。

为了兼顾到小型化和多频段覆盖需求，本发明提出了利用耦合分枝增加寄生地枝与作为激励分枝的折叠单极子分枝之间电磁耦合，采用紧凑的结构实现天线工作带宽的拓展，并通过加载调节片、使用阶梯状过渡结构等技术措施来进行阻抗匹配的设计方案，实现适用于移动终端的小型平面印制天线。该款天线占据的电路板上的净空区面积仅为28mm×20mm，其-6dB阻抗带宽能够有效覆盖LTE700、GSM850、GSM900、DCS、PCS、UMTS、LTE2300、LTE2500工作频段。

发明内容

本发明针对下一代宽带移动通信对小型化移动终端天线的多频段覆盖需求，设计了兼顾净空区面积和多频段覆盖的平面印制天线，以实现在天线尺寸尽可能小的情况下，移动终端的多协议覆盖和多业务功能。

本发明的特征在于，含有：介质板、金属地板、馈线、激励分枝、寄生地枝和耦合分枝，其中：

介质板，尺寸为120mm×60mm×0.8mm；

金属地板，印制在所述介质板的背面，用于模拟电路板中的电路部分，尺寸为100mm×60mm；

馈线，位于所述介质板正面，用微带方式进行馈电，馈电点位于正对着所述金属地板上边沿偏左的介质板正面位置上，所述馈线在水平方向上呈反“L”型，沿所述馈电点垂直向下后，再水平地折向所述介质板左侧长边，与馈电端口相接；

激励分枝，含有：折叠单极子分枝、阶梯状过渡结构、第一调节片、第二调节片及第三调节片，其中：

折叠单极子分枝，印制在所述介质板正面，由上侧折叠单极子分枝和下侧折叠单极子分枝组成，

阶梯状过渡结构，由所述馈线上部靠近馈电点的一端与所述激励分枝中下侧折叠单极子分枝靠近所述馈电点的一端连接而成，在所述馈电点两侧采用能改善馈电端口阻抗特性的不同线宽的阶梯状金属带，

第一调节片水平地连接在所述下侧折叠单极子分枝的下侧面上，并靠近所述阶梯状过渡结构，以改善高、低两个频段的带内匹配特性，

第二调节片，位于所述第一调节片远离所述阶梯状过渡结构的一端的右上方，与所述第一调节片相连，并与所述下侧折叠单极子分枝的下侧面相连，以改善高频段的带内匹配特性，

第三调节片，水平地连接在下侧折叠单极子分枝的上侧面上，以改善高频段的带内匹配特性；

寄生地枝，印制在所述介质板的背面，从与所述金属地板相连的一端延伸出的水平金属带与所述第一调节片有一部分隔着所述介质板相交叠，以减小天线结构占用的净空区面积，同时也改善了工作频带内的匹配特性；

耦合分枝，一端延伸到所述激励分枝中上侧折叠单极子分枝的背面，而另一端与所述寄生地枝相连。

本发明兼顾了净空区面积，同时实现了多频段覆盖，采用平面结构，无通孔，便于加工制作。天线的高、低频段的带宽特性可以通过调节几何结构尺寸来实现。

附图说明

图1为本发明提供的一种应用于移动终端的兼顾净空区面积和多频段覆盖的平面印制天线的结构图(介质板正面金属用黑色表示，介质板背面金属用纵线条纹表示)。

图2为图1所示平面印制天线的正视图的实施尺寸图(介质板正面金属用黑色表示，介质板背面金属用纵线条纹表示)，单位均为毫米(mm)。

图3为图1所示平面印制天线的后视图的实施尺寸图(介质板背面金属用黑色表示，介质板正面金属用纵线条纹表示)，单位均为毫米(mm)。

图4为图1所示平面印制天线的侧视图的实施尺寸图，单位均为毫米(mm)。

图5为图1—图4所示实施实例中的平面印制天线的回波损耗测量图(S11)。

图6为图1—图4所示实施实例中的平面印制天线工作在750MHz时的实测辐射方向图：6(a)X-Y平面；6(b)X-Z平面；6(c)Y-Z平面(-：θ分量功率增益方向图；--：分量功率增益方向图)。

