CN104347943A - 基于高次模谐振的q波段超高速无线局域网移动终端天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于高次模谐振的Q波段超高速无线局域网移动终端天线，包括介质基片、天线辐射单元、以及金属接地平面；天线辐射单元包括矩形主辐射单元、短路分支条带、馈电分支条带、直线开路分支条带、L形开路分支条带和q字形分支条带，辐射单元结构为具有高次模谐振特性的平面倒F型天线构成，通过添加多个谐振分支来实现宽带工作，并实现天线在磁场主切面内具有全向辐射特性。与现有技术相比，本发明针对毫米波频段（45GHz）的特点，利用印刷电路工艺，设计实现了结构简单、体积小巧的Q波段移动终端天线，该天线具有宽带、驻波小和全向辐射、易集成、精度较高，重复性好的特性，同时还具有成本低、便于批量生产等优点。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种Q波段超高速无线局域网移动终端天线。
背景技术
基于毫米波频段充足的频谱资源，开发和研制相关的新一代超高速无线局域网通信标准与系统正成为未来无线通信网发展的一个重要方向。根据我国工信部的频率规划，Q波段中的42.4-48.4GHz频谱资源已被划定为超高速无线局域网业务，并于2013年末公示。与该频谱相关的通信标准化工作正广泛开展，其中，2012年经国际电子电气工程师协会许可并被建立802.11aj（45GHz）标准工作组。这一标准致力于开发45GHz频段频谱资源，用于新一代超高速无线局域网通信，主要支撑室内各种无线终端与主干网的高速接入和互联。
根据45GHz超高速无线局域网的频谱划分和室内应用场景需求，对相关的移动终端天线提出了较高的要求。与传统射频微波频段无线通信系统中的终端天线相比，Q波段移动终端天线具有如下特点和设计难点：
1. 根据45GHz频谱标准，Q波段移动终端天线需要满足对宽工作频带的连续覆盖（相对带宽大于15%），远高于目前射频微波频段移动终端天线的覆盖要求。目前，在Q波段的移动终端天线设计及其鲜见，缺少参考。因此，相关天线的设计实现具有挑战性和原创性。
2. 在射频微波频段，通常移动终端天线的驻波控制在2.5或者3以内即可满足移动通信需求。但是，在毫米波频段，接入点或移动设备的发射功率水平远低于射频微波频段的相关发射功率水平，为了提高系统效率和功率利用率，就对天线的驻波提出了较高的要求（例如，驻波<2）,这也增加了Q波段移动终端天线的设计难度。
3. 为了满足终端移动性需求和适应终端工作姿态任意性的特点，移动终端天线需要具有全向辐射特征。为了满足全向性辐射需求，通常，移动终端天线的尺寸都小于一个工作波长。但是，Q波段对应的工作波长约为7mm，按照常规天线设计方法设计的天线通常在3-5mm范围。当这样微小尺寸的移动终端天线集成在终端设备内时，诸如手机、平板电脑等，终端设备内的金属部件或者大面积的印刷电路板将作为终端天线附近的散射体存在，从而破坏其辐射特性。终端天线尺寸越小，其辐射特性受到外围散射体影响越大。因此，在该频段终端天线设计中，如何保证期辐射特性稳定或受外界环境影响较小，是一个设计难点。
4. Q波段移动终端天线的特征尺寸远小于射频微波频段的终端天线，因此，对天线的加工过程中的误差具有较高的敏感性。因此，Q波段移动终端天线的容差设计也是设计的难点。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于针对Q波段新一代超高速无线局域网应用需求和相关产品空白，提供一种具有宽工作频带、低驻波、体积紧凑、具有全向辐射特性，加工简单、适宜批量生产的Q波段移动天线形式。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于高次模谐振的Q波段超高速无线局域网移动终端天线，包括介质基片、印刷在介质基片正面的天线辐射单元、以及印刷在介质基片背面的金属接地平面；所述天线辐射单元包括矩形主辐射单元以及与矩形主辐射单元相连的短路分支条带、馈电分支条带、直线开路分支条带、L形开路分支条带和q字形分支条带；所述短路分支条带上设有连接短路分支条带与金属接地平面的第一金属通孔，所述馈电分支条带上设有连接馈电分支条带与金属接地平面的第二金属通孔；所述金属接地平面的面积覆盖天线辐射单元中矩形主辐射单元的下半部分、短路分支条带和馈电分支条带的面积。
