CN103311660B - 基于印刷电路板的垂直极化、差分馈电的槽天线 - Google Patents

Abstract

一种基于印刷电路板的垂直极化、差分馈电的槽天线，包括：基板、印刷槽和差分馈电环，印刷槽位于基板的反面，由上槽和下槽垂直相接构成，差分馈电环位于基板的正面以及下槽的正上方，两端与差分馈电芯片的两个差分馈电端口直接相连，本发明可通过调整所述基板的电介质常数和上槽的尺寸，实现对天线谐振频率的调整，从而应用于不同的频段，通过调节差分馈电环的线宽和线长、下槽的长度和馈电位置以及基板的厚度，实现不同端口阻抗的匹配，从而适应于不同的差分输出芯片，由于去除了差分到单端的馈电电路和匹配电路，该天线便于批量生产，具有成本低廉、性能稳定的优点。

Description

基于印刷电路板的垂直极化、差分馈电的槽天线

技术领域

本发明属于无线通信技术的天线设计领域，特别涉及一种基于印刷电路板的垂直极化、差分馈电的槽天线。

背景技术

近年来，随着无线射频技术的发展和无线识别的普及，越来越多的设备中集成入了无线传感器芯片及射频标签。这些芯片、标签多采用差分端口的形式对天线进行馈电，并向天线设计者提供相应的端口阻抗。在传统设计中，针对这类差分端口，主要利用差分到单端的转换和阻抗匹配电路，将芯片端口的阻抗变换到传统的单端50Ω端口，并提供标准阻抗及接口（SMA），以外接50Ω阻抗设计的天线。这类方案具有很好的通用性，且对应的转换和匹配电路在芯片的数据手册上会进行提供。但从大规模生产的角度而言，由于变换和馈电电路一般比较复杂，所需元件的数量也较多，难以保证器件的一致性，对辐射性能也会造成较大的影响。在这一考虑下，在天线设计中采用差分馈电设计，并将天线阻抗设计到与端口阻抗匹配，将获得更好的性能，并可以降低生产和结构的复杂度。

在传统的差分馈电天线设计中，天线单元一般选用工作在基模（λ/2）的偶极子。其优势在于差分馈电情况下，电流的平衡性很好，无需外加巴伦就可以获得很好的辐射特性。然而，由于偶极子是基于电流辐射，在空间产生的场为与结构（电流）方向一致的水平极化。考虑到现有的芯片多是集成在PCB且不会架高使用，在贴地或贴近金属的情况下，往往会产生较大的损耗。因此，在这类应用环境中，亟需开发一种基于差分馈电的垂直极化天线。

在垂直极化的天线中，最常用的是工作于基模（λ/2）的槽天线，它可以在传统双面印刷电路板工艺上实现。且基于磁流的槽会形成垂直于槽方向的辐射电场，远场特性为垂直极化。在紧贴地面或者金属的应用情形中，电磁波会以表面波的形式向外传播，衰减相对于水平极化情形将大幅减小。然而，在馈电结构上，传统的槽天线的馈电结构是采用微带进行馈电，这是一种单端的馈电方式，其阻抗可随着馈电位置和微带伸出槽的长度进行调节。如果换用差分馈电，需要对槽进行重新设计。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于印刷电路板的垂直极化、差分馈电的槽天线，通过直接引入差分馈电端口，减少了传统差分馈电芯片外围电路中从差分到单端的变换电路和阻抗匹配电路，并可以根据不同的差分馈电芯片的差分输出阻抗进行适当的调整尺寸，以获得所需的阻抗匹配特性。通过采用槽模式，该天线具有和槽线垂直的极化特性，在紧贴金属使用时，电磁场可以以表面波的形式进行传播，极大的减少了水平极化时的损耗。在制作工艺上，该设计依旧采用了传统槽线所采用的双面印刷电路板工艺，并可以采用普通的FR-4介质，以降低制造成本。由于槽所占的面积较小，可以很好的与原有的芯片及电路进行集成，可以进一步降低整体成本。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于印刷电路板的垂直极化、差分馈电的槽天线，包括：

基板1；

位于基板1的反面12上的印刷槽2，印刷槽2由上槽21和下槽22垂直相接构成；

以及，

位于基板1的正面11上的差分馈电环3，差分馈电环3的两端与差分馈电芯片31的两个差分馈电端口直接相连，差分馈电环3位于所述下槽22的正上方。

所述基板1的材料可以为FR-4或其他介质，其介电常数将决定印刷槽2所需的开槽长度和谐振频率。

所述基板1的形状可依据具体应用及外壳设计，可为成长方型、正方型或是其他任意形状。

所述基板1的反面12为一块完整的金属板。

所述上槽21为主辐射单元，下槽22的一端垂直连接在上槽21的侧向某一位置，形成类“T”形结构。当下槽22的一端垂直连接在上槽21的侧向中点位置时，形成标准的“T”形结构。

所述差分馈电环3与印刷槽2构成的天线的整体阻抗与差分馈电芯片31的端口阻抗相匹配。

通过调整所述基板1的电介质常数和上槽21的尺寸，实现对天线谐振频率的调整，从而应用于不同的频段。

通过调节差分馈电环3的线宽和线长、下槽22的长度和馈电位置以及基板1的厚度，实现不同端口阻抗的匹配，从而适应于不同的差分输出芯片。

所述差分馈电芯片31通过差分馈电环3对下槽22进行馈电，下槽22接收的能量通过上槽21辐射出去。

本发明结合印刷电路板的差分馈电的槽天线可以根据需求，适当调整天线结构，对不同的差分阻抗特性进行匹配，从而适用于不同的差分输出芯片。由于去除了差分到单端的馈电电路和匹配电路，该天线便于批量生产，具有成本低廉、性能稳定的优点。

