CN103490155B - 一种应用于无线通信的四频段印刷天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于无线通信的四频段印刷天线，其特征是：包括地板单元、馈线单元、第一天线单元、第二天线单元、第三天线单元以及介质板单元；所述的馈线单元、第一天线单元、第二天线单元、第三天线单元分别位于介质板单元的同一面，地板单元位于介质板单元的另一面上；第一天线单元、第二天线单元、第三天线单元与馈线单元导体相连接，馈线单元与应用设备导体相连接；天线工作时，第一天线单元激发出第一谐振模态和第三谐振模态，第二天线单元和第三天线单元分别激发第二谐振模态和第四谐振模态。该天线是多频天线，具有易于实现，成本低，系统集成度高等特点。

Description

一种应用于无线通信的四频段印刷天线

技术领域

本发明属于无线通信天线领域，涉及一种应用于无线通信的四频段印刷天线，以便在无线通信系统中实现使用单个天线进行多频段覆盖。

背景技术

作为现代科技发展的重要成果，通信技术如今已是我们日常生活不可或缺的重要单元。天线则是通信系统的重要部件之一，其发展历史则最早可以追溯到1887年，德国物理学家赫兹制作了人类历史上第一个天线，并从实验上验证了电磁波的存在。意大利发明家古列尔莫·马可尼则于1901年进行了世界上最早的越洋电报收发实验，其基本原理就是利用电键的闭合、断开产生的电磁脉冲而实现。从而开启了人类对通信技术的探寻之路。随着二次世界大战的结束与近代微波理论的成熟，通信技术从二战时的军用领域进入民用领域，获得了极大的发展。近年来，随着移动通信、卫星通信等室内外短距／长距无线接入技术的不断发展，无线局域网络WLAN、全球卫星定位系统GPS、全球移动通信系统GSM、超宽带通信系统UWB，CDMA乃新近发展的第三代移动通信系统IMT-3G系统等各种通信标准不断涌现，然而，各个通信标准间基于中心载波为技术基础带来的频率干扰与兼容问题日益突出，已经无法满足日益增长的高速接入的要求；另一方面，未来的无线网络不仅包括人与人的通信，而且包括人与终端及终端之间通信的网络，这实际上就是无所不在的无线通信(PWC)所包含的内容，即任何时间任何地点与其他无线终端交互作用的能力。对于这些即将到来的、无所不在的无线通信技术，迫切需要一种低成本、低功耗、多功能的解决方案。多频段天线技术作为这一问题的解决方案之一被提出并倍受关注，凭借其对多个通信标准良好的兼容性和多功能的优势迅速成为业界研究的新焦点：合成孔径雷达、移动通信和全球定位系统中通常需要双频段或多频段工作。无线通信领域中手机终端和WALN通信系统则都需要双频甚至三频工作的天线。尤其是无线通信领域中WLAN系统，各个国家的频谱定义范围并不统一。

因此，一个简单的小型无线通信设备通常需要工作于多个频段，以简化收发终端通信系统的设计并且降低其成本。此时一个能同时工作于多个频段的多频天线就成为首选，多频天线最大的优点就在于一个天线可同时实现多个天线的工作性能。在这样的技术背景之下，多频段天线的设计成为非常热门而重要的课题。国内外的重要刊物上已出现大量的多频段、宽频带、双极化、圆极化等多功能天线。学者们纷纷提出多频段和小型化的新技术。其中多频段天线包括缝隙加载技术和PIFA技术等等，天线小型化技术包括曲流技术、加载技术等。

目前，Intel、安德鲁等知名IT企业都有该方面技术的研究和开发。实现多频段天线的天线形式多种多样，如常见的微带贴片天线、缝隙天线、印刷天线等。微带天线作为定向辐射的天线形式之一，由于其低剖面、易于加工、价格低廉等优势成为人们的研究重点，但是由于微带天线的自身特性导致这种天线是一种窄带天线，同时，对于多频工作的需求，通过开缝等形式实现的多频微带天线的方向图也会比价差。而印刷天线作为一种无线通信中常见的天线形式之一，近几年来在多频天线系统中得到了非常广泛的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种易于实现，成本低，系统集成度高的应用于无线通信的四频段印刷天线。

本发明的目的是这样实现的，一种应用于无线通信的四频段印刷天线，其特征是：包括地板单元、馈线单元、第一天线单元、第二天线单元、第三天线单元以及介质板单元；所述的馈线单元、第一天线单元、第二天线单元、第三天线单元分别位于介质板单元的同一面，地板单元位于介质板单元的另一面上；第一天线单元、第二天线单元、第三天线单元与馈线单元导体相连接，馈线单元与应用设备导体相连接；天线工作时，第一天线单元激发出第一谐振模态和第三谐振模态，第二天线单元和第三天线单元分别激发第二谐振模态和第四谐振模态。

