CN105449348A

CN105449348A - 电磁偶极子天线

Info

Publication number: CN105449348A
Application number: CN201410373641.1A
Authority: CN
Inventors: 冯波涛; 李书芳; 刘超; 翟翌立
Original assignee: Qingdao Haier Electronics Co Ltd; Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Qingdao Haier Electronics Co Ltd; Beijing University of Posts and Telecommunications; Qingdao Haier Multimedia Co Ltd
Priority date: 2014-07-31
Filing date: 2014-07-31
Publication date: 2016-03-30

Abstract

一种电磁偶极子天线，包括两面均布覆有印刷电路的基板，在所述基板的背面布覆有地，在所述基板的正面对称布覆有第一电偶极子金属贴片和第二电偶极子金属贴片；在所述两个电偶极子之间布覆有馈电结构；所述第一电偶极子金属贴片具有第一短路结构，所述第二电偶极子金属贴片具有第二短路结构；所述第一短路结构通过第一金属化过孔与所述基板背面的地连接；所述第二短路结构通过第二金属化过孔与所述基板背面的地连接；所述第一短路结构、第一金属化过孔、第二短路结构、第二金属化过孔和所述第一金属化过孔与第二金属化过孔之间的地，形成磁偶极子。本文公开的电磁偶极子天线将传统的三维结构的电磁偶极子天线改变为二维结构，大大降低了电磁偶极子天线的尺寸，有效地满足电磁偶极子天线小型化的需求。

Description

电磁偶极子天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，具体地说，涉及一种电磁偶极子天线。

背景技术

随着现代无线通信的迅速发展，某些通信系统中采用了多种频率技术。例如，在无线广域网(WWAN，WirelessWideAreaNetwork)/长期演进(LTE，LongTermEvolution)系统中使用的是824MHz到960MHz和1.71GHz到2.69GHz两个频段。因此在这两个频段中对于能够满足宽阻抗带宽，稳定增益，稳定辐射图和全向辐射的天线的需求也激增。而双频段天线具有能够减少天线数量和减小安置空间等优点，故引起了研究人员的广泛关注。另一方面，在过去的几十年中，由于电磁偶极子(Magneto-Electricdipole)天线具有如低交叉极化、高前后比、稳定增益、近乎对称的E面和H面辐射方向图等良好的电特性可以达到宽带移动通信的高要求，因此学者们也展开了许多与此相关的研究。

然而，现在的电磁偶极子天线和双频段天线存在着许多无法接受的缺点，首先，传统的电磁偶极子天线结构复杂，庞大，不适合嵌入进无线设备之中，此外，许多电磁偶极子天线由特殊的电介质材料制成，或者加入了差分馈电结构，这使得天线的制造成本高昂。其次，传统的双频段天线常常做成阵列来提高增益，否则天线的增益和带宽将大打折扣。因此，急需一款能够满足WWAN/LTE需求的具有小型化，稳定增益和低成本的双频段电磁偶极子天线。最近，有学者提出了一款可以用于基站的双频段电磁偶极子天线，但是这款天线不能覆盖LTE天线的所有频带。此外，该天线的增益不稳定因为在高频段处天线的辐射极化图的主瓣分成了两瓣。其他的小型化天线或者是垂直印刷平面全向天线也不能覆盖所有的WWAN/LTE频段而且由于大尺寸很难嵌入到无线设备之中。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种新型的电磁偶极子天线，有效地满足电磁偶极子天线小型化、稳定的高增益、宽带宽的需求。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。

在一些说明性实施例中，所述电磁偶极子天线包括两面均布覆有印刷电路的基板，在所述基板的背面布覆有地，在所述基板的正面对称布覆有第一电偶极子金属贴片和第二电偶极子金属贴片；在所述两个电偶极子之间布覆有馈电结构；所述第一电偶极子金属贴片具有第一短路结构，所述第二电偶极子金属贴片具有第二短路结构；所述第一短路结构通过第一金属化过孔与所述基板背面的地连接；所述第二短路结构通过第二金属化过孔与所述基板背面的地连接；所述第一短路结构、第一金属化过孔、第二短路结构、第二金属化过孔和所述第一金属化过孔与第二金属化过孔之间的地，形成磁偶极子。