附图说明

图1为本发明的三维结构示意图，(a)为正面视角，(b)为反面视角。

图2为本发明的二维结构示意图，其中包括(a)为正面,(b)为侧面，(c)为反面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

参阅图1，图2，本天线包括一块基于印刷电路板工艺的基板1，其有一个正面11及与之相对的反面12，基板1的两面形状可依据具体应用及外壳设计，可为成长方型、正方型或是其他任意形状。正面11上印刷有差分馈电环3，并焊接了差分馈电芯片31，由于馈电环的面积较小，在基板的正面11的外围区域32还可以安置一些额外的外围电路以实现相应的功能。反面12为一块完整的金属，上面开有印刷槽2。基板1的材料可以为FR-4或其他介质，其介电常数将决定印刷槽2所需的开槽长度和谐振频率；基板1的厚度将决定差分馈电环3与印刷槽2间的耦合，可利用于阻抗的匹配。

印刷槽2为天线的辐射器，为一个由上槽21和下槽22组成的类“T”型结构。上槽21为天线的主辐射单元，其槽长度与介质板的介电常数共同决定了天线的谐振频率。下槽22接收来自于差分馈电环3的耦合馈电，并进一步对上槽21进行馈电。下槽22的长度和相对于上槽21的位置，可以进行调节，以对天线的阻抗的匹配。

差分馈电环3为天线的馈电结构，位于下槽22的正上方。差分馈电环3的两端与差分馈电芯片31的两个差分馈电端口直接相连，它的线宽和线长及其形状、面积可进行调节，这些参数将用于阻抗的匹配。在进行优化设计后，差分馈电环3与印刷槽2构成的天线的整体阻抗将与射频芯片31的端口阻抗相匹配。

差分馈电芯片31通过差分馈电环3对处于反面12上的下槽22进行馈电，由下槽22接收的能量，将进一步通过上槽21辐射出去。由于槽结构的辐射是磁流辐射，辐射场的电场分量垂直于槽结构，是垂直极化形式。在贴地情形下，衰减相对于水平极化大幅减少。

通过调节差分馈电环3的线宽和线长，基板1的厚度，以及下槽22的长度和馈电位置，可以实现不同端口阻抗的匹配，从而适应于多种不同的差分输出芯片。而通过调整基板的电介质常数和上槽21的大小，可以调整天线的谐振频率，从而使该设计可以应用于不同的频段。采用下槽22和上槽21的分立式设计，其优点在于下槽22和差分馈电环3是一个平衡的馈电结构，其共模抑制较差分馈电环3直接馈槽更高，模式更为纯净。同时，通过引入差分馈电环3-下槽22-上槽21这一馈电形式，增加了结构的分布式参数，在阻抗图上可以观察到双谐振现象的出现。相对于直接馈电的情绪，这一馈电方式可以有效的拓展带宽。

综上所述，通过采用差分环结构和上下分立设计的槽结构，本发明设计了一种基于差分馈电的槽天线。该天线在远场具有垂直极化特性。通过调整设计参数，该天线的阻抗可以进行调整，并应用于各种差分输出的无线射频芯片。通过采用差分馈电环3-下槽22-上槽21这一馈电路径，该设计在共模特性，阻抗特性上相对于传统的设计有很大的提高。与此同时，基板1采用的是成熟的印制电路板工艺，并通过差分馈电去除了原有的变换电路和阻抗转换电路，有效的降低了天线的制造成本和生产中的不确定性，有利于大批量生产。

Claims (9)

1.一种基于印刷电路板的垂直极化、差分馈电的槽天线，其特征在于，包括：

基板(1)；

位于基板(1)的反面(12)上的印刷槽(2)，印刷槽(2)由上槽(21)和下槽(22)垂直相接构成，所述上槽(21)为主辐射单元，下槽(22)的一端垂直连接在上槽(21)的侧向，形成类“T”形结构；

以及，

位于基板(1)的正面(11)上的差分馈电环(3)，差分馈电环(3)的两端与差分馈电芯片(31)的两个差分馈电端口直接相连，差分馈电环(3)位于所述下槽(22)的正上方。

2.根据权利要求1所述槽天线，其特征在于，所述基板(1)材质为FR-4。

3.根据权利要求1或2所述槽天线，其特征在于，所述基板(1)为长方形或正方形。

4.根据权利要求1所述槽天线，其特征在于，所述基板(1)的反面(12)为一块完整的金属板。

5.根据权利要求1所述槽天线，其特征在于，所述下槽(22)的一端垂直连接在上槽(21)的侧向中点位置，形成“T”形结构。

6.根据权利要求1所述槽天线，其特征在于，所述差分馈电环(3)与印刷槽(2)构成的天线的整体阻抗与差分馈电芯片(31)的端口阻抗相匹配。

7.根据权利要求1所述槽天线，其特征在于，通过调整所述基板(1)的电介质常数和上槽(21)的尺寸，实现对天线谐振频率的调整，从而应用于不同的频段。

8.根据权利要求1所述槽天线，其特征在于，通过调节差分馈电环(3)的线宽和线长、下槽(22)的长度和馈电位置以及基板(1)的厚度，实现不同端口阻抗的匹配，从而适应于不同的差分输出芯片。

9.根据权利要求1所述槽天线，其特征在于，所述差分馈电芯片(31)通过差分馈电环(3)对下槽(22)进行馈电，下槽(22)接收的能量通过上槽(21)辐射出去。