CN103633443A - 多频段小型化平面单极子天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多频段小型化平面单极子天线，包括介质基板、第一天线辐射单元、第二天线辐射单元、微带馈电线和接地板；第一天线辐射单元、第二天线辐射单元、微带馈电线、接地板均采用铜材料，通过激光技术或者腐蚀技术将铜敷着在介质基板的表面；本发明天线只运用两个辐射单元，实现了三个频带，天线结构简单，且无过孔，加工成型容易，成本低。本发明天线运用曲折辐射单元的曲流法，实现了天线的小型化。本发明天线馈电方式采用直接馈电和耦合馈电相结合的馈电方式，有效的提高了天线的阻抗匹配。本发明天线适用多个无线通信的频段。

Description

多频段小型化平面单极子天线

技术领域

本发明涉及一种适用于无线通信系统移动终端的天线，具体涉及一种多频段小型化平面单极子天线，属于单极子天线技术领域。 

背景技术

随着通信技术的不断发展，移动终端向着多功能、小型化的方向发展。移动终端除了实现基本的通信功能外，还要求具有Wi-Fi无线互联，Bluetooth无线数据传输，RFID射频识别，以及4G高质量视频图像传输等功能。实现这些功能所使用的无线电磁波频段不尽相同，移动终端需要在相应无线电磁波频段工作才能实现相应功能。因此，作为移动终端电磁窗口的天线需要能够在多个频段收发无线电磁波，才能支持无线终端的多种功能。轻薄型移动终端已经成为市场流行趋势，而轻薄型的移动终端留给天线的空间有限，所以地剖面、小型化是移动终端的天线的另一个要求。因此，移动终端天线多频段工作、地剖面、小型化是移动终端的多功能、小型化发展方向的必然要求。 

经对现有文献检索发现，多频段和小型化是现代移动终端天线的研究热点。周彬，逯贵祯，杨旗发表在2010年8月的微波学报的文章：平面三频单极子手机天线设计（Triple-band Planar Monopole Antenna Design），提出了一种具有两个辐射单元的平面单极子天线，但是天线是立体结构，较难适用于轻薄型移动终端，且结构复杂，增加加工制造的难度。刘汉江，郑亮，李融林发表在2012年第18期的移动通信的文章：一种多频宽带覆盖的小型手机天线，提出了一种双面结构的平面单极子天线，天线是平面结构，但是尺寸较大，且结构更加复杂。 

发明内容

本发明的目的是为了解决现有移动终端天线存在的不足和缺陷，提出一种多频段小型化平面单极子天线，更特别地说，是一种能够工作在多个频段，小型化的平面单极子天线。 

本发明只采用两个辐射单元，实现了三个频带，覆盖多个无线通信频段，结构简单；采用曲折辐射单元的曲流法，有效地缩小天线的尺寸；采用直接馈电和耦合馈电相结合的馈电 方式，提高了天线的阻抗匹配。本发明天线尺寸小，结构简单，制作成本低，且具有有优良的辐射特性。 

一种多频段小型化平面单极子天线，包括介质基板、第一天线辐射单元、第二天线辐射单元、微带馈电线和接地板； 

第一天线辐射单元、第二天线辐射单元、微带馈电线、接地板均采用铜材料。通过激光技术或者腐蚀技术将铜敷着在介质基板的表面，分别形成第一天线辐射单元、第二天线辐射单元、微带馈电线、接地板； 

第一天线辐射单元和微带馈电线覆在介质基板的上表面，第一天线辐射单元和微带馈电线连接；第一天线辐射单元为曲折结构，包括C枝节、D枝节、E枝节和F枝节；C枝节与D枝节之间的夹角为90度，D枝节与E枝节之间的夹角为90度，E枝节与F枝节之间的夹角为90度； 