上述实施例公开了一种在双面印刷电路板上实现的电磁偶极子天线，从而将传统的三维结构的电磁偶极子天线改变为二维结构，大大降低了电磁偶极子天线的尺寸，有效地满足电磁偶极子天线小型化的需求。

为了上述以及相关的目的，一个或多个实施例包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明某些示例性方面，并且其指示的仅仅是各个实施例的原则可以利用的各种方式中的一些方式。其它的益处和新颖性特征将随着下面的详细说明结合附图考虑而变得明显，所公开的实施例是要包括所有这些方面以及它们的等同。

附图说明

图1为一些实施例中电磁偶极子天线正面的结构示意图；

图2为一些实施例中电磁偶极子天线的磁偶极子结构示意图；

图3为另一些实施例中电磁偶极子天线正面的结构示意图；

图4为一些实施中天线的驻波比和增益随频率变化图；

图5为一些实施中天线的辐射方向图。

具体实施方式

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。

图1示出了一些实施例中电磁偶极子天线正面的结构。

电磁偶极子天线包括两面均布覆有印刷电路的基板1。在基板1背面的布覆有矩形的地5，地5布覆在基板1的一端。

这里的地是指电气连接意义上的接地结构；本文中，可以将地所在的一端定义为基板的底端，与底端相对的另一端为基板的顶端。

在基板1的正面，对称布覆有两个U形的电偶极子金属贴片2，两个电偶极子金属贴片2的内侧边平行相对，开口分别朝向两个侧端。通过图1可以看出，对称的两个电偶极子金属贴片2互成镜像。

在两个电偶极子金属贴片2之间布覆有馈电结构，该馈电结构包括平行于两个电偶极子金属贴片2的内侧边的传输线11、容性补偿条13以及垂直连接传输线11和容性补偿条13的能量耦合条12。传输线11的底端，也就是靠近基板1底端的一端，在短路贴片处利用超小型(SMA，SubMiniatureversionA)连接器连接。其中，SMA的内导体连接短路贴片，SMA的外导体连接背面的地板。此外，传输线11、能量耦合条12和容性补偿条13均为条状金属贴片。能量耦合条12垂直连接于容性补偿条13的顶端，二者构成倒L形的耦合带。传输线11的顶端和由能量耦合条12、容性补偿条13构成的倒L形耦合带连接，在基板1上形成倒U形的馈电结构。馈电结构的开口朝向基板1的底端。

倒U形馈电结构的水平部分，即能量耦合条12，耦合电特性到天线而倒L形耦合带的垂直部分，即容性补偿条13，用于补偿由于水平部分引起的感性电抗。简言之，能量耦合条12是电感性的，而容性补偿条13是电容性的。

在一些优选实施例中，每个U形的电偶极子金属贴片2外侧含有一个矩形细槽。含有矩形细槽的U形电偶极子可以改变电流分布，从而增加带宽，同时产生一个新的共振点。这样，通过U形电偶极子可以控制天线的驻波比(SWR，StandingWaveRate)同时增加宽带增益。

为了获得更好的阻抗匹配，在一些优选实施例中，馈电结构可以采用渐细线结构，即传输线的宽度大于耦合带中能量耦合条和容性补偿条的宽度。

在一些优选实施例中，传输线11比耦合带宽1毫米。在一些优选实施例中，传输线11为矩形。在一些优选实施例中，传输线11与最近的平行电偶极子金属贴片2距离1毫米。在一些优选实施例中，传输线11垂直置于基板背面的地5之上，以便配合基板背面的地5调节该天线的定向及全向性。

在每个电偶极子金属贴片2的内侧边，都有一段沿着金属贴片内侧边向基板1底端延伸的金属贴片3。这一对短的金属贴片3彼此平行，每一段短的金属贴片3作为电偶极子金属贴片2的短路结构，通过位于金属贴片3下方的金属化过孔4与基板1背面的地5电气连接。

本领域技术人员能够明确地知道，在实际运用中可以根据不同的需求对电磁偶极子的短路结构进行调整和修改，任何对电磁偶极子的短路结构的调整和修改都在本文的保护范围以内，包括但不限于改变短路结构的形状、调整短路结构的长度等。