图7为图1—图4所示实施实例中的平面印制天线工作在890MHz时的实测辐射方向图：7(a)X-Y平面；7(b)X-Z平面；7(c)Y-Z平面(-：θ分量功率增益方向图；--：分量功率增益方向图)。

图8为图1—图4所示实施实例中的平面印制天线工作在1940MHz时的实测辐射方向图：8(a)X-Y平面；8(b)X-Z平面；8(c)Y-Z平面(-：θ分量功率增益方向图；--：分量功率增益方向图)。

图9为图1—图4所示实施实例中的平面印制天线工作在2350MHz时的实测辐射方向图：9(a)X-Y平面；9(b)X-Z平面；9(c)Y-Z平面(-：θ分量功率增益方向图；--：分量功率增益方向图)。

图10为图1—图4所示实施实例中的平面印制天线工作在2600MHz时的实测辐射方向图：10(a)X-Y平面；10(b)X-Z平面；10(c)Y-Z平面(-：θ分量功率增益方向图；--：分量功率增益方向图)。

附图中的标示说明如下：

0为介质板；1为印制在介质板背面的金属地板；2为印制在介质板正面的50Ω微带馈线；3为印制在介质板正面的激励分枝；31为激励分枝结构中用于调节端口阻抗特性的阶梯状过渡结构；32为激励分枝结构中的折叠单极子分枝；33、34、35分别为激励分枝结构中的用于进行阻抗匹配的第一调节片、第二调节片、第三调节片；4为印制在介质板背面的寄生地枝；5为印制在介质板背面的耦合分枝；6为馈电端口；7为馈电点；8为接地点。

具体实施方式

本发明提供了一种应用于移动终端的兼顾净空区面积和多频段覆盖的平面印制天线，具体实施方案如下：

整个天线结构印制在一块介质板0上。印制在介质板背面的金属地板1用于模拟电路板中的电路部分。天线主体部分由印制在介质板0正面的激励分枝3，印制在介质板0背面的寄生地枝4和耦合分枝5组成。通过印制在介质板正面的50Ω微带馈线2将激励分枝3与馈电端口6相连。印制在介质板0正面的激励分枝3的结构中包括了阶梯状过渡结构31，通过阶梯状过渡结构31与50Ω微带馈线相接的折叠单极子分枝32，以及用于进行阻抗匹配的第一调节片33、第二调节片34、第三调节片35。第一调节片33能够显著影响高、低频段的带宽性能，第二调节片34与第三调节片35有助于改善高频段的带内匹配特性。阶梯状过渡结构31，由50Ω微带馈线2靠近馈电点7的一端与激励分枝3靠近馈电点7的一端构成，在馈电点7两侧采用不同线宽的金属带，以实现对端口阻抗特性的改善。印制在介质板0背面的寄生地枝4的一端与同样印制在介质板0背面的金属地板1直接相连。寄生地枝4上靠近接地点8一端的水平金属带的一部分与所述激励分枝3上的第一调节块33产生交叠，有利于减小天线结构占用的面积，同时改善了工作频带内的匹配性能。通过展宽靠近介质板0上边沿的金属带的宽度，使低频工作频带的下边界拉低到700MHz左右。通过调节寄生分枝4末端金属带的长度，实现对天线高、低频段工作频带的谐振频率的有效调节。通过优化寄生地枝的弯折形状，使得高、低频段的工作带宽都得到有效拓展，同时使天线结构更加紧凑。印制在介质板0背面的耦合分枝5的一端与寄生地枝4相连，另一端延伸到激励分枝3末端的背面。加入耦合分枝5后，激励分枝3与寄生地枝4间的电磁耦合得到增强，综合调节激励分枝3末端金属带的长度、宽度，以及所述耦合分枝5末端金属带的长度、宽度，使天线在低频段形成双谐振模式，低频段工作带宽得到大幅扩展，同时高频段的匹配特性也获得改善。通过调节耦合分枝5上与寄生地枝4相连的金属带的宽度可以改变低频段第二谐振点的谐振频率以及高频段第一谐振点的谐振频率，进而影响低频工作频带的上边界和高频工作频带的下边界。