第二辐射单元和接地板覆在介质基板的下表面，第二辐射单元和接地板连接；第二天线辐射单元也为曲折结构，包括G枝节和H枝节；G枝节与H枝节之间的夹角为90度； 

本发明的优点在于： 

（1）本发明天线只运用两个辐射单元，实现了三个频带，天线结构简单，且无过孔，加工成型容易，成本低； 

（2）本发明天线适用多个无线通信的频段。在实例中，天线能够有效的覆盖GSM900/PCS/Wi-Fi2400/RFID2450/LTE2300/2500六个无线通信频段，在多功能终端中有广泛的应用前景； 

（3）本发明天线运用曲折辐射单元的曲流法，实现了天线的小型化。在实例中，天线的尺寸只有17mm×39mm，尺寸小，在轻薄型终端中有广泛的应用前景； 

（4）本发明天线馈电方式采用直接馈电和耦合馈电相结合的馈电方式，有效的提高了天线的阻抗匹配。在实例中，天线的三个频带内有良好阻抗匹配； 

（5）本发明天线有良好辐射特性。在实例中，天线辐射方向图有良好的全向性，天线增益稳定，变化幅度小于1dB,天线的辐射效率大于65%。 

附图说明

图1是本发明多频段小型化平面单机天线的结构示意图； 

图1(a)为本发明天线的前视结构示意图； 

图1(b)为本发明天线的侧视结构示意图。 

图1(c)为本发明天线的后视结构示意图； 

图2是本发明多频段小型化平面单极子天线的结构尺寸示意图； 

图2(a)为本发明天线的前视结构尺寸示意图； 

图2(b)为本发明天线的后视结构尺寸示意图； 

图3是本发明多频段小型化平面单极子天线的实例的回波损耗曲线； 

图4是本发明多频段小型化平面单极子天线的实例在相关频率上的辐射模式图； 

图4(a)为本发明天线在960MHz频率上的辐射模式图； 

图4(b)为本发明天线在1860MHz频率上的辐射模式图； 

图4(c)为本发明天线在2590MHz频率上的辐射模式图； 

图5(a)为本发明天线在GSM900频段内的天线增益和辐射效率； 

图5(b)为本发明天线在PCS频段内的天线增益和辐射效率； 

图5(c)为本发明天线在Wi-Fi2400/RFID2450/LTE2300/2500频段内的天线增益和辐射效率。 

图中： 

0-介质基板                 1-第一天线辐射单元         2-第二天线辐射单元 

3-微带馈电线               4-接地板 

11-C枝节                   12-D枝节                   13-E枝节 

14-F枝节                   21-G枝节                   22-H枝节 

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。 

本发明是一种多频段小型化平面单极子天线，如图1所示，包括介质基板0、第一天线辐射单元1、第二天线辐射单元2、微带馈电线3和接地板4。 

第一天线辐射单元1、第二天线辐射单元2、微带馈电线3、接地板4均采用铜材料。通过激光技术或者腐蚀技术将铜敷着在介质基板0的表面，分别形成第一天线辐射单元1、 第二天线辐射单元2、微带馈电线3、接地板4，覆铜厚度范围为0.018mm～0.036mm。 

如图1a本发明天线的前视结构示意图所示，第一天线辐射单元1和微带馈电线3覆在介质基板0的上表面，第一天线辐射单元1和微带馈电线3的连接面为A。第一天线辐射单元1为曲折结构，包括C枝节11、D枝节12、E枝节13和F枝节14。C枝节11与D枝节12之间的夹角为90度，D枝节12与E枝节13之间的夹角为90度，E枝节13与F枝节14之间的夹角为90度。 

所述第一辐射单元1的馈电方式为直接馈电。 

图1b为本发明天线的侧视结构示意图。 

如图1c本发明天线的后视结构示意图所示，第二辐射单元2和接地板4覆在介质基板0的下表面，第二辐射单元2和接地板4的连接面为B。第二天线辐射单元2也为曲折结构，包括G枝节21和H枝节22。G枝节21与H枝节22之间的夹角为90度。 

