CN105896035B - 一种基于加载技术统一模型的多频小型化终端天线 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于加载技术统一模型的多频小型化终端天线，属于射频天线领域；该终端天线由下到上依次为地平面层、底层介质层、天线辐射体和顶层介质层；顶层介质层下表面通过天线厌氧胶紧密粘结在底层介质层的上表面；底层介质层下表面形成地平面层结构，上表面形成天线辐射体；天线辐射体包括L型结构和环型结构，为互补加载的水平面结构，无缝正交于同一平面上。L型结构用来产生高频段，激励高频模式；环型结构与L型结构共同产生多频段。Cylinder将天线辐射体与地平面层相接，形成谐振回路，能够抑制微带线之间产生的耦合。优点在于：介质加载大大减小了天线的体积，运用了具有较大介电常数的电磁介质实现了天线的小型化。

Description

一种基于加载技术统一模型的多频小型化终端天线

技术领域

本发明属于射频天线领域，涉及一种终端天线，具体是一种基于加载技术统一模型的多频小型化终端天线。

背景技术

天线作为一种变换器，把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介中传播的电磁波，或者进行相反的变换；天线是在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件；无界媒介通常是自由空间。

现有技术中，实现天线多频的方法通常采用偶极天线，由两根导体组成，每根为1/4波长，即天线总长度为半波长。所以偶极子天线叫半波振子。利用天线偶极子通信原理，偶极子天线可实现任意频段的天线设计，可以构建多款偶极子天线来实现多频段。但是这种设计并不能满足当前工业化的需求，因为随着移动终端功能的多样化，对天线的工作频段要求越来越严格，而单个偶极子天线只能工作在单一的频段。同时由于波长带来的天线体积庞大的问题，也成了主要限制天线发展的因素。

多频段技术的基本准则是增加天线的电流路径和谐振模式使天线增加工作频段，现有技术中，实现多频段的方法包括：

1、多频谐振枝节方法：实现了双频天线，但是不足之处为该天线用空气当做介质，不利于安装，同时由于空气的介电常数较小，天线的体积也偏大。

2、多频耦合枝节或寄生贴片方法：同样实现了双频天线，不足之处仍用空气为介质，不利于加工。

3、基于弯曲折叠结构的方法：实现了小型化，但是不能满足多频段工作的要求。

4、基于加载的方法，通过改变天线等效电路，实现了小型化，但是电路的结构设计也变得复杂了，而且不满足多频段的要求。

5、基于分形的方法，极大地缩小了天线的尺寸，有利于集成化；不足之处为未能达到多频段的要求。

发明内容

本发明针对现有天线的频段单一和体积庞大的问题，提出了一种基于加载技术统一模型的多频小型化终端天线，通过介质加载技术和多频枝节谐振等技术实现多频段和小型化。

所述基于加载技术统一模型的多频小型化终端天线由下到上依次为地平面层、底层介质层、天线辐射体和顶层介质层；

顶层介质层为裸露的FR4介质板，为长方体结构，长度范围为16mm～20mm；宽度范围为14mm～18mm；厚度范围为3mm～5mm；顶层介质层下表面通过天线厌氧胶紧密粘结在底层介质层的上表面。

底层介质层采用双面覆铜的FR4介质，为长方体结构，长度范围为20mm～30mm；宽度范围为24mm～40mm；厚度范围为3mm～6mm；底层介质层下表面将多余的铜腐蚀后形成地平面层结构，地平面层的尺寸从底层介质层下表面的最右侧开始，直到超出Cylinder接孔1～2mm为止；宽度为底层介质层的宽度。

上表面将多余的铜腐蚀后形成天线辐射体；天线辐射体包括L型结构和环型结构，为互补加载的水平面结构，无缝正交于同一平面上。L型结构用来产生高频段，激励高频模式；环型结构用来产生低频段；环型结构与L型结构共同产生多频段。