所述的地板单元为一整块矩形金属板，宽度和介质板宽度一致。

所述的馈线单元为一条状金属线，垂直分割介质板单元的一个面。

所述的第一天线单元由天线第一枝节、天线第二枝节、天线第三枝节、天线第四枝节、天线第五枝节、天线第六枝节构成，其中第一枝节、天线第三枝节、天线第五枝节与馈线单元垂直，天线第二枝节、天线第四枝节、天线第六枝节与馈线单元平行，且天线第一枝节、天线第二枝节、天线第三枝节、天线第四枝节、天线第五枝节、天线第六枝节依次相连，整体为一个蜿蜒形的条状金属线。

所述的第二天线单元是馈线单元延伸的条状金属线，条状金属线与馈线单元在一条直线上。

所述的第三天线单元是馈线单元垂直连接的短金属线，与天线第一枝节在一条直线上，分布在馈线单元的左侧和右侧。

所述的第一天线单元产生第一频段谐振模态和第三频段谐振模态，第一频段和第三频段通过第一天线单元中条状金属线的长度调节。

所述的第二天线单元激发出第二个工作频段，通过调节第二天线单元条状金属线的长度来对第二频段的工作频段进行调节。

所述的第三天线单元激发第三个工作频段谐振模态，通过对短金属线配合第二天线单元金属线的调节来对第三个工作频段进行调整。

本发明的工作原理是：根据单极子天线的工作原理，当天线的枝节长度约为工作波长的四分之一时，天线产生谐振点，在该谐振点上天线的阻抗虚部为0，因此，通过调整单极子天线的枝节的长度的大小可以对单极子天线的工作频点进行调节，以使天线得到需要的工作频段。

而为了得到多频段的高性能天线，一种解决方案是对单极子天线进行适当的叠加，在每个单元对其他单元影响可以接受的情况下，使得一副天线的各个单元独立的实现不同的频段需求，达到多频段工作的目的。

印刷天线是将金属导体通过特殊工艺印制在介质板表面的一种天线形式，其一般采用单极子或者其变形的天线形式。辐射方向图与单极子类似。采用印刷天线进行设计具有很多优势，如多频天线更易于实现，成本更低，与系统集成度更高等。

下面结合实施例附图对本发明作进一步说明：

附图说明

图1是本发明提出的天线的结构图；

图2是采用仿真软件对天线进行仿真得到的回波损耗图

图3是采用仿真软件对天线进行仿真得到的1.575GHz的方向图；

图4是采用仿真软件对天线进行仿真得到的2.4GHz的方向图；

图5是采用仿真软件对天线进行仿真得到的3.5GHz的方向图；

图6是采用仿真软件对天线进行仿真得到的5.8GHz的方向图。

图中，1、地板单元，2、馈线单元，3、介质板单元，4、第一天线单元，401、天线第一枝节，402、天线第二枝节，403、天线第三枝节，404、天线第四枝节，405、天线第五枝节，406、天线第六枝节，5、第二天线单元，6、第三天线单元。

具体实施方式

如图1所示，一种应用于无线通信的四频段印刷天线，包括地板单元1、馈线单元2、第一天线单元4、第二天线单元5、第三天线单元6以及介质板单元3；所述的馈线单元2、第一天线单元4、第二天线单元5、第三天线单元6分别位于介质板单元3的同一面，地板单元1位于介质板单元3的另一面上；第一天线单元4、第二天线单元5、第三天线单元6与馈线单元2导体相连接，馈线单元2与应用设备导体相连接；天线工作时，第一天线单元4激发出第一谐振模态和第三谐振模态，第二天线单元5和第三天线单元6分别激发第二谐振模态和第四谐振模态。

地板单元1为一整块矩形金属板，宽度和介质板宽度一致。

馈线单元为一条状金属线，垂直分割介质板单元3的一个面。

第一天线单元4由天线第一枝节401、天线第二枝节402、天线第三枝节403、天线第四枝节404、天线第五枝节405、天线第六枝节406构成，其中第一枝节401、天线第三枝节403、天线第五枝节405与馈线单元2垂直，天线第二枝节402、天线第四枝节404、天线第六枝节406与馈线单元2平行，且天线第一枝节401、天线第二枝节402、天线第三枝节403、天线第四枝节404、天线第五枝节405、天线第六枝节406依次相连，整体为一个蜿蜒形的条状金属线。

第二天线单元5是馈线单元2延伸的条状金属线，条状金属线与馈线单元2在一条直线上。

第三天线单元6是馈线单元2垂直连接的的短金属线，与天线第一枝节401在一条直线上，分布在馈线单元2的左侧和右侧。

第一天线单元4激发出第一谐振模态和第三谐振模态，第一频段和第三频段通过第一天线单元中条状金属线的长度调节。

第二天线单元5激发出第二个工作频段微波，通过调节第二天线单元条状金属线的长度来对第二频段的工作频段进行调节。

第三天线单元6激发第三个工作频段微波，通过对短金属线配合第二天线单元5金属线的调节来对第三个工作频段进行调整。

整个天线的具体结构如附图2所示，天线的主体辐射单元是天线的主体，其中第一天线单元由六个金属线枝节首尾相连组成，分别为401、402、403、404、405、406。其中401与天线的馈线单元直接相连，为一个与馈线方向相互垂直的金属带状线。402与401相连，方向与天线的馈线方向平行，向与地板相反的方向延伸。403与403相连，与馈线方向垂直，向馈线方向延伸，404为一个与403相连与馈线方向相同的金属带状线，其向地板反方向延伸。405和406为另外两个金属带状线，其首尾相连，构成一个L型枝节。对于第一天线单元而言，该单元能够实现双拼谐振，在低频处，401-406的枝节总长度约为低频谐振点频率对应波长的四分之一，而由于401、403以及405之间存在着耦合，导致该枝节在二次频附近也会产生一个谐振点。适当的调节该枝节的总长度以及金属带状线之间的距离，能够控制该天线的两个谐振点覆盖GPS频段和3.5G的WiMAX频段。