可选地，每一段短的金属贴片3都可以通过一个或多个金属化过孔4与基板1背面的地5电气连接。

这对平行的短金属贴片3和金属化过孔4以及金属化过孔4之间的地5，构成磁偶极子，如图2所示。

电偶极子和磁偶极子共同组成了平面电磁偶极子，它们之间的互相协调使天线达到良好的互补电特性。

在图1所示的实施例中，电偶极子为一对U形金属贴片；在其它实施例中，电偶极子的金属贴片也可以根据实际需要，修改为E形、V形或者矩形的金属贴片。

本文中，电偶极子金属贴片的内侧边是指电偶极子金属贴片靠近基板中央的侧边。

在一些优选的实施例中，为了进一步提高天线的阻抗匹配特性，可以在馈电结构部分增加阻抗匹配条，如图3所示。与图1所示的结构相比，图3所示的实施例中，在馈电结构部分增加了呈T形的阻抗匹配条14。该T形阻抗匹配条14的上部位于基板1的顶端，下部交叉穿过能量耦合条12，延伸进入由传输线11、能量耦合条12和容性补偿条13形成的倒U形半包围区域内。该T形阻抗匹配条14的下部由连续的弯折部构成。由倒U形渐细线和弯折T形线构成的复合馈电结构与传统的梯形结构相比具有更好的阻抗匹配特性。在本文中，T形阻抗匹配条14和倒L形耦合带共同构成复合耦合带。可以看出，图3所示馈电结构包括传输线11和由T形阻抗匹配条14和倒L形耦合带构成的复合耦合带。

能量耦合条12耦合电特性到天线，容性补偿条13和T形阻抗匹配条14可共同用于补偿由于能量耦合条12引起的感性电抗。

在图3所示的实施例中，阻抗匹配条为T形，在其它实施例中，可以根据具体的阻抗匹配需求对阻抗匹配条的形状进行修改，包括但不限于修改为倒L形。

在图3所示的实施例中，倒U形半包围区域内的阻抗匹配条具有连续多个弯折结构，在其它实施例中，可以根据具体的阻抗匹配需求对该部分的形状进行修改，包括但不限于，修改为具有一个弯折结构，或为直线结构。

在图1、图3所示的实施例中，基板背面的地5为矩形金属贴片，该矩形金属贴片的宽度大于平行的两个短金属贴片3的间距；当该矩形金属贴片的长度小于或等于基板长度的25％时，所述电磁偶极子天线呈全向性；当该矩形金属贴片的长度大于基板长度的50％时，所述电磁偶极子天线呈定向性；当该矩形金属贴片的长度大于基板长度的25％但小于或等于基板长度的50％时，所述电磁偶极子天线由全向性向定向性过渡，但总体还是偏全向性。

所述基板长度是指基板上平行于作为地的矩形金属贴片的长边的边的长度。

考虑到多功能性和价格，该天线是印刷在FR4介质基板上的。在一些实施例中，基板的介电常数在4.3～4.5之间，基板的厚度可以在0.7～1毫米之间。在一些优选实施例中，基板的介电常数为4.4，基板的厚度为0.8毫米。

图4为一些实施中天线的驻波比和增益随频率变化图，通过该图可以看出仿真与实测结果非常符合。很容易看出，在低频段仿真结果从0.81到1.07GHz阻抗带宽是27.7％。实测是从0.78到1.12GHz阻抗带宽35.8％(SWR≤3)。在高频段仿真结果从1.69到2.72GHz阻抗带宽是46.7％。实测是从1.66到2.78GHz阻抗带宽50.5％(SWR≤3)。他们能够覆盖WWAN/LTE系统的所有频段。此外，实测增益在低频段从2.5dBi到3.5dBi，在高频段从3.2dBi到4.4dBi。

图5为一些实施中天线的辐射方向图。图5显示了是在0.9GHz，1.8GHz，2.6GHz的仿真与实测的阻瓣辐射图。该天线表现出良好的全向辐射特性。在对应频段上，E平面和H平面可以达到近乎对称与相等的辐射图。此外，在整个频段上，实测的交叉极化水平在-15dB以下。