L型结构包括互相垂直的微带线S1和微带线S2前段；

具体为：微带线S2平行于水平位置，分为前后两段，微带线S2前段长度L2为7.5-8.5mm，宽度W2＝0.5-1.5mm。微带线S2前段垂直连接微带线S1，共同构成倒L型结构，微带线S1长度L1为0.5-1.5mm，宽度W1为11.5-12.5mm；微带线S1起始端通过Cylinder接孔与地平面层相连；Cylinder接孔为底层介质层上钻的孔，位于微带线S1最下边缘处，半径为0.35mm，深度为底层介质层的深度；倒L型结构能产生4-6GHz范围的高频段。

环型结构由7个微带枝节组成，分别为微带线S2后段、微带线S3、微带线S4、微带线S5、微带线S6、微带线S7和微带线S8。

微带线S2后段的长度L2’为9.5-10.5mm，宽度W2’为0.5-1.5mm；微带线S2后段与微带线S3垂直连接，微带线S3平行微带线S1；微带线S3的长度L3为0.5-1.5mm，宽度W3为13.5-14.5mm；微带线S3的另一端与水平放置的微带线S4相连，微带线S4平行微带线S2，微带线S4的长度L4为15.5-16.5mm，宽度W4为0.5-1.5mm；微带线S4的另一端与垂直放置的微带线S5相连，微带线S5的长度L5为0.5-1.5mm，宽度W5为6.5-7.5mm。微带线S2、S3、S4和S5构成了基本的环型结构；该部分结构能产生1400-2000MHz的低频段，天线在1400MHz-2000MHz之间满足基本性能的要求。

微带线S5平行微带线S1，微带线S5的另一端连接水平放置的微带线S6；微带线S6的长度L6为5.5-6.5mm，宽度W6为0.5-1.5mm；微带线S6平行微带线S2；微带线S6的另一端连接垂直放置的微带线S7；微带线S7平行微带线S3；微带线S7的长度L7为0.5-1.5mm，宽度W7为3.5-4.5mm；微带线S7的另一端连接水平放置的微带线S8；微带线S8平行微带线S4；微带线S8的长度L8为3.5-4.5mm，宽度W8为0.5-1.5mm。微带线S2、S3、S4和S5、S6、S7和S8构成整个环型结构，该部分结构能产生600-1000MHz的低频段，除此之外，还能产生1-3GHz之内的通信频段。

L型结构与环型结构共同作用产生了供天线正常通信的多频段，包括以下频段：

LTE700(698MHz-787MHz)、DCN(824-894MHz)、GSM(880MHz-960MHz)、

DCS(1710MHz-1880MHz)、LTE1900(1850MHz-1990MHz)、

WCDMA(1920MHz-2170MHz)、LTE2300(2300MHz-2400MHz)、

WLAN(2.42GHz-2.48GHz)、LTE2500(2500-2690MHz)、802.11a(5150MHz-5850MHz)。

微带线S1与微带线S5之间，微带线S2与微带线S6之间，微带线S3与微带线S7之间，微带线S4与微带线S8之间分别留有间隙，为了防止各个微带线靠的太近产生耦合，间隙大小由各个微带线的长度和宽度共同决定，为0.5-2mm的范围；

同时，Cylinder将天线辐射体与地平面层相接，形成谐振回路，能够抑制微带线之间产生的耦合。

底层介质层作为天线辐射体和地平面层的附着体，顶层介质层用来反射电磁波，使天线辐射体能激励出更多的辐射模式，从而工作在更多的频段；同时由于顶层介质层的存在，有着较大的介电常数，使天线的尺寸大大减小，也满足了小型化的要求。