在一个具体的实施例中，所述短路分支条带和馈电分支条带分别与矩形主辐射单元的左下顶角和右下顶角相连接；所述直线开路分支条带与矩形主辐射单元的左上端相连接；所述L形开路分支条带与矩形主辐射单元的右上端相连接；所述q字形分支条带与矩形主辐射单元的上顶部相连接，共有两个连接点，围成一个口字形空缺。
在一个具体的实施例中，所述矩形主辐射单元的长度为0.8至1.0个工作波长，宽度为0.3至0.4个工作波长；所述短路分支条带的长度为0.2至0.3个工作波长，宽度为0.1至0.2个工作波长；所述馈电分支条带的长度为0.3至0.4个工作波长，宽度为0.2至0.3个工作波长。
在一个具体的实施例中，所述第一金属通孔设置在距离短路分支条带末端0.12至0.16个工作波长的位置处。
在一个具体的实施例中，所述直线开路分支条带的长度为0.1至0.2个工作波长，宽度为0.05至0.07个工作波长；所述L型开路分支条带的总长度为0.6至0.8个工作波长，宽度为0.05至0.07个工作波长；所述q字形分支条带的宽度为0.05至0.07个工作波长，具有口字形空缺部分的长度为0.2至0.3个工作波长，宽度为0.08至0.12个工作波长，q字形分支条带的尾端的长度为0.3至0.4个工作波长。
工作原理：根据业内公知，常用的射频微波频段平面倒F型天线工作原理为四分之一波长谐振，而在45GHz毫米波频段，工作波长约为7mm，相应的四分之一波长谐振器的尺寸会很小，逼近现有加工工艺的精度极限。因此，本发明的Q波段移动终端天线在常用的平面倒F型天线基础上，通过将辐射单元的特征尺寸进行等比例扩大或拓展，利用其高次谐振模式实现在Q波段工作频带的辐射，所实现的天线工作在四分之三或四分之五等谐振长度。同时，通过在主辐射单元上增加若干电流谐振支路方式来扩展其工作带宽，并且通过调节各个谐振支路的方向来控制天线整体的辐射方向图在磁场平面呈现全向性。实际使用中，可将天线固定在移动设备的一个顶角，该天线移动设备内存在的金属散射体不敏感，其辐射特性相对稳定。天线在磁场主切面内具有全向辐射特性，天线地板的大小对天线辐射特性影响较小，适合在多种类移动终端内部独立使用或与工作电路进行共基片集成使用。
有益效果：与现有技术相比，本发明针对毫米波频段（45GHz）的特点，利用常规的印刷电路工艺，设计实现了结构简单、体积小巧的Q波段移动终端天线，该天线具有宽带、驻波小和全向辐射、易集成、精度较高，重复性好的特性，同时还具有成本低、便于批量生产等优点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为实施例1中天线的S参数测量结果；
图3（a）为实施例1的磁场平面（XOZ）的辐射方向图仿真结果；
图3（b）为实施例1的电场平面1（YOZ）的辐射方向图仿真结果；
图3（c）为实施例1的电场平面2（XOY）的辐射方向图仿真结果。
具体实施方式
下面结合具体实施例，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。
实施例1：如图1所示，一种基于高次模谐振的Q波段超高速无线局域网移动终端天线，包括介质基片1、印刷在介质基片1正面的天线辐射单元2、以及印刷在介质基片1背面的金属接地平面3，其中，天线辐射单元2包括一块矩形主辐射单元4、短路分支条带5、馈电分支条带6、直线开路分支条带9、L形开路分支条带10和一个q字形分支条带11。
矩形主辐射单元2的长度为0.8至1.0个工作波长，宽度为0.3至0.4个工作波长，短路分支条带5和馈电分支条带6分别与矩形主辐射单元4的左下顶角和右下顶角相连接，连接方式可以选择垂直方式或其他布局形式，短路分支条带5和馈电分支条带6两者位置可以根据使用需求进行互换。短路分支条带5的长度为0.2至0.3个工作波长，宽度为0.1至0.2个工作波长，在距离短路分支条带5末端0.12至0.16个工作波长的位置处设有第一金属通孔7与接地平面3联通；馈电分支条带6的长度为0.3至0.4个工作波长，宽度为0.2至0.3个工作波长，馈电分支条带6上设有第二金属通孔8作为馈电点。在矩形主辐射单元4的左上端直连有直线开路分支条带9，其长度为0.1至0.2个工作波长，宽度为0.05至0.07个工作波长；矩形主辐射单元4的右上端连接了L型开路分支条带10，其总长度为0.6至0.8个工作波长，宽度为0.05至0.07个工作波长；矩形主辐射单元4的上顶部连接有q字形分支条带11，共有两个连接点，围成一个口字形空缺，q字形分支条带11的宽度为0.05至0.07个工作波长，具有口字形空缺部分的长度为0.2至0.3个工作波长，宽度为0.08至0.12个工作波长，q字形分支条带11的尾端的长度为0.3至0.4个工作波长。