所述第二辐射单元2的馈电方式耦合馈电。 

A点和B点分别位于介质基板的上表面和下表面，其位置为相对介质基板上下对称（空间重叠的）。 

如图2所示，介质基板0为长方形，长为l₀，宽为w₀，用于支撑天线。 

如图2a所示，第一天线辐射单元1距离介质基板0左边界为w₀₁，为本发明天线的第一辐射部分。第一天线辐射单元1的C枝节11的长为l₁₁，宽为w₁₁；D枝节12的长为l₁₂，宽为w₁₂；E枝节13的长为l₁₃，宽为w₁₃；F枝节14的长为l₁₄，宽为w₁₄。第一天线辐射单元1的总长度为l₁＝l₁₁+l₁₂+l₁₃+l₁₄。第一天线辐射单元1存在两个谐振模式，分别是四分之一波长谐振模式和四分之三谐振模式，分别对应谐振频率f₁₁和f₁₂，其谐振波长分别为λ₁₁和λ₁₂。谐振频率f与谐振波长λ的关系是：

其中c为自由空中光速。第一天线辐射单元1的总长度为l₁要同时满足：

和

通过调节第一天线辐射单元1的总长度为l₁，改变其谐振波长λ₁₁和λ₁₂，进而改变其谐振频率f₁₁和f₁₂。第一天线辐射单元1的C枝节11的宽度w₁₁、D枝节12的宽度w₁₂、E枝节13的宽度w₁₃和F枝节14的宽度w₁₄是不同的，改变他们的宽度可以进行本辐射单元的阻抗匹配。 

微带馈电线3的长为l₃，宽为w₃，为50Ω微带馈电线。微带馈电线3与第一天线辐射单元1相连，连接面为A。微带馈电线3为第一天线辐射单元1馈电，馈电方式为直接馈电，A为馈电点。 

如图2b所示，第二天线辐射单元2距离介质基板0左边界为w₀₂，为本发明天线第二辐射部分。第二天线辐射单元2的G枝节21的长为l₂₁，宽为w₂₁；H枝节22的长为l₂₂，宽为w₂₂。第二天线辐射单元2的总长度为l₂＝l₂₁+l₂₂。第二天线辐射单元2存在一个谐振模式，为四分之一波长谐振模式，其谐振频率为f₂，其谐振波长为λ₂。第二天线辐射单元2的总长度为l₂要满足：

通过调节第二天线辐射单元2的总长度为l₂，改变其谐振波长λ₂，进而改变其谐振频率f₂。第二天线辐射单元2的G枝节21的宽度w₂₁和H枝节22的宽度w₂₂是不同的，改变他们的宽度可以进行本辐射单元的阻抗匹配。 

接地板4的长为l₄，宽为w₄，为本发明天线的接地板。接地板4与第二天线辐射单元2相连，连接面为B，B为短接点。第二天线辐射单元2通过位于介质基板0上表面的第一天线辐射单元1的电磁耦合进行馈电，馈电方式为耦合馈电。 

本发明天线由外部的50ΩSMA接头为天线输入电磁波信号。50ΩSMA接头的中芯与微带馈电线3相连，50ΩSMA接头的接地引脚与接地板4相连。电磁波信号由外部50ΩSMA接头通过微带馈电线3传输给第一天线辐射单元1，第一天线辐射单元1辐射电磁波；同时第二天线辐射单元2通过与第一天线辐射单元1间的耦合，得到电磁波能量，第二天线辐射单元2也辐射电磁波。 

实施例

根据图1的天线结构图，加工实例进行验证。本实施例中尺寸具体为： 

介质基板0采用FR-4(环氧玻璃布层压板),厚度为1.0mm，长l₀=118mm，宽w₀=42mm；第一天线辐射单元1距离介质基板0左边界为w₀₁=2.1mm，C枝节11的长为l₁₁=17mm，D枝节12的长为l₁₂=39mm，E枝节13的长为l₁₃=10mm，F枝节14的长为l₁₄=18mm。第一天线辐射单元1的总长度为l₁＝l₁₁+l₁₂+l₁₃+l₁₄=84mm，存在四分之一波长谐振模式和四分之三两个谐振模式，分别对应谐振频率f₁₁=960MHz和f₁₂=2590MHz，其谐振波长分别为 λ₁₁=312.5mm和λ₁₂=115.8mm。第一天线辐射单元1的总长度为l₁同时满足：