本发明的优点在于：

1)、一种基于加载技术统一模型的多频小型化终端天线，倒L型结构对应高频段，通过弯曲折叠的方式加强了天线的电尺寸，使其能工作在高频段。

2)、一种基于加载技术统一模型的多频小型化终端天线，环型结构对应低频段，偶极子能很好地工作在低频段，同时它与L型结构共同产生了多频。

3)、一种基于加载技术统一模型的多频小型化终端天线，介质加载大大减小了天线的体积，运用了具有较大介电常数的电磁介质实现了天线的小型化。

4)、一种基于加载技术统一模型的多频小型化终端天线，该结构的分布实现了各频段的低耦合，利于天线性能的提升。

5)、一种基于加载技术统一模型的多频小型化终端天线，采用的介质成本低，利于加工生产。

附图说明

图1是本发明基于加载技术统一模型的多频小型化终端天线的正视图；

图2是本发明基于加载技术统一模型的多频小型化终端天线的俯视图；

图3是本发明天线辐射体结构中互补加载的L型结构和环型结构俯视图；

图4是本发明天线辐射体结构的L型结构示意图；

图5是本发明天线辐射体结构的环型结构示意图。

图6是本发明基本环型结构下天线的S11参数幅度曲线图；

图7是本发明在基本环形结构中加入微带线S6后的天线S11参数幅度曲线图；

图8是本发明在基本环形结构中加入微带线S6和S7后的天线S11参数幅度曲线图；

图9是本发明在基本环形结构中加入微带线S6，S7和S8后的天线S11参数幅度曲线图；

图10是本发明在L型结构和环型结构共同作用下的天线S11参数幅度曲线图。

具体实施例

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明将多频段技术与小型化技术统合为加载技术，基于人工电磁材料结构加载的低耦合度技术，实现移动终端内置天线的多频段、小型化等性能，达到终端内置天线在有限空间内对空间外部的高效覆盖。

通过介质加载、枝节加载、折叠加载、谐振模加载等，由于不同加载结构将造成不同的电流扰动，枝节加载造成的电流扰动分别以环和线的正交形式呈现，看作互补加载结构，将研究各种加载模式的电流分布特征，建立理论模型，研究加载技术对多频段和小型化性能的作用程度，找到多频段和小型化在加载技术中的结合点，基于上述研究将这些加载技术有机组合运用，同时实现终端天线的多频段和小型化，同时将研究人工电磁材料加载技术，以利用特异材料的低频谐振以及高阻等特性实现终端天线的大跨度频率覆盖和高性能辐射。

一种基于加载技术统一模型的多频小型化终端天线，如图1所示，由下到上依次为地平面层，底层介质层，天线辐射体和顶层介质层；

如图2所示，顶层介质层为裸露的FR4介质板，为长方体结构，长度m为18mm；宽度n为16mm；厚度h2为4mm；顶层介质层下表面通过天线厌氧胶粘结在底层介质层的上表面，紧密结合。

底层介质层采用双面覆铜的FR4介质，为长方体结构，长度a为22mm；宽度b为26mm；厚度h1为5mm；下表面将多余的铜腐蚀后形成地平面层结构，地平面层的尺寸从底层介质层的最右侧开始，直到超出Cylinder接孔1～2mm为止；宽度为底层介质层的宽度。

顶层介质层和底层介质层在水平面x轴方向上的投影距离，满足2*x+m＝a；顶层介质层和底层介质层在水平面y轴方向上投影距离，满足关系y+n<b；所以x优选2mm，y优选5mm。

上表面将多余的铜腐蚀后形成天线辐射体；为了实现多频段，天线辐射体部分以环和线的正交形式呈现，为互补加载结构；天线辐射体包括组合在一起的L型结构和环型结构，为互补加载的水平面结构，无缝正交于同一平面上。天线辐射体的具体尺寸波动范围在本优选尺寸的基础上有±0.5mm的变化，能满足天线性能指标要求的(S11<-6dB)；L型结构用来产生高频段，激励高频模式；环形结构则主要用来激励低频段，同时L型结构也对天线低频段有贡献，即环型结构与L型结构共同产生了低频段。

如图3所示，本实施例采用Cylinder将天线辐射体与地平面层相接，天线本身就是一个振荡器，但又与普通的LC振荡回路不同，它是普通振荡回路的变形。通过Cylinder接孔将天线与地平面层相连，形成谐振回路，以抑制天线的辐射效应。

终端天线的多频段和小型化技术其最终目的是为了实现终端在多个频段上的高性能辐射，实现受限空间外部全向覆盖能力。主要研究人工电磁材料结构加载技术，利用人工电磁材料的零阶谐振特性改变加载天线主体的辐射特性，利用人工电磁材料的表面波抑制特性降低天线与周边物体的互耦，改善终端天线的辐射性能。因此不仅要进行新型人工电磁材料微结构的研究和设计，还要对人工电磁材料在终端天线中的加载位置、方式等进行研究。

