CN107369889B - 紧凑型双频段线极化单极子天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种紧凑型双频段线极化单极子天线，包括介质基板、工作于不同频段的第一天线单元和第二天线单元、接地单元和天线接口，所述第一天线单元设置于介质基板的上表面和侧面，所述第二天线单元和接地单元设置于所述介质基板的下表面，一个导电体贯穿所述介质基板并与第一天线单元和第二天线单元连接。该紧凑型双频段线极化单极子天线合理的设计了多段折线结构、充分利用了仅有的空间，同时巧妙地将低频段天线刻蚀在介质基板的上表面和侧面，高频段天线刻蚀在介质基板的背面，并通过短金属暗杆和低频段天线连接，实现双频段、小型化的目的。

Description

紧凑型双频段线极化单极子天线
技术领域
本发明涉及一种双频单极子天线，特别是涉及一种紧凑型双频段线极化单极子天线，属于通信技术领域。
背景技术
现代无线通信系统的发展与人类的生活密不可分，而天线技术是无线通信系统的基础。不同的通信功能占用频率各不相同，如GSM通信使用900MHz、1.8GHz,ISM通信使用2.4GHz、5.8GHz,GPS定位系统使用1.575GHz等等。现代电子通信设备覆盖多个通信频段，因此涉及到多频段天线。随着电子通信设备的尺寸越来越小，天线小型化设计技术也更加受到重视。特别是对于GSM 900MHz频段，由于工作频率相对较低，波长较长，传统结构很难满足小型终端设备应用。而在满足小型化设计的同时还要兼顾双频段通信的要求更是增加了设计难度。
经过对现有的技术文献检索发现，J.L.Buckly等人在2016年的IEEE Antennasand Wireless Propagation Letters(天线和无线传播)期刊上发表了“A dual-ISM-bandantenna of small size using a spiral structure with parasitic element”(使用螺旋结构和寄生单元的小型化双频段天线)，文中设计了工作在433MHz和2.45GHz的双频段天线，天线尺寸51×28mm2,然而天线在433MHz频点处最大增益仅为-11.5dBi。Z.X.Liang等人在2014年的IEEE Transactions on Antenna and Propagation(天线传播)期刊上发表了“Multiband monopole mobile phone antenna with circular polarization for GNSSapplication”(应用于全球导航卫星系统的多频段圆极化单极子手机天线)，天线的工作频率范围覆盖GSM 900MHz和GPS 1.575GHz，但天线结构需要很大的地板，整体尺寸达到了110×50mm2。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种紧凑型双频段线极化单极子天线，使得天线能够同时工作在900MHz和1.575GHZ两个频段，同时天线尺寸紧凑，结构简单、轻质、易加工。
本发明的技术方案是这样的：一种紧凑型双频段线极化单极子天线，包括介质基板、工作于不同频段的第一天线单元和第二天线单元、接地单元和天线接口，所述第一天线单元设置于介质基板的上表面和侧面，所述第二天线单元和接地单元设置于所述介质基板的下表面，一个导电体贯穿所述介质基板并与第一天线单元和第二天线单元连接。
进一步的，所述第一天线单元工作于900MHz，所述第二天线单元工作于1.575GHZ。
进一步的，所述第一天线单元由梯形渐变结构的巴伦和蛇形单极子臂组成，所述巴伦的下底设置于所述介质基板的底边沿，巴伦的上底与蛇形单极子臂连接，所述蛇形单极子臂包括五段折线和连接于相邻两段折线之间的连接线，第一折线至第六折线由巴伦向介质基板的顶边沿依次排列，所述巴伦和第一折线至第六折线设置于所述介质基板的上表面，所述连接线设置于所述介质基板的侧面。