本实施例所设计的天线中，矩形主辐射单元4的长度约为0.9个工作波长，宽度约为0.34个工作波长，短路分支条带5的长度约为0.27个工作波长，宽度为0.15个工作波长，馈电分支条带6的长度约为0.38个工作波长，宽度约为0.25个工作波长，第一金属通孔7设置在距离短路分支条带5末端近似0.15个工作波长的位置处，直线开路分支条带9的长度约为0.14个工作波长，宽度约为0.06个工作波长；L型开路分支条带10的总长度约为0.7个工作波长，宽度约为0.06个工作波长，q字形分支条带11的宽度约为0.06个工作波长，具有口字形空缺部分的长度约为0.34个工作波长，宽度约为0.1个工作波长，q字形分支条带11的尾端的长度为0.38个工作波长。
其中，介质基片1和金属接地平面3的面积可以灵活调整，但需要满足金属接地平面3只能覆盖天线辐射单元2中矩形主辐射单元4的下半部分、短路分支条带5和馈电分支条带6，并留出适当的保护宽度（>0.5mm）,即可保证天线具有所需的辐射特性。
如图2 所示，所设计天线在41.5-48GH内反射系数小于-10dB，满足Q波段超高速无线局域网应用需求。
如图3（a）所示，所设计天线在磁场平面（XOZ）的辐射方向图呈现近似全向，增益波动在-1dBi到5dBi之间，平均增益约为3dBi，满足移动端实时接收特性需求。
和图3（b）和图3（c）所示，所设计天线在电场平面辐射方向图呈现电小天线辐射特性。图3（b）所示天线呈现后向辐射特性（图中左半空间辐射较强），满足移动台，特别是手持设备使用，对降低人体SAR是有益的。
Claims (5)
1.一种基于高次模谐振的Q波段超高速无线局域网移动终端天线，其特征在于：包括介质基片（1）、印刷在介质基片（1）正面的天线辐射单元（2）、以及印刷在介质基片（1）背面的金属接地平面（3）；所述天线辐射单元（2）包括矩形主辐射单元（4）以及与矩形主辐射单元（4）相连的短路分支条带（5）、馈电分支条带（6）、直线开路分支条带（9）、L形开路分支条带（10）和q字形分支条带（11）；所述短路分支条带（5）上设有连接短路分支条带（5）与金属接地平面（3）的第一金属通孔（7），所述馈电分支条带（6）上设有连接馈电分支条带（6）与金属接地平面（3）的第二金属通孔（8）；所述金属接地平面（3）的面积覆盖天线辐射单元（2）中矩形主辐射单元（3）的下半部分、短路分支条带（5）和馈电分支条带（6）的面积。
2.根据权利要求1所述的基于高次模谐振的Q波段超高速无线局域网移动终端天线，其特征在于：所述短路分支条带（5）和馈电分支条带（6）分别与矩形主辐射单元（4）的左下顶角和右下顶角相连接；所述直线开路分支条带（9）与矩形主辐射单元（4）的左上端相连接；所述L形开路分支条带（10）与矩形主辐射单元（4）的右上端相连接；所述q字形分支条带（11）与矩形主辐射单元（4）的上顶部相连接，共有两个连接点，围成一个口字形空缺。
3.根据权利要求2所述的基于高次模谐振的Q波段超高速无线局域网移动终端天线，其特征在于：所述矩形主辐射单元（4）的长度为0.8至1.0个工作波长，宽度为0.3至0.4个工作波长；所述短路分支条带（5）的长度为0.2至0.3个工作波长，宽度为0.1至0.2个工作波长；所述馈电分支条带（6）的长度为0.3至0.4个工作波长，宽度为0.2至0.3个工作波长。
4.根据权利要求3所述的基于高次模谐振的Q波段超高速无线局域网移动终端天线，其特征在于：所述第一金属通孔（7）设置在距离短路分支条带（5）末端0.12至0.16个工作波长的位置处。
5.根据权利要求3所述的基于高次模谐振的Q波段超高速无线局域网移动终端天线，其特征在于：所述直线开路分支条带（9）的长度为0.1至0.2个工作波长，宽度为0.05至0.07个工作波长；所述L型开路分支条带（10）的总长度为0.6至0.8个工作波长，宽度为0.05至0.07个工作波长；所述q字形分支条带（11）的宽度为0.05至0.07个工作波长，具有口字形空缺部分的长度为0.2至0.3个工作波长，宽度为0.08至0.12个工作波长，q字形分支条带（11）的尾端的长度为0.3至0.4个工作波长。
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