当两个电元器件相互靠近时，各自周围的电磁场会发生变化，进而引发天线辐射性能的变化，把这种变化叫做电磁耦合。

由于终端天线结构复杂，天线结构之间电磁耦合作用复杂，因此结构尺寸和装配位置的细微变化会导致天线的多频谐振性能发生漂移，使天线工作频段发生偏移。为避免以上情况，由于不同电流扰动的加载方式可以综合运用，但其之间的电磁耦合关系将显著改变加载结构本身的谐振特性，因此加载结构理论模型在运用到终端天线中时需要考虑互相之间的耦合作用，进一步研究低耦合强度的加载结构组合技术。

如图4所示，L型结构用来激励高频模式，为垂直的两条微带线相交构成，一条微带线S2平行于水平面，分为前后两段，微带线S2前段垂直连接微带线S1，共同构成倒L型结构，微带线S1垂直于水平面，起始端通过Cylinder接孔与地平面层相连；Cylinder接孔为底层介质层上钻的孔，位于微带线S1最下边缘处，半径为0.35mm，深度为底层介质层的深度；倒L型结构能产生4-6GHz范围的高频段。

根据天线的长短和波长成正比，和频率成反比；频率越高，波长越短，天线也就越短。在高频段4-6GHz范围内，易于产生高频谐振模式，L型结构即可满足该频段的需求。

微带线S1长度L1为1mm，宽度W1为12mm；微带线S2前段长度L2＝8mm，宽度W2＝1mm；

如图5所示，环型结构由7个微带枝节组成，分别为微带线S2后段、微带线S3、微带线S4、微带线S5、微带线S6、微带线S7和微带线S8。

微带线S2后段与微带线S3垂直连接，微带线S1平行微带线S3；微带线S2与微带线S3构成了环形结构的一部分；微带线S3的另一端与水平放置的微带线S4相连，微带线S4平行微带线S2，微带线S4的另一端与垂直放置的微带线S5相连，微带线S2、S3、S4和S5形成半开的口字型，构成了基本的环型结构；该部分结构能产生1400-2000MHz的低频段；天线接收和发射1400-2000MHz的频率信号。但是此时的环形结构并不能满足更低频段(600-1000MHz)的需求，也就是说此时的频点任然比较高；需要新增微带线：

微带线S2后段的长度L2’为10mm，宽度W2’为1mm；微带线S3的长度L3为1mm，宽度W3为14mm；微带线S4的长度L4为16mm，宽度W4为1mm；微带线S5的长度L5为1mm，宽度W5为7mm；

微带线S5平行微带线S1，微带线S5的另一端连接水平放置的微带线S6；微带线S6平行微带线S2；微带线S6的另一端连接垂直放置的微带线S7；共同谐振来激励产生更多的谐振模式，起到了展宽频带和优化天线性能的作用。微带线S7平行微带线S3；微带线S7的另一端连接水平放置的微带线S8；微带线S8平行微带线S4；整个环型结构的组成完成，该部分结构能产生600-1000MHz的低频段，大大的满足了更低频段的需求；

微带线S6的长度L6为6mm，宽度W6为1mm；微带线S7的长度L7为1mm，宽度W7为4mm；微带线S8的长度L8为4mm，宽度W8为1mm；

在天线设计的时候要考虑天线辐射体之间的相互耦合带来的性能影响，通过适当调节辐射体之间间距来解决这个问题，微带线S1与微带线S5之间，微带线S2与微带线S6之间，微带线S3与微带线S7之间，微带线S4与微带线S8之间分别留有间隙，为了防止各个微带线靠的太近产生耦合，间隙大小由各个微带线的长度和宽度共同决定，为0.5-2mm的范围；

同时，Cylinder将天线辐射体与地平面层相接，形成谐振回路，能够抑制微带线之间产生的耦合。

底层介质层作为天线辐射体和地平面层的附着体，顶层介质层用来反射电磁波，使天线辐射体能激励出更多的辐射模式，从而工作在更多的频段；同时顶层介质层的存在，有着较大的介电常数，使天线的尺寸大大减小，也满足了小型化的要求。