和 

第一天线辐射单元1的C枝节11的宽度w₁₁和D枝节12的宽度w₁₂相同，w₁₁=w₁₂=1.8mm，E枝节13的宽度w₁₃和F枝节14的宽度w₁₄相同，w₁₃=w₁₄=0.5mm；微带馈电线3的长为l₃=100mm，宽为w₃=w₁₁=w₁₂=1.8mm，与50ΩSMA接头的中芯相连，为第一天线辐射单元1馈电；第二天线辐射单元2距离介质基板0左边界为w₀₂=w₀₁=2.1mm。第二天线辐射单元2的G枝节21与第一天线辐射单元1的C枝节11的一部分存在空间重叠。第二天线辐射单元2的G枝节21的长为l₂₁=11mm，H枝节22的长为l₂₂=25.5mm。第二天线辐射单元2的总长度为l₂＝l₂₁+l₂₂=36.5mm。第二天线辐射单元2存在一个四分之一波长谐振模式，其谐振频率为f₂=1860MHz，其谐振波长为λ₂=161.3mm。第二天线辐射单元2的总长度为l₂要满足：

第二天线辐射单元2的G枝节21的宽度w₂₁=w₃=w₁₁=w₁₂=1.8mm，H枝节22的宽度w₂₂=0.7mm；接地板4的长为l₄=l₃=100mm，宽为w₄=w₀=42mm；接地板4与50ΩSMA接头的接地引脚相连。第二天线辐射单元2通过与第一天线辐射单元1的空间重叠的部分进行耦合馈电。 

图3为本发明天线的实例的回波损耗曲线。回波损耗数据由安捷伦公司的E5071C ENA系列网络分析仪测试所得，根据工程上6dB回波损耗或3:1VSWR（电压驻波比）的规定，本发明天线实例有三个匹配良好的频带，能够覆盖 

GSM900/PCS/Wi-Fi2400/RFID2450/LTE2300/2500六个通信频段。 

图4本发明天线的实例在相关频率上的辐射模式图。根据图1的坐标方向放置，本发明天线在微波暗室进行辐射模式测试。测试结果包括X-Y、Y-Z和X-Z三个面上，主极化E_θ和交叉极化E_φ的方向图。图4(a)为960MHz频率上的辐射模式图，主极化E_θ在X-Y面上全向性较好，在Y-Z和X-Z三个面上，接近θ=0°和θ=180°两个方向上存在零点，符合单极子天线的“8”字形辐射模式图，证明本发明的原理正确性。图4(b)为1860MHz频率上的辐射模式图，主极化E_θ在X-Y面上全向性较好，在Y-Z面上-Y方向的辐射要大于+Y方向，这是由于本发明天线结构非关于Y坐标对称，X-Z面上方向图出现了一些小裂瓣，但无明显畸变。图4(c)为2590MHz频率上的辐射模式图，主极化E_θ在X-Y面上仍具有非常好的全向性， Y-Z面和X-Z面上方向图都只有一个零点。在上述三个频率上，本发明天线的主极化始终为E_θ，主极化辐射模式图都比较稳定，无明显畸变，且零点较少，在X-Y面上有较好的全向性。 

图5(a)为GSM900频段内的天线增益和辐射效率，天线增益为1.9-2.6dB，辐射效率为92-94%。图5(b)为PCS频段内的天线增益和辐射效率，天线增益为2.0-3.0dB，辐射效率为65-73%。图5(c)为Wi-Fi2400/RFID2450/LTE2300/2500频段内的天线增益和辐射效率，天线增益为3.4-4.3dB，辐射效率为68-79%。在上述六个通信频段内，本发明天线增益都比较稳定，在各频段内天线增益变化幅度都小于1dB，辐射效率在所有的频段内都大于65%。 

