CN104681969B - 混合式辐射体天线结构 - Google Patents

Abstract

一种混合式辐射体天线结构，属于无线通信用的天线技术领域。包括高频信号馈入传输线，与金属辐射体连接，其中部具有信号馈入、接地点，金属辐射体包含：偶极辐射体，其输入阻抗于一天线操作频段内为电容性，偶极辐射体包括第一、第二偶极辐射臂，高频信号馈入传输线连接于第一偶极辐射臂之一的第一接点以及第二偶极辐射臂之一的第二接点；折迭偶极辐射体，其输入阻抗于天线操作频段内为电感性，其两端之一的第三、第四接点分别接于高频信号馈入传输线且形成循环。降低混合式辐射体的整体阻抗；使天线之共振频率能被调整并落入2.4GHz频率范围；能适用于现有的无线通信产品；避免高频信号通过；结构简单、体积小，方便操作与安装。

Description

混合式辐射体天线结构

技术领域

本发明属于无线通信用的天线技术领域，具体涉及一种混合式辐射体天线结构。

背景技术

关于无线通信用的天线的技术信息可在公开的中国专利文献中见诸，如CN102157783A（双极化宽频辐射单元及阵列天线）、CN203013922U（超宽频双极化基站天线辐射单元）、CN102074781U（一种TD-LTE双极化辐射单元）、CN203367470U（宽频带双极化3G基站天线辐射单元）和CN201576749U（双极化超宽频辐射装置），等等。

随着无线通信技术的快速发展，加快了天线设计向微型化以及传输系统多频带发展的进程，具体而言，将多个天线集合于同一天线模块中的设计理念成为了天线设计的朝流。

已有技术中的数组天线通常由诸多相同的单个天线按一定规律排列顺序组成，这种结构形式的天线组由于单个天线的辐射场型图难以控制，因而增益受到限制（即增益不高），其它主要参数也无法满足业界对高规格天线的使用要求，于是对于某些传输质量要求较高的电子产品中的数组天线的结构形式有必要加以改进。

如业界所知，天线单元的数量越多，增益也相应越高，但尺寸越大。另一方面，阻抗匹配是天线设计中务必考虑的一个重要因素，因为匹配欠佳会影响传输接收系统的敏感度以及系统的正确度。特别是对于高功率或高敏感度传输系统而言，如果长期处于阻抗不匹配的状态下，那么系统的稳定性会受到严重影响。

针对上述已有技术，有必要加以改进，为此本申请人作了积极而有益的设计，下面将要介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。

发明内容

本发明的任务在于提供一种有助于体现理想的阻抗匹配效果而藉以保障传输接收系统的灵敏度及正确度、有利于控制尺寸而藉以满足天线向微型化方向发展的要求的混合式辐射体天线结构。

本发明的另一任务在于提供一种有益于对电容效应实施补偿而藉使共振频率处于2.4GHz范围的混合式辐射体天线结构。

本发明的又一任务在于提供一种有便于在2.4GHz频率体现良好的高方向性和高效率而藉以满足现代无线通信产品的使用要求的混合式辐射体天线结构。

本发明的再一任务在于提供一种有便于与低通滤波器连接而藉以避免高频信号对传输接收系统产噪声或倍频谐振干扰的混合式辐射体天线结构。

本发明的还有任务在于提供一种制作简单并且能设置于微波基板的单而藉以体现方便安装的混合式辐射体天线结构。

本发明的任务是这样来完成的，一种混合式辐射体天线结构，包括一高频信号馈入传输线，该高频信号馈入传输线的两端分别与一个金属辐射体相连接，这一对金属辐射体并联，该高频信号馈入传输线的中部具有一信号馈入点和一信号接地点，所述一对金属辐射体左右对称于所述信号馈入点及信号接地点，且一对金属辐射体各包含：

一偶极辐射体，其输入阻抗于一天线操作频段内为电容性，且该偶极辐射体包括一第一偶极辐射臂和一第二偶极辐射臂，所述高频信号馈入传输线与第一偶极辐射臂的第一接点以及第二偶极辐射臂的第二接点连接；

一折迭偶极辐射体，其输入阻抗于天线操作频段内为电感性，且其两端之一的一第三接点以及一第四接点分别接于所述高频信号馈入传输线并且形成一循环，用于补偿所述偶极辐射体的电容效应。