各个微带线的尺寸在理论计算的基础上，通过多次的仿真实验以及实际测试，反复修正后得到，体现了本发明能够达到最优输出效果的最佳物理尺寸和电气参数设置值。

对本发明进行仿真实验验证；

如图6所示，在微带线S2、S3、S4和S5构成了基本的环型结构下，显示的S11参数幅度曲线，不包括微带线S1与微带线S2部分，防止高频枝节对天线低频段带来的影响。从图中可以看出天线在1400MHz-2000MHz之间满足天线基本性能的要求即S11<-6dB的通信要求，在该频段天线可以正常通信。

在基本环形结构中加入微带线S6后的天线S参数幅度曲线图，如图7所示，从图中可以看出，加了微带线S6后的S11参数幅度曲线频带相比没有加之前变宽了，从原来的1400MHz-2000MHz变为1200MHz-2100MHz，整个频带增加了300MHz。虽然频带变宽了，但是在这个频段并没有可用的通信频点，该微带线S6的加入证明了增加天线的物理长度可使频带变宽，沿着这个趋势进而继续增加可行的微带线，方可实现多频段。微带线S6的加入也从天线原理上说明了天线物理尺寸与频率之间的反比对应关系，想要使天线工作在低频段，就得增加天线的物理尺寸。

在基本环形结构中加入微带线S7后的天线S参数幅度曲线图，如图8所示，从图中可以看出增加微带线S7后，天线的工作频带进一步变宽了，为1000MHz-2200MHz，相比基本环形天线，在低频段的带宽增加了600MHz，S11<-8dB的频带为1500MHz-1900MHz，在此频段天线可更高性能通信。

在基本环形结构中加入微带线S8后的天线S11参数幅度曲线图，如图9所示，这个结构可以产生0.6GHz-3GHz内的可用通信频段。

整个辐射体共同作用时的性能图如图10所示，该S11参数幅度曲线表明了L型结构与环型结构共同作用产生的可供天线正常通信的多频段，包括LTE700(698MHz-787MHz)，DCN(824-894MHz)，GSM(880MHz-960MHz)，DCS(1710MHz-1880MHz)，

LTE1900(1850MHz-1990MHz)，WCDMA(1920MHz-2170MHz)，

LTE2300(2300MHz-2400MHz)，WLAN(2.42GHz-2.48GHz)，LTE2500(2500-2690MHz)，

802.11a(5150MHz-5850MHz)。

本发明一种基于加载技术统一模型的多频小型化终端天线，采用平面分布结构进行设计，因为整个辐射体是在二维的平面设计的，达到了小型化设计的要求。同时，统一模型的使用使得天线可工作在低频段，满足多频工作的需求。底层介质层和顶层介质层采用同一种介质-FR4介质，该介质生产成本低，易于加工。

Claims (9)

1.一种基于加载技术统一模型的多频小型化终端天线，通过介质加载技术和多频枝节谐振等技术实现多频段和小型化，其特征在于：所述终端天线由下到上依次为地平面层、底层介质层、天线辐射体和顶层介质层；

顶层介质层为裸露的FR4介质板，下表面通过天线厌氧胶紧密粘结在底层介质层的上表面；

底层介质层采用双面覆铜的FR4介质，下表面将铜腐蚀后形成地平面层结构，上表面将铜腐蚀后形成天线辐射体；天线辐射体包括L型结构和环型结构，为互补加载的水平面结构，无缝正交于同一平面上；L型结构用来产生高频段，激励高频模式；环型结构主要用来产生低频段；环型结构与L型结构共同产生多频段；

具体为：L型结构包括互相垂直的微带线S1和微带线S2前段；微带线S2平行于水平位置，分为前后两段，微带线S2前段垂直连接微带线S1，共同构成倒L型结构，微带线S1起始端通过Cylinder接孔与地平面层相连；

环型结构由7个微带枝节组成，分别为微带线S2后段、微带线S3、微带线S4、微带线S5、微带线S6、微带线S7和微带线S8；

微带线S2后段与微带线S3垂直连接，微带线S3平行微带线S1；微带线S3的另一端与水平放置的微带线S4相连，微带线S4平行微带线S2，微带线S4的另一端与垂直放置的微带线S5相连，微带线S2、S3、S4和S5构成了基本的环型结构；该基本环型结构产生1400-2000MHz的低频段；