优选的，所述巴伦的上底宽4～6mm，下底宽6～8mm；所述第一折线至第六折线的宽度均为1～2mm，所述连接线的宽度为介质基板的厚度。
优选的，所述第一折线的长度为13～15mm，第二折线至第五折线的长度为介质基板的宽度，所述第六折线的长度为20～30mm，第一折线和第二折线间距7.5～9.5mm，第二折线至第六折线间两两间距相等，均为4～5mm。
进一步的，所述第二天线单元为S形，由引线段、三段折线段和连接线段组成，所述连接线段设置于相邻两段折线段的端部。
优选的，所述引线段长度为3～5mm，宽度为3～5mm；所述三段折线段的第一折线段长度为10～15mm，第二折线段长度为24～28mm，第三折线段长度为15～20mm，相邻两段折线段间距为4～5mm，三段折线段的宽度相等，均为1～2mm。
进一步的，所述导电体一端与巴伦连接，另一端与引线段连接。
进一步的，所述接地单元设置于所述介质基板的下表面的底端，所述天线接口为SMA接头，所述SMA接头的外部金属与所述接地单元连接，所述SMA接头的内芯穿过所述介质基板与巴伦连接。
本发明的技术方案的有益效果是，合理的设计了多段折线结构、充分利用了仅有的空间，同时巧妙地将低频段天线刻蚀在介质基板的上表面和侧面，高频段天线刻蚀在介质基板的背面，并通过短金属暗杆和低频段天线连接，实现双频段、小型化的目的。仿真结果表明：天线在895–905MHz和1.565-1.59GHz频率范围内|S11|<-10dB，阻抗带宽分别为10MHz和25MHz，天线辐射方向图在“E面”呈“8”字形辐射特性，在“H面”呈全向辐射特性。天线整体尺寸为45×30×1mm3(长×宽×高)，并且具有结构简单、轻质、易加工等优点。
附图说明
图1为本发明紧凑型双频段线极化单极子天线整体结构示意图。
图2为本发明紧凑型双频段线极化单极子天线正面结构示意图。
图3为本发明紧凑型双频段线极化单极子天线反面结构示意图。
图4为本发明紧凑型双频段线极化单极子天线S参数仿真结果。
图5为本发明紧凑型双频段线极化单极子天线900MHz辐射方向图仿真结果。
图6为本发明紧凑型双频段线极化单极子天线1.575GHz辐射方向图仿真结果。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
请结合图1至图3所示，本实施例所涉及的紧凑型双频段线极化单极子天线，工作频率为900MHz和1.575GHz，整体尺寸45×30×1mm3(长×宽×高)。其包括起支撑作用的介质基板1、工作于900MHz的第一天线单元2、工作于1.575GHz的第二天线单元3、接地单元4、连接第一天线单元和第二天线单元的导电体5和作为天线接口的SMA接头6。
其中介质基板1为FR4,介电常数4.4，介质厚度1mm，损耗正切角0.02。
工作于900MHz的第一天线单元2刻蚀在介质基板1的上表面和侧面，其包括一个梯形渐变结构的巴伦201和蛇形单极子臂。梯形巴伦201刻蚀在介质基板1的上表面，巴伦201的下底处于介质基板1的底边沿，上底与蛇形单极子臂连接，下底宽6～8mm，上底宽4～6mm。蛇形单极子臂包括五段折线和连接于相邻两段折线之间的连接线202，第一折线203至第六折线204由巴伦201向介质基板1的顶边沿依次排列。第一折线203至第六折线204刻蚀在介质基板1的上表面，而连接线202刻蚀在介质基板1的侧面。第一折线203至第六折线204的宽度均为1～2mm，连接线202的宽度与介质基板1的厚度相同即1mm。第一折线203的长度为13～15mm，第二折线205、第三折线206、第四折线207和第五折线208的长度为介质基板1的宽度即30mm，第六折线204的长度为20～30mm，第一折线203和第二折线205间距7.5～9.5mm，第二折线205至第六折线204间两两间距相等，均为4～5mm。