本文提出了一款适用于WWAN/LTE具有复合馈电结构的新型印刷平面双宽频带U型电偶极子全向天线。该设计通过实测得到验证。实测结果显示该天线具有稳定增益和超宽的带宽。此外，该天线具有近乎对称和一致的E平面和H平面。最后，与现在的电磁偶极子天线相比，该天线完全印刷在FR4介质板上，容易制造，价格低廉，因此具有广泛应用前景。未来，该天线可以进一步减小尺寸，降低价格使其进一步广泛应用于移动通信系统。

以上描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。

Claims

1.一种电磁偶极子天线，包括两面均布覆有印刷电路的基板，在所述基板的背面布覆有地，其特征在于，在所述基板的正面对称布覆有第一电偶极子金属贴片和第二电偶极子金属贴片；在所述两个电偶极子金属贴片之间布覆有馈电结构；所述第一电偶极子金属贴片具有第一短路结构，所述第二电偶极子金属贴片具有第二短路结构；所述第一短路结构通过第一金属化过孔与所述基板背面的地连接；所述第二短路结构通过第二金属化过孔与所述基板背面的地连接；所述第一短路结构、第一金属化过孔、第二短路结构、第二金属化过孔和所述第一金属化过孔与第二金属化过孔之间的地，形成磁偶极子。

2.如权利要求1所述的电磁偶极子天线，其特征在于，所述两个电偶极子金属贴片均为U形。

3.如权利要求2所述的电磁偶极子天线，其特征在于，每个U形电偶极子金属贴片都含有一个矩形槽。

4.如权利要求1所述的电磁偶极子天线，其特征在于，所述两个电偶极子金属贴片均为V形、E形或矩形。

5.如权利要求1所述的电磁偶极子天线，其特征在于，所述第一电偶极子金属贴片的内侧边和所述第二电偶极子金属贴片的内侧边平行相对。

6.如权利要求1所述的电磁偶极子天线，其特征在于，所述第一短路结构平行于所述第二短路结构。

7.如权利要求1所述的电磁偶极子天线，其特征在于，所述第一短路结构是沿所述第一电偶极子金属贴片内侧边向所述地的方向延伸出的第一金属条贴片；所述第二短路结构是沿所述第二电偶极子金属贴片内侧边向所述地的方向延伸出的第二金属条贴片。

8.如权利要求7所述的电磁偶极子天线，其特征在于，所述第一金属条贴片和第二金属条贴片为矩形。

9.如权利要求1所述的电磁偶极子天线，其特征在于，所述馈电结构包括传输线、容性补偿条和能量耦合条；其中，所述传输线和容性补偿条都平行于所述两个电偶极子金属贴片的内侧边，所述能量耦合条垂直连接所述传输线和容性补偿条。

10.如权利要求9所述的电磁偶极子天线，其特征在于，所述能量耦合条位于所述传输线和所述容性补偿条的顶端。

11.如权利要求9所述的电磁偶极子天线，其特征在于，所述传输线、容性补偿条和能量耦合条均为条状金属贴片；其中，所述传输线的宽度大于所述容性补偿条和能量耦合条的宽度。

12.如权利要求9所述的电磁偶极子天线，其特征在于，所述馈电结构还包括一阻抗匹配条；所述阻抗匹配条的一部分交叉穿过所述能量耦合条，延伸进入由所述传输线、能量耦合条和容性补偿条形成的半包围区域内。

13.如权利要求12所述的电磁偶极子天线，其特征在于，所述阻抗匹配条延伸进入所述半包围区域内的部分具有至少一个弯折结构。

14.如权利要求12所述的电磁偶极子天线，其特征在于，所述阻抗匹配条呈T形或倒L形。

15.如权利要求1至14任一项所述的电磁偶极子天线，其特征在于，所述基板背面的地为矩形金属贴片，所述矩形金属贴片的宽度大于所述两个短路结构之间的距离。

16.如权利要求15所述的电磁偶极子天线，其特征在于，构成所述地的矩形金属贴片的长度小于或等于所述基板长度的25％，或大于所述基板长度的50％。

17.如权利要求1至14任一项所述的电磁偶极子天线，其特征在于，所述基板的介电常数在4.2～4.6之间；所述基板的厚度在0.7～0.9毫米之间。

18.如权利要求17所述的电磁偶极子天线，其特征在于，所述基板的介电常数为4.4；所述基板的厚度为0.8毫米。