微带线S5平行微带线S1，微带线S5的另一端连接水平放置的微带线S6；微带线S6平行微带线S2；微带线S6的另一端连接垂直放置的微带线S7；微带线S7平行微带线S3；微带线S7的另一端连接水平放置的微带线S8；微带线S8平行微带线S4；微带线S2、S3、S4、S5、S6、S7和S8构成整个环型结构，该整个环型结构产生600-1000MHz的低频段，除此之外，还能产生1-3GHz之内的通信频段；

微带线S1与微带线S5之间，微带线S2与微带线S6之间，微带线S3与微带线S7之间，微带线S4与微带线S8之间分别留有间隙；

同时，Cylinder将天线辐射体与地平面层相接，形成谐振回路，能够抑制微带线之间产生的耦合；

底层介质层作为天线辐射体和地平面层的附着体，顶层介质层用来反射电磁波，使天线辐射体激励出更多的辐射模式，从而工作在更多的频段；同时顶层介质层的存在，减小天线尺寸，满足小型化要求。

2.如权利要求1所述的一种基于加载技术统一模型的多频小型化终端天线，其特征在于：所述的顶层介质层为长方体结构，长度范围为16mm～20mm；宽度范围为14mm～18mm；厚度范围为3mm～5mm；底层介质层为长方体结构，长度范围为20mm～30mm；宽度范围为24mm～40mm；厚度范围为3mm～6mm。

3.如权利要求1所述的一种基于加载技术统一模型的多频小型化终端天线，其特征在于：所述的地平面层的尺寸从底层介质层下表面的最右侧开始，直到超出Cylinder接孔1～2mm为止；宽度为底层介质层的宽度。

4.如权利要求1所述的一种基于加载技术统一模型的多频小型化终端天线，其特征在于：所述的微带线S1长度L1为0.5-1.5mm，宽度W1为11.5-12.5mm；微带线S2前段长度L2为7.5-8.5mm，宽度W2＝0.5-1.5mm。

5.如权利要求1所述的一种基于加载技术统一模型的多频小型化终端天线，其特征在于：所述的Cylinder接孔为底层介质层上钻的孔，位于微带线S1最下边缘处，半径为0.35mm，深度为底层介质层的深度；倒L型结构能产生4-6GHz范围的高频段。

6.如权利要求1所述的一种基于加载技术统一模型的多频小型化终端天线，其特征在于：所述的微带线S2后段的长度L2’为9.5-10.5mm，宽度W2’为0.5-1.5mm；微带线S3的长度L3为0.5-1.5mm，宽度W3为13.5-14.5mm；微带线S4的长度L4为15.5-16.5mm，宽度W4为0.5-1.5mm；微带线S5的长度L5为0.5-1.5mm，宽度W5为6.5-7.5mm。

7.如权利要求1所述的一种基于加载技术统一模型的多频小型化终端天线，其特征在于：所述的微带线S6长度L6为5.5-6.5mm，宽度W6为0.5-1.5mm；微带线S7的长度L7为0.5-1.5mm，宽度W7为3.5-4.5mm；微带线S8的长度L8为3.5-4.5mm，宽度W8为0.5-1.5mm。

8.如权利要求1所述的一种基于加载技术统一模型的多频小型化终端天线，其特征在于：所述的L型结构与环型结构共同作用产生了供天线正常通信的多频段，包括以下频段：

LTE700:698MHz-787MHz、DCN:824-894MHz、GSM:880MHz-960MHz、

DCS:1710MHz-1880MHz、LTE1900:1850MHz-1990MHz、

WCDMA:1920MHz-2170MHz、LTE2300:2300MHz-2400MHz、

WLAN:2.42GHz-2.48GHz、LTE2500:2500-2690MHz、802.11a:5150MHz-5850MHz。

9.如权利要求1所述的一种基于加载技术统一模型的多频小型化终端天线，其特征在于：所述的间隙大小由各微带线的长度和宽度共同决定，为0.5-2mm的范围。