而天线的第二天线单元和普通的单极子天线结构类似，其是一个与馈线直接相连方向沿馈线方向延伸的一个金属带状线，其长度同样对应谐振频点的四分之一波长。通过调整该枝节的长度，天线能够谐振在2.4G的WLAN频段。

天线的第三天线单元是一个与天线的馈线方向垂直长度约为第四工作频段对应的波长的低分之一长度的金属带线。

通过根据上面的方案对天线的枝节长度进行调整，天线可以产生4个谐振频段，分别覆盖GPS1.575GHz频段，WLAN2.4GHz频段，WiMAX3.5GHz频段以及WLAN5.8GHz频段。

仿真实验

为了验证之前的论述的方案的正确性以及该天线的可行性，我们使用电磁仿真软件对天线进行了仿真。仿真环境如下所示：

软件：AnsoftHFSS，版本：10.0，电脑环境：主频3.6，32G内存。

附图2给出了使用仿真软件得到的天线的阻抗匹配图，从图上面可以清楚的看到四个谐振频率，分别对应GPS1.575GHz频段，WLAN2.4GHz频段，WiMAX3.5GHz频段以及WLAN5.8GHz频段。验证了该方案的可行性。同时，对方向图进行了仿真分析，附图3-6分别给出了四个工作频段的方向图。

本实施例没有详细叙述的部分和英文缩写属本行业的公知常识，这里不一一叙述。

Claims (8)

1.一种应用于无线通信的四频段印刷天线，其特征是：包括地板单元、馈线单元、第一天线单元、第二天线单元、第三天线单元以及介质板单元；所述的馈线单元、第一天线单元、第二天线单元、第三天线单元分别位于介质板单元的同一面，地板单元位于介质板单元的另一面上；第一天线单元、第二天线单元、第三天线单元与馈线单元导体相连接，馈线单元与应用设备导体相连接；天线工作时，第一天线单元激发出第一谐振模态和第三谐振模态，第二天线单元和第三天线单元分别激发第二谐振模态和第四谐振模态；第一谐振模态、第二谐振模态、第三谐振模态、第四谐振模态，分别对应GPS1.575GHz频段，WLAN2.4GHz频段，WiMAX3.5GHz频段以及WLAN5.8GHz频段；所述的第一天线单元由天线第一枝节、天线第二枝节、天线第三枝节、天线第四枝节、天线第五枝节、天线第六枝节构成，其中第一枝节、天线第三枝节、天线第五枝节与馈线单元垂直，天线第二枝节、天线第四枝节、天线第六枝节与馈线单元平行，且天线第一枝节、天线第二枝节、天线第三枝节、天线第四枝节、天线第五枝节、天线第六枝节依次相连，整体为一个蜿蜒形的条状金属线；当天线的枝节长度约为工作波长的四分之一时，天线产生谐振点，在该谐振点上天线的阻抗虚部为0，通过调整单极子天线的枝节的长度的大小可以对单极子天线的工作频点进行调节，以使天线得到需要的工作频段。

2.根据权利要求1所述的一种应用于无线通信的四频段印刷天线，其特征是：所述的地板单元为一整块矩形金属板，宽度和介质板宽度一致。

3.根据权利要求1所述的一种应用于无线通信的四频段印刷天线，其特征是：所述的馈线单元为一条状金属线，垂直分割介质板单元的一个面。

4.根据权利要求1所述的一种应用于无线通信的四频段印刷天线，其特征是：所述的第二天线单元是馈线单元延伸的条状金属线，条状金属线与馈线单元在一条直线上。

5.根据权利要求1所述的一种应用于无线通信的四频段印刷天线，其特征是：所述的第三天线单元是馈线单元垂直连接的短金属线，与天线第一枝节在一条直线上，分布在馈线单元的左侧和右侧。

6.根据权利要求1所述的一种应用于无线通信的四频段印刷天线，其特征是：所述的第一天线单元产生第一频段谐振模态和第三频段谐振模态，第一频段和第三频段通过第一天线单元中条状金属线的长度调节。

7.根据权利要求1所述的一种应用于无线通信的四频段印刷天线，其特征是：所述的第二天线单元激发出第二个工作频段微波，通过调节第二天线单元条状金属线的长度来对第二频段的工作频段进行调节。

8.根据权利要求1所述的一种应用于无线通信的四频段印刷天线，其特征是：所述的第三天线单元激发第三个工作频段谐振模态，通过对短金属线配合第二天线单元金属线的调节来对第三个工作频段进行调整。