在本发明的一个具体的实施例中，所述偶极辐射体的长度为1.25个操作波长。

在本发明的另一个具体的实施例中，所述的折迭偶极辐射体的长度为0.9-1个操作波长。

在本发明的又一个具体的实施例中，所述的高频信号馈入传输线以及所述的一对金属辐射体设置在一微波基板的一侧表面，并且在对应于该微波基板的另一侧表面的位置设置有一金属反射板。

在本发明的再一个具体的实施例中，所述微波基板与所述金属反射板之间保持有间距。

在本发明的还有一个具体的实施例中，所述的间距为0.15个操作波长。

在本发明的更而一个具体的实施例中，所述微波基板以及所述金属反射板的面积以及形状彼此相同。

在本发明的进而一个具体的实施例中，在所述的高频信号馈入传输线上连接有一低通滤波器。

在本发明的又更而一个具体的实施例中，所述的第一、第二偶极辐射臂的长度彼此相等。

在本发明的又进而一个具体的实施例中，所述第一接点与所述第三接点之间的距离小于操作频率之四分之一波长。

本发明提供的技术方案的技术效果之一，由于采用了相互并联的一对金属辐射体，因而当单一金属辐射体阻抗较高时，得以降低混合式辐射体的整体阻抗，确保阻抗匹配，满足业界标准而体现理想的应用价值；之二，由于采用了折迭偶极辐射体与偶极辐射体，因而在天线操作频段内，折迭偶极辐射体作为电感元件而可对偶极辐射体的电容效应进行补偿，使天线之共振频率能被调整并落入2.4GHz频率范围；之三，由于在2.4GHz的频率具有高指向性以及高效率，因而能适用于现有的无线通信产品；之四，由于高频信号馈入传输线得以与低通滤波器相连接，因而仅允许如2.4GHz的低频信号通过，避免高频信号通过而成为其它系统的噪声（例如操作频率范围涵盖3GHz之WiMax，或5GHz之WLAN）或成为倍频谐振的干扰；之五，由于能将高频信号馈入传输线以及一对金属辐射体设置于微波基板之单面，因而结构简单、体积小，既可满足天线向微型化方向发展的要求，又能方便操作与安装。

附图说明

图1为本发明的实施例结构示意图。

图2为图1所示的金属辐射体的示意图。

图3为图1所示的微波基板与金属反射板的相对位置示意图。

图4为本发明结构的输入阻抗曲线图。

图5A为本发明结构的E平面辐射场型图。

图5B为本发明结构的H平面辐射场型图。

图6为本发明结构的信号返回损耗测试结果示意图。

图7A为图1所示的高频信号馈入传输线与低通滤波器连接的示意图。

图7B为配有低通滤波器的本发明结构的信号返回损耗测试结果示意图。

图中标记：1.高频信号馈入传输线，1A.第一传输线，1B.第二传输线，10.信号馈入点，11.信号接地点，2.金属辐射体，21.偶极辐射体，21A.第一偶极辐射臂，210A.第一接点，21B.第二偶极辐射臂，210B.第二接点，22.折迭偶极辐射体，22A.第三接点，22B.第四接点，3.微波基板，4.金属反射板，50.馈入线，51.低通滤波器，D.间距，S.第一接点210A与第三接点22A之间的距离，(1)~(3)测试结果。

具体实施方式

为了使公众能够更加清楚地理解本发明的技术实质和有益效果，申请人将在下面以实施例的方式作详细说明，但是对实施例的描述均不是对本发明方案的限制，任何依据本发明构思所作出的仅仅为形式上的而非实质性的等效变换都应视为本发明的技术方案范畴。

请参见图1和图2，本发明混合式辐射体天线结构包括一高频信号馈入传输线1以及一对金属辐射体2，该高频信号馈入传输线1的两端分别与一个金属辐射体2相连接，从而使一对金属辐射体2并联。

前述的高频信号馈入传输线1包括一第一传输线1A以及一第二传输线1B，两者平行设置，且第一传输线1A以及第二传输线1B的中点分别具有信号馈入点10以及信号接地点11。信号馈入点10与馈入线(图未示)的中心信号导线相连接而馈入高频信号，信号接地点11则与馈入线的外层接地导线连接。一对金属辐射体2除了连接于高频信号馈入传输线1的两端，还同时以信号馈入点10以及信号接地点11为对称中心而左右对称设置。