为了验证本发明方案的有效性，下面给出具体实例进行说明。

在本实施实例中，介质板采用相对介电常数为4.4、损耗角正切为0.02、厚度为0.8mm的FR4介质基板，平面印制天线各部分结构的尺寸如图2－图4所示，图中所有尺寸的单位均为毫米(mm)。

以图2－图4所示尺寸制作的平面印制天线的回波损耗(S11)的实测结果如图5。由图5可知，平面印制天线的-6dB阻抗带宽为684－964MHz(280MHz)和1602－2902MHz(1300MHz)，可以有效覆盖LTE700、GSM850、GSM900、DCS、PCS、UMTS、LTE2300和LTE2500等多个频带。图6－图10给出了实施实例中平面印制天线分别工作在750MHz、890MHz、1940MHz、2350MHz和2600MHz时的X-Y平面、X-Z平面、Y-Z平面的实测辐射方向图。由图6－图10可知，实施实例中平面印制天线的辐射方向图在低频段(750MHz、890MHz)为典型的偶极子辐射方向图形式(E面方向图为8字形，H面方向图为全向)，在高频段(1940MHz、2350MHz和2600MHz)具有一定的方向性，并且在整个工作频带内具有良好的增益和交叉极化特性，能够满足移动终端对小型天线的设计需求。

Claims (1)

1.兼顾净空区面积和多频段覆盖的移动终端用平面印制天线，其特征在于，含有：介质板、金属地板、馈线、激励分枝、寄生地枝和耦合分枝，其中：

介质板，尺寸为120mm×60mm×0.8mm；

金属地板，印制在所述介质板的背面，用于模拟电路板中的电路部分，尺寸为100mm×60mm；

馈线，位于所述介质板正面，用微带方式进行馈电，馈电点位于正对着所述金属地板上边沿偏左的介质板正面位置上，所述馈线在水平方向上呈反“L”型，沿所述馈电点垂直向下后，再水平地折向所述介质板左侧长边，与馈电端口相接；

激励分枝，含有：折叠单极子分枝、阶梯状过渡结构、第一调节片、第二调节片及第三调节片，其中：

折叠单极子分枝，印制在所述介质板正面，由上侧折叠单极子分枝和下侧折叠单极子分枝组成，

阶梯状过渡结构，由所述馈线上部靠近馈电点的一端与所述激励分枝中下侧折叠单极子分枝靠近所述馈电点的一端连接而成，在所述馈电点两侧采用能改善馈电端口阻抗特性的不同线宽的阶梯状金属带，

第一调节片水平地连接在所述下侧折叠单极子分枝的下侧面上，并靠近所述阶梯状过渡结构，以改善高、低两个频段的带内匹配特性，

第二调节片，位于所述第一调节片远离所述阶梯状过渡结构的一端的右上方，与所述第一调节片相连，并与所述下侧折叠单极子分枝的下侧面相连，以改善高频段的带内匹配特性，

第三调节片，水平地连接在下侧折叠单极子分枝的上侧面上，以改善高频段的带内匹配特性；

寄生地枝，印制在所述介质板的背面，从与所述金属地板相连的一端延伸出的水平金属带与所述第一调节片有一部分隔着所述介质板相交叠，以减小天线结构占用的净空区面积，同时也改善了工作频带内的匹配特性；

耦合分枝，一端延伸到所述激励分枝中上侧折叠单极子分枝的背面，而另一端与所述寄生地枝相连。