工作于1.575GHz的第二天线单元3刻蚀在介质基板1的下表面。第二天线单元3呈S形，其包括引线段301、三段折线段和连接线段302组成，连接线段302设置于相邻两段折线段的端部。引线段301长度为3～5mm，宽度为3～5mm；三段折线段的第一折线段303长度为10～15mm，第二折线段304长度为24～28mm，第三折线段305长度为15～20mm，相邻两段折线段间距为4～5mm，三段折线段的宽度相等，均为1～2mm。
导电体5为金属短杆，导电体5贯穿介质基板1，其两端分别与第一天线单元2的巴伦以及第二天线单元3的引线段连接。
接地单元4刻蚀在介质基板1的下表面的底部，SMA接头6的外部金属与接地单元4相连，SMA接头6的内芯穿过介质基板1，与第一天线单元2的梯形渐变巴伦相连。
选取一个测试例进行测试，测试例的结构参数具体为第一天线单元2的巴伦下底宽7mm，上底宽5mm。第一折线至第六折线的宽度均为1.5mm，连接线宽度为1mm，第一折线的长度为15mm，第二至第五折线的长度为30mm，第六折线的长度为26mm。第一折线和第二折线间距8.5mm，第二折线至第六折线间两两间距相等，均为4.5mm。第二天线单元3的引线段长度、宽度均为4mm；第一折线段长度为13mm，第二折线段长度为26mm，第三折线段长度为19mm，相邻两段折线段间距为4.5mm，三段折线段的宽度均为1.5mm。
如图4所示，其中横坐标代表频率变量，单位为GHz，纵坐标代表回波损耗变量。仿真结果表明，该测试例的紧凑型双频段线极化单极子天线在895–905MHz和1.565-1.59GHz频率范围内|S11|<-10dB，阻抗带宽分别为10MHz和22MHz。如图5和图6所示，第一天线单元2和第二天线单元3在H面呈全向辐射特性，E面辐射方向图为“8”字型。

Claims (4)

1.一种紧凑型双频段线极化单极子天线，包括介质基板、工作于不同频段的第一天线单元和第二天线单元、接地单元和天线接口，其特征在于：所述第一天线单元设置于介质基板的上表面和侧面，所述第二天线单元和接地单元设置于所述介质基板的下表面，一个导电体贯穿所述介质基板并与第一天线单元和第二天线单元连接，所述第一天线单元由梯形渐变结构的巴伦和蛇形单极子臂组成，所述巴伦的下底设置于所述介质基板的底边沿，巴伦的上底与蛇形单极子臂连接，所述蛇形单极子臂包括六段折线和连接于相邻两段折线之间的连接线，第一折线至第六折线由巴伦向介质基板的顶边沿依次排列，所述巴伦和第一折线至第六折线设置于所述介质基板的上表面，所述连接线设置于所述介质基板的侧面；
所述第一天线单元工作于900MHz，所述第二天线单元工作于1.575GHz；
所述接地单元设置于所述介质基板的下表面的底端，所述天线接口为SMA接头，所述SMA接头的外部金属与所述接地单元连接，所述SMA接头的内芯穿过所述介质基板与巴伦连接；
所述第二天线单元由引线段、三段折线段和连接线段组成，所述连接线段设置于相邻两段折线段的端部；
所述导电体一端与巴伦连接，另一端与引线段连接。
2.根据权利要求1所述的紧凑型双频段线极化单极子天线，其特征在于，所述巴伦的上底宽4～6mm，下底宽6～8mm；所述第一折线至第六折线的宽度均为1～2mm，所述连接线的宽度为介质基板的厚度。
3.根据权利要求1所述的紧凑型双频段线极化单极子天线，其特征在于，所述第一折线的长度为13～15mm，第二折线至第五折线的长度为介质基板的宽度，所述第六折线的长度为20～30mm，第一折线和第二折线间距7.5～9.5mm，第二折线至第六折线间两两间距相等，均为4～5mm。
4.根据权利要求1所述的紧凑型双频段线极化单极子天线，其特征在于，所述引线段长度为3～5mm，宽度为3～5mm；所述三段折线段的第一折线段长度为10～15mm，第二折线段长度为24～28mm，第三折线段长度为15～20mm，相邻两段折线段间距为4～5mm，三段折线段的宽度相等，均为1～2mm。
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