本发明天线，尺寸小，能够覆盖多个无线通信频段，辐射特性良好，且具有结构简单，加工容易，成本低等优点，在移动终端中有广泛的应用前景。 

Claims (5)

1.一种多频段小型化平面单极子天线，包括介质基板、第一天线辐射单元、第二天线辐射单元、微带馈电线和接地板；

第一天线辐射单元、第二天线辐射单元、微带馈电线、接地板均采用铜材料，通过激光技术或者腐蚀技术将铜敷着在介质基板的表面，分别形成第一天线辐射单元、第二天线辐射单元、微带馈电线、接地板；

第一天线辐射单元和微带馈电线覆在介质基板的上表面，第一天线辐射单元和微带馈电线连接；第一天线辐射单元为曲折结构，包括C枝节、D枝节、E枝节和F枝节；C枝节与D枝节之间的夹角为90度，D枝节与E枝节之间的夹角为90度，E枝节与F枝节之间的夹角为90度；

第二辐射单元和接地板覆在介质基板的下表面，第二辐射单元和接地板连接；第二天线辐射单元也为曲折结构，包括G枝节和H枝节；G枝节与H枝节之间的夹角为90度；

介质基板为长方形，长为l₀，宽为w₀；第一天线辐射单元距离介质基板左边界为w₀₁；第一天线辐射单元的C枝节的长为l₁₁，宽为w₁₁；D枝节的长为l₁₂，宽为w₁₂；E枝节的长为l₁₃，宽为w₁₃；F枝节的长为l₁₄，宽为w₁₄；第一天线辐射单元的总长度为l₁＝l₁₁+l₁₂+l₁₃+l₁₄；微带馈电线的长为l₃，宽为w₃，为50Ω微带馈电线；

第二天线辐射单元距离介质基板左边界为w₀₂；第二天线辐射单元的G枝节的长为l₂₁，宽为w₂₁；H枝节的长为l₂₂，宽为w₂₂；第二天线辐射单元的总长度为l₂＝l₂₁+l₂₂；接地板的长为l₄，宽为w₄。

2.根据权利要求1所述的一种多频段小型化平面单极子天线，所述的第一天线辐射单元、第二天线辐射单元、微带馈电线、接地板的覆铜厚度范围为0.018mm～0.036mm。

3.根据权利要求1所述的一种多频段小型化平面单极子天线，所述的第一天线辐射单元存在两个谐振模式，分别是四分之一波长谐振模式和四分之三谐振模式，分别对应谐振频率f₁₁和f₁₂，其谐振波长分别为λ₁₁和λ₁₂；谐振频率f与谐振波长λ的关系是：

其中c为自由空中光速；第一天线辐射单元1的总长度为l₁要同时满足：

和

通过调节第一天线辐射单元1的总长度为l₁，改变其谐振波长λ₁₁和λ₁₂，进而改变其谐振频率f₁₁和f₁₂；第一天线辐射单元的C枝节的宽度w₁₁、D枝节的宽度w₁₂、E枝节的宽度w₁₃和F枝节的宽度w₁₄是不同的，改变他们的宽度进行本辐射单元的阻抗匹配。

4.根据权利要求1所述的一种多频段小型化平面单极子天线，所述的第二天线辐射单元存在一个谐振模式，为四分之一波长谐振模式，其谐振频率为f₂，其谐振波长为λ₂；第二天线辐射单元的总长度为l₂要满足：

通过调节第二天线辐射单元的总长度为l₂，改变其谐振波长λ₂，进而改变其谐振频率f₂；第二天线辐射单元的G枝节的宽度w₂₁和H枝节的宽度w₂₂是不同的，改变他们的宽度进行本辐射单元的阻抗匹配。

5.根据权利要求1所述的一种多频段小型化平面单极子天线，所述介质基板采用环氧玻璃布层压板。

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