一对金属辐射体2各包含一组偶极辐射体21以及一个折迭偶极辐射体22，两者均与高频信号馈入传输线1相连接。

偶极辐射体21包括第一偶极辐射臂21A以及第二偶极辐射臂21B，该两个辐射臂的长度相同，并且以高频信号馈入传输线1为中心而上下对称。偶极辐射体21与高频信号馈入传输线1的连接通过第一偶极辐射臂21A的一端的第一接点210A以及第二偶极辐射臂21B的一端的第二接点210B实现。本发明的偶极辐射体21的长度大体上为1.25个操作（也可称工作，以下同）波长(1.25λ)，该长度较一般的半波长偶极天线(0.5λ)为长，具有较大的增益效果，能量较为集中。

折迭偶极辐射体22与偶极辐射体21并无直接连接，其两端的第三接点22A以及第四接点22B分别与高频信号馈入传输线1的第一传输线1A以及第二传输线1B的端点相连接，且折迭偶极辐射体22本身经蜿蜒而为一循环形式。本实施例中的折迭偶极辐射体22的长度为0.9~1个操作波长(0.9~1λ)。第一接点210A与第三接点22A之间的距离S以小于0.25个操作波长(0.25λ)为佳。

前述偶极辐射体21的输入阻抗于一天线操作频段内为电容性(如图4的曲线(1)所示，其虚部输入阻抗<0)，此天线操作频段以2.4GHz为中心频率，是全球通用的无线传输频段，诸如无线区域网(IEEE802.11b/IEEE802.11g)、蓝芽、ZigBee等技术，均可以此频率进行传输信号。因此，为了补偿偶极辐射体21的电容效应，本发明使用输入阻抗在此天线操作频段内为电感性的折迭偶极辐射体22作为电感组件，如图4的曲线(2)所示，其虚部输入阻抗>0。折迭偶极辐射体22的优点在于其本身也是金属体而可作为天线的一部分发送信号，增加带宽而有双重效果。

前述高频信号馈入传输线1以及金属辐射体2可通过印刷的方式形成于一微波基板3的一面（一侧表面），而高频信号馈入传输线1以及金属辐射体2在印刷过程中一起成形。金属辐射体2的两面都可辐射出高频信号，为了使本发明的指向性得以提高，因此在微波基板3的下方设置一金属反射板4，以便将朝向微波基板3下方辐射的能量被反射而朝向微波基板3的上方，使朝向微波基板3的上方的辐射能量较强，具有良好的指向性及信号强度。

请参见图3，微波基板3与金属反射板4之间存在间距D，该间距D小于0.15个操作波长，较好的范围为0.08个操作波长。微波基板3与金属反射板4的间距D并非为0.25个操作波长(使辐射后经反射的信号在回到微波基板3时为经过半个波长的距离而达到增益效果)的原因在于：高频信号馈入传输线1的长度大体上小于50mm而使在两个金属辐射体2相邻近(S较佳的范围小于0.25个操作波长)，以及微波基板3与金属反射板4的面积以及形状大体上相同的影响下，两个混合式的金属辐射体2所发出的能量相互影响，从而可在较小的间距D反射就达到明显增强的效果，因此微波基板3与金属反射板4的间距可被缩减为小于0.15个操作波长，得以应用于具有较小体积、空间的电子产品中。

请见图4，该图4示出了本发明一较佳实施例的虚部输入阻抗曲线；其中，曲线(1)为偶极辐射体21的虚部输入阻抗曲线，曲线(2)为折迭偶极辐射体22的虚部输入阻抗曲线，曲线(3)则为结合高频信号馈入传输线1、偶极辐射体21与折迭偶极辐射体22的虚部输入阻抗曲线。如图所示，偶极辐射体21本身于2.4GHz天线操作频段系具有电容性(虚部输入阻抗<0)，折迭偶极辐射体22于2.4GHz天线操作频段则具有电感性(虚部输入阻抗>0)，两者在结合后并以高频信号馈入传输线1相连接，共振点(虚部输入阻抗近乎为零)即被调整落在2.4GHz。

天线的输入阻抗是天线馈入端的输入电压与输入电流的比值，而天线与馈入线的连接，最理想的情形是天线的输入阻抗是纯电阻且等于馈入线的特性阻抗，这时馈入线终端没有功率反射，馈入在线没有驻波。在本发明的较佳实施例中，金属辐射体2的阻抗为100奥姆，而经前述结构设置即并联后，可降为50奥姆而达到阻抗匹配，符合产业界考虑到能量传递与能量衰减的均衡性而满足通用标准，再配合2.4GHz的天线操作频段，因此本发明完全符合现有产业标准的应用条件。

请参见图5A和图5B，图5A、5B分别为本发明的较佳实施例的E平面、H平面辐射场型图，揭示了信号功率衰减一半(3dB)的波束宽度于E平面、H平面分别约为50度、64度。

请参见图6，图6为返回损失图，由图6所示，本发明于较佳实施例除了会在2.4GHz的频率辐射信号以外，在部分高于2.5GHz的频段也有辐射出信号，如此可能会对其他系统产生干扰，例如操作频率范围涵盖3GHz的WiMax，或者是5GHz之WLAN。因此请参见图7A，本发明可进一步使高频信号馈入传输线1通过馈入线50与一低通滤波器51相连接，低通滤波器51可过滤高频信号，例如高于2.5GHz的信号)，于是本发明结构可避免辐射出高于预定操作频率的信号。请见图7B，在高于2.5GHz所辐射出的信号的能量微量，相当于背景噪声，所以并不会干扰其他系统的信号的接收。

综上所述，本发明提供的技术方案考虑到偶极辐射体的输入阻抗在特定的天线操作频段内为电容性，因此使用折迭偶极辐射体在此特定天线操作频段作为电感性组件，使偶极辐射体的电容效应得到补偿，使混合式辐射体天线的操作频率得以符合产业应用标准；而针对阻抗匹配的问题，则是使用并联的技术手段使阻抗降低至预定值而藉以达到匹配。另外，本发明还可根据需要而将金属反射板4与天线所在的微波基板3之间的间距缩减，以顺应电子组件微型化的趋势潮流；又基于信号干扰的问题，可轻易地利用增设低通滤波器51的方式对信号过滤。本发明具有高效率、高指性向与高增益的优势，其结构特征也不会对产业界现有制造产生任何额外负担以及不会增加成本，基于前述众多长处，本发明无疑是一个极致的实用与商业价值兼备的技术方案。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，凡是依据本发明申请范围所述的形状、构造、特征及精神而作出的等效性变化与修饰，均应包括于本发明申请专利的范围内。

Claims (10)

1.一种混合式辐射体天线结构，其特征在于包括一高频信号馈入传输线(1)，该高频信号馈入传输线(1)的两端分别与一个金属辐射体(2)相连接，这一对金属辐射体(2)并联，该高频信号馈入传输线(1)的中部具有一信号馈入点(10)和一信号接地点(11)，所述一对金属辐射体(2)左右对称于所述信号馈入点(10)及信号接地点(11)，且一对金属辐射体(2)各包含：

一偶极辐射体(21)，其输入阻抗于一天线操作频段内为电容性，且该偶极辐射体(21)包括一第一偶极辐射臂(21A)和一第二偶极辐射臂(21B)，所述高频信号馈入传输线(1)与第一偶极辐射臂(21A)的第一接点(210A)以及第二偶极辐射臂(21B)的第二接点(210B)连接；

一折迭偶极辐射体(22)，其输入阻抗于天线操作频段内为电感性，且其两端之一的一第三接点(22A)以及一第四接点(22B)分别接于所述高频信号馈入传输线(1)并且形成一循环，用于补偿所述偶极辐射体(21)的电容效应。

2.根据权利要求1所述的混合式辐射体天线结构，其特征在于所述偶极辐射体(21)的长度为1.25个操作波长。

3.根据权利要求1所述的混合式辐射体天线结构，其特征在于所述的折迭偶极辐射体(22)的长度为0.9-1个操作波长。

4.根据权利要求1所述的混合式辐射体天线结构，其特征在于所述的高频信号馈入传输线(1)以及所述的一对金属辐射体(2)设置在一微波基板(3)的一侧表面，并且在对应于该微波基板(3)的另一侧表面的位置设置有一金属反射板(4)。

5.根据权利要求4所述的混合式辐射体天线结构，其特征在于所述微波基板(3)与所述金属反射板(4)之间保持有间距。

6.根据权利要求5所述的混合式辐射体天线结构，其特征在于所述的间距为0.15个操作波长。

7.根据权利要求4或5所述的混合式辐射体天线结构，其特征在于所述微波基板(3)以及所述金属反射板(4)的面积以及形状彼此相同。

8.根据权利要求1所述的混合式辐射体天线结构，其特征在于在所述的高频信号馈入传输线(1)上连接有一低通滤波器(51)。

9.根据权利要求1所述的混合式辐射体天线结构，其特征在于所述的第一、第二偶极辐射臂(21A、21B)的长度彼此相等。

10.根据权利要求1所述的混合式辐射体天线结构，其特征在于所述第一接点(210A)与所述第三接点(22A)之间的距离小于操作频率之